KR960011210B1

KR960011210B1 - 피동형 가압경수로

Info

Publication number: KR960011210B1
Application number: KR1019920019163A
Authority: KR
Inventors: 장순홍; 노희천; 백원필; 이성욱
Original assignee: 한국과학기술원; 천성순
Priority date: 1992-10-19
Filing date: 1992-10-19
Publication date: 1996-08-21
Also published as: KR940010120A

Abstract

내용 없음.

Description

피동형 가압경수로

제1도는 본 발명에 따른 피동형 가압경수로의 전체구성도.

제2도는 본 발명에 따른 피동형 가압경수로의 측면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 원자로 11A,11B : 증기발생기

13 : 가압기 12A,12B,12C,12D : 원자로 낭각재펌프

22A,22B : 고압주파수 탱크 23A,23B : 중간압 주입수 탱크

24 : 핵연료 교환용수 저장탱크 31A,31B : 열교환기

41 : 금속격납용기 42 : 콘크리트 외벽

43 : 격납용기 냉각수 탱크

본 발명은 피동형 가압경수로에 관한 것으로, 특히 원자로 냉각시스템(System)과 피동 안전시스템으로 구성하여 설계를 단순화시키고 용량을 증가시킬 수 있음은 물론 자연적인 현상을 이용하여 각 기능을 수행할 수 있도록 구성한 피동형 가압경수로에 관한 것이다.

원자력발전소는 1950년대 도입된 이래 화력 및 수력발전소를 보완하는 중요한 전기 생산수단이 되고 있으며, 지금까지 경제성이나 안전성 및 환경보존성 등의 측면에서 화력이나 수력에 비해 우월한 운전 실적을 보인 것으로 평가되고 있다. 그러나 워자로에서는 핵분열 과정에서 에너지와 함게 생성되는 방사성물질(Radioactive Material)이 비정상적으로 누출되는 사고가 발생하면 큰 재해로 발전할 가능성이 있으므로, 안전성은 항상 최우선적인 과제로 다루어져 왔다. 다양한 노력의 결과로 기존의 원자력 발전소도 합리적인 안전성을 지닌 것으로 평가되고 있지만, 기존의 원자로보다 안전성을 획기적으로 향상시킨 차세대 원자로(Next Generation Reactors)를 개발하려는 노력이 전세게적으로 활발하다.

전세계적으로 다양한 형태의 차세대 원자로들이 개발되고 있으나, 가압경수로(Pressurized Water Reactor : PWR)형은 개량형(Evolutionary Type)과 피동형(Passive Type)으로 크게 구분할 수 있다. 개량형은 기존의 경수로 설계를 거의 그대로 이용하면서 일부분에서 설계 개선을 꾀하고, 특히 계통 및 기기의 신뢰도 향상과 접속부 설계 개선에 중점을 두고 있다. 피동형은 기존 경수로에서 입증된 기술들을 채택하기는 하지만, 원자력 발전소의 안전성을 외부 동력 공급을 필요로 하는 능동적(Active)기기보다는 자연현상에 의한 피동적(Passive)수단에 의존하는 특징을 갖는다(여기서 자연 현상이란 중력, 자연순환, 압력 등을 의미한다.

개량형 가압경수로로서는 미국 ABB-CE사가 개발하는 System 80+, Westinghouse사와 일본회사들이 공동으로 개발하는 APWR등 여러 가지가 있으며, 대체로 1300MHe급 이상의 대용량을 추구하고 있다. 반면에 피동형 가압경수로로는 westinghouse사를 중심으로 개발되고 있는 Ap600이 대표적이며, 대체적으로 600MHe급 이하의 소용량을 추구하고 있다. Westinghouse사에서는 동시에 AP600의 설계 개념을 그대로 적용하되 냉각재 회로(Coolant Loop)수를 2개에서 3개로 증가시키는 900-1000NHe급 피동형 가압경수로인 SPWR을 개발하고 있다.

안전개념이나 현재의 기술수준으로 볼 때 피동형 가압경수로가 차세대 노형(爐型)으로 가장 바람직한 것으로 판단되어지나, 용량이 1000MHe 이상이 됨과 동시에 냉각재 회로의 수를 가급적 증가시키지 않는 것이 여러 측면에서 바람직하다.

본 발명의 목적은 기존의 원자로 냉각시스템(Reactor Coolant System)을 기본으로 여기에 피동 안전시스템(Passive Safty System) 개념을 결합하여 냉각재 회로(Coolant loop)의 수가 2개이면서도 그 출력을 1000MHe 이상으로 올릴 수 있는 피동형 가압경수로(Passive Pressurized Water Reactor)를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 원자로의 주요 계통은 원자로 냉각시스템과 피동 안전시스템(Passive Safