KR20210050223A - 원자력 발전소의 통합형 피동냉각시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력 발전소의 통합형 피동 냉각시스템에 관한 것으로서, 원자로건물과 상기 원자로건물의 측면에 위치한 보조건물 및 상기 보조건물의 상부에 위치하며, 원자로건물냉각계통 및 증기발생기보조급수계통에 필요한 열교환 유체를 수용하는 냉각수조를 포함하고, 상기 냉각수조는, 수용공간이 적어도 세 개의 구역으로 분리되며, 상기 수용공간의 상부 공간을 차지하는 보충수조와 상기 보충수조보다 낮은 위치에 형성된 보조급수조 및 건물냉각수조를 포함하여, 각 냉각계통이 공통으로 사용하는 냉각수의 운용을 효율화하고, 사고시 안정성을 높이는 피동형 냉각시스템이다.

Description

원자력 발전소의 통합형 피동냉각시스템{Integrated type passive cooling system of nuclear power plant}

본 발명은 원자력 발전소의 피동형 냉각시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 원자로건물의 냉각계통과 증기발생기의 보조급수계통에 사용되는 열교환 유체의 효율적 운용을 위한 냉각시스템에 관한 것이다.

원자력 발전 시 생성되는 열은 냉각재에 의해 냉각되는데, 상기 냉각재로서 물을 이용하는 것이 일반적이며 경제성과 안전성이 우수한 것으로 판명되고 있다. 냉각재로서 물을 이용한 기술은 경수형 원자로와 중수형 원자로가 있으며, 국내에서는 상기 경수형 원자로로서 주로 가압 경수형 원자로가 가동되고 있다.

가압 경수형 원전은 핵분열에 의해 발생된 열을 증기발생기로 보내 열교환시키는 원자로 계통에 관한 시설과, 증기발생기에서 발생된 증기로 터빈을 돌린 후 물로 환원시켜 다시 증기발생기로 순환되는 터빈/발전기 계통 시설로 구분된다. 일반적으로 원자로 계통의 냉각재는 원자로에서 약 섭씨 320도까지 가열되며, 비등하지 않도록 약 153기압으로 가압된다.

한편, 일반적인 원전의 설계에는 가상사고를 고려하는바, 원자로 냉각재가 계통 외부로 유출되는 냉각재상실사고 시 원자로건물 내에서 고온, 고압의 증기와 함께 방사성 물질이 배출되고, 이로 인해 원자로건물 내의 온도와 압력이 급격하게 상승하게 된다. 이때, 상승하는 온도와 압력을 조절하기 위해 원자로건물살수계통(수조, 펌프, 배관, 노즐, 밸브 등)과 같은 냉각계통이 마련되나, 이러한 냉각계통 동작을 위해서는 전원공급이 필수적이며, 전원 상실시 동작 가능 시간이 제한적이고, 사고 발생 시 작업자의 접근이 어려워 냉각계통의 사용이 제한되는 문제점이 있다.

또한, 보조급수 계통은 원자력 발전소에서 사고가 발생하여 주급수 계통이 운전 불가능한 경우 원자로 냉각계통이 고온대기 상태에서 정지상태로 전환할 수 있도록 증기발생기의 수위를 유지하는 계통이다. 증기발생기에서 생성된 증기를 응축하여 회수함으로써 핵연료의 붕괴 열 제거에 활용한다. 종래 보조급수 계통은 응축수 저장탱크와 보조급수펌프를 이용하여 열 제거 기능을 수행하였으나, 이 역시 능동 시스템인바 전원 상실 시 우려되는 문제가 있다.

전술한 바와 같이 종래 원자력 발전소에서 사용 중인 냉각계통은 능동형 기기를 사용함에 따라 시스템의 작동 신뢰도가 떨어지는 문제가 있고, 각 계통이 개별 운영되어 운용상의 효율성이 저하되는 문제가 있다.

등록특허공보 제10-1382256호(2014.04.01. 등록) 공개특허공보 제10-2019-0067426호(2019.06.17. 등록)

본 발명은 원자력 발전소의 통합형 피동 냉각시스템에 관한 것으로서, 원자로건물의 냉각계통과 증기발생기의 보조급수계통을 피동형 시스템으로 구성하고 양 계통에서 활용되는 냉각수를 효율적으로 운용할 수 있는 구조의 냉각시스템 제공을 목적으로 한다.

원자력 발전소의 통합형 피동 냉각시스템으로서, 원자로건물과 상기 원자로건물의 측면에 위치한 보조건물 및 상기 보조건물의 상부에 위치하며, 원자로건물냉각계통 및 증기발생기보조급수계통에 필요한 열교환 유체를 수용하는 냉각수조를 포함하고, 상기 냉각수조는, 수용공간이 적어도 세 개의 구역으로 분리되며, 상기 수용공간의 상부 공간을 차지하는 보충수조와 상기 보충수조보다 낮은 위치에 형성된 보조급수조 및 건물냉각수조를 포함한다.

바람직하게는 상기 냉각수조는, 상기 보충수조와 상기 보조급수조 또는 상기 보충수조와 상기 건물냉각수조를 연결하는 배관 및 밸브를 구비하여 열교환 유체를 이송할 수 있는 수위조절부를 포함한다.

바람직하게는 상기 원자로건물냉각계통은 상기 원자로건물 내부에 위치한 열교환기에 의해 상기 원자로건물 내부의 열을 상기 건물냉각수조의 열교환 유체에 방출할 수 있고, 상기 증기발생기보조급수계통은 상기 보조급수조 내부에 위치한 열교환기에 의해 증기발생기에서 발생한 증기를 응축수로 전환한다.

바람직하게는 상기 수위조절부는, 상기 보조급수조 또는 상기 건물냉각수조 내부의 열교환 유체 수위에 따라 자동으로 열교환 유체를 이송한다.

바람직하게는 상기 보충수조는, 외부로부터 열교환 유체를 충전할 수 있는 입구부를 포함한다.

바람직하게는 상기 보충수조는, 내부의 열교환 유체를 배출할 수 있는 출구부를 포함하며, 상기 출구부는 밸브가 구비된 배관과 연결되어 열교환 유체를 상기 냉각수조 외부의 공간으로 이송 가능하다.

본 발명에 따르면, 전원공급이 불가능한 사고시에도 신속하고 안정적으로 원자로건물의 냉각 및 보조급수의 공급이 가능하여 발전소의 안정성이 향상된다.

또한, 능동형 기기의 사용이 최소화되어, 시스템 동작의 신뢰성이 제고되며 소방차에 의한 외부 수원으로 보충수조의 냉각수 공급이 가능하여 장기간 냉각할 수 있다.

또한, 원자로건물냉각계통과 보조급수계통이 보충수조를 공유하면서도 냉각수를 각각 분리된 공간에서 보유함으로써, 각 계통에 문제 발생 시 계통간에 영향을 미치지 않아 안정성이 증대되고, 사고 후 조치의 편의성이 향상된다.

또한, 하나의 보충수조에서 각 계통에 필요한 냉각수를 자유롭게 분배할 수 있으며, 각 계통의 냉각수 소모율에 따라 신속한 냉각수 공급이 가능하므로 효율적인 운용이 가능하다.

또한, 보충수조의 냉각수를 원전 시설 내에서 다양한 목적으로 활용할 수 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템을 도시한 것이다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각수조를 확대하여 도시한 것이다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템에서 보충수조의 냉각수를 충전하는 모습을 도시한 것이다.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 설명을 생략하였다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템(100)을 도시한 것이다. 원자로건물(110)과 보조건물(120), 냉각수조(130)의 단면이 개념적으로 도시되며, 각 구성의 상대적인 위치와 작동 관계를 표현한다.

도1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템(100)은 상부가 돔 형태로 형성된 원자로건물(110)과 원자로건물(110)을 둘러싸는 형태로 원자로건물(110)의 측면에 위치하는 보조건물(120)을 포함할 수 있다. 또한, 보조건물(120)의 상부에 위치하며, 원자로건물냉각계통과 증기발생기보조급수계통에 필요한 열교환 유체를 수용하는 냉각수조(130)를 포함한다. 이때, 열교환 유체는 물(냉각수)을 사용하는 것이 바람직하다.

냉각수조(130)는 보조건물(120) 상부에 위치함으로써 수두차에 의해 건물 내에 열교환 유체를 이송할 수 있다. 냉각수조(130)가 위치하는 높이는 수두 차이를 이용하여 열교환 유체를 필요한 곳에 공급할 수 있는 적당한 높이를 가진 것이 바람직하다. 보조건물(120) 상부는 원자로건물(110) 외주면의 상부 영역에 해당하기도 하므로, 냉각수조(130)는 원자로 건물 내부로 열교환 유체의 공급이 가능하다. 전원이 상실된 경우에도 작동이 가능한 피동형으로써 작동 신뢰도를 높일 수 있다.

도2를 참조하면, 냉각수조(130)의 상세 모습이 도시되어 있다. 냉각수조(130)의 형상은 그 단면이 사각형으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

원자로건물냉각계통은 원전 사고 시, 열교환기가 작동함에 따라 원자로건물 내부의 열을 열교환 유체에 전달하고, 열을 흡수한 열교환 유체가 냉각수조에 회수됨으로써 원자로건물을 냉각하는 계통이다. 또한, 증기발생기보조급수계통은 원전 사고 시 증기발생기에서 발생하는 증기를 응축하고 응축수로 회수함으로써 노심의 붕괴열을 제거하는 냉각계통이다.

원자로건물냉각계통과 증기발생기보조급수계통은 열교환 유체를 수용하는 냉각수조(130)를 포함한다. 상기 냉각수조(130)는 내부 수용공간을 상하로 분리하는 수평 격벽과 상기 수평 격벽에 의해 분리된 하부 수용공간을 다시 수직으로 분리하는 수직 격벽을 포함할 수 있다. 따라서, 냉각수조(130)의 수용공간이 세 개의 구역으로 분리될 수 있다.

이때, 상부 수용공간은 보충수조(131), 두 개의 하부 수용공간은 기능에 따라 건물냉각수조(133) 또는 보조급수조(132)로 지칭될 수 있다.

냉각수조(130)는 보충수조(131)와 건물냉각수조(133) 또는 보충수조(131)와 보조급수조(132)를 연결하는 수위조절부(150)를 포함할 수 있다. 수위조절부(150)는 배관(151)과 밸브(152)를 포함한다. 따라서, 보충수조(131) 내에 충전된 열교환 유체를 자유롭게 건물냉각수조(133) 또는 보조급수조(132)로 이송할 수 있다. 보충수조(131)가 건물냉각수조(133) 또는 보조급수조(132)보다 높은 위치에 형성되므로 수두차에 의해 열교환 유체가 이송된다.

수위조절부(150)의 밸브(152)는 건물냉각수조(133) 또는 보조급수조(132)의 열교환 유체 수위에 연동하여 자동으로 작동할 수 있으며, 이로 인해 건물냉각수조(133) 또는 보조급수조(132)가 안정적인 수위를 유지할 수 있다. 또한, 도면에 도시되어 있지 않으나 냉각시스템(100)은 건물냉각수조(133)와 보조급수조(132)를 연결하는 수위조절부를 포함할 수 있다. 냉각수조(130)는 구역이 분리된 보충수조(131), 보조급수조(132), 건물냉각수조(133)가 서로 수위조절부(150)로 연결되어 열교환 유체를 자유롭게 교환할 수 있으므로, 원자로건물냉각계통 또는 증기발생기보조급수계통에서 열교환 유체의 소모량에 따라 열교환 유체를 신속하게 공급할 수 있다.

건물냉각수조(133)는 원자로건물냉각계통에서 필요한 열교환 유체를 수용한다. 원자로건물냉각계통의 열교환기(140)는 원자로건물(110) 내부에 위치하며, 건물냉각수조(133)의 열교환 유체가 상기 열교환기(140)를 통해 순환하며 원자로건물(110) 내부의 열을 흡수한다.

보조급수조(132)는 증기발생기보조급수계통에 필요한 열교환 유체를 수용한다. 열교환기(141)는 보조급수조(132)의 내부에 위치하고, 증기발생기(160)로부터 배관을 따라 이송된 증기는 열교환기(141)를 거쳐 응축되고 응축수로 회수된다.

보충수조(131)는 열교환 유체를 공급받을 수 있는 입구부를 구비하며, 상기 입구부는 밸브(154)를 포함한 배관(153)과 연결되어 소방차 등에 의해 외부 수원을 공급받는 통로가 된다. 도3을 참조하면 냉각수를 공급하는 차량을 통해 보충수조(131)에 냉각수를 충전하는 모습을 도시한다.

또한, 보충수조(131)는 열교환 유체를 배출할 수 있는 출구부를 포함할 수 있다. 상기 출구부는 밸브(156)를 포함한 배관(155)과 연결되어 원자로건물(110) 또는 보조건물(120)(또는 핵연료건물) 내부의 수원이 필요한 곳에 열교환 유체를 공급할 수 있다. 예를 들어, 보조건물(120)(또는 핵연료건물) 내부에 위치한 사용후연료저장조(180)에 비상시 냉각수를 공급할 수 있다.

원자로건물(110) 또는 보조건물(120) 뿐만 아니라 그밖에 다른 시설이라도 배관을 연결하여 냉각수를 공급할 수 있으므로, 보충수조(131)에 수용된 냉각수를 다양한 목적으로 활용할 수 있다.

본 발명에서 냉각수의 이송은 냉각수조(130)에 열교환 유체를 공급할 때를 제외하고, 모든 것이 수두차에 의한 것인바 별도 전원이 필요하지 않은 피동형 시스템이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 당업자에게 명백할 것이다.

100: 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템
110: 원자로건물
120; 보조건물
130: 냉각수조
131: 보충수조
132: 보조급수조
133: 건물냉각수조
140: 원자로건물 내부 열교환기
141: 보조급수조 내부 열교환기
150: 수위조절부
151: 배관
152: 밸브
153: 입구부 배관
154: 입구부 밸브
155: 출구부 배관
156: 출구부 밸브
160: 증기발생기
170: 원자로
180: 사용후연료저장조

Claims (6)

1. 원자력 발전소의 통합형 피동 냉각시스템으로서,
   원자로건물;
   상기 원자로건물의 측면에 위치한 보조건물; 및
   상기 보조건물의 상부에 위치하며, 원자로건물냉각계통 및 증기발생기보조급수계통에 필요한 열교환 유체를 수용하는 냉각수조를 포함하고,
   상기 냉각수조는,
   수용공간이 적어도 세 개의 구역으로 분리되며, 상기 수용공간의 상부 공간을 차지하는 보충수조와 상기 보충수조보다 낮은 위치에 형성된 보조급수조 및 건물냉각수조를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 냉각수조는,
   상기 보충수조와 상기 보조급수조 또는 상기 건물냉각수조를 연결하는 배관과 밸브를 구비하여 열교환 유체를 이송할 수 있는 수위조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 원자로건물냉각계통은 상기 원자로건물 내부에 위치한 열교환기에 의해 상기 원자로건물 내부의 열을 상기 건물냉각수조의 열교환 유체에 방출할 수 있고,
   상기 증기발생기보조급수계통은 상기 보조급수조 내부에 위치한 열교환기에 의해 증기발생기에서 발생한 증기를 응축수로 전환하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 수위조절부는,
   상기 보조급수조 또는 상기 건물냉각수조 내부의 열교환 유체 수위에 따라 자동으로 열교환 유체를 이송하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 보충수조는,
   외부로부터 열교환 유체를 충전할 수 있는 입구부를 포함하는 냉각시스템.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 보충수조는,
   내부의 열교환 유체를 배출할 수 있는 출구부를 포함하며,
   상기 출구부는 밸브가 구비된 배관과 연결되어 열교환 유체를 상기 냉각수조 외부의 공간으로 이송 가능한 것을 특징으로 하는 냉각시스템.

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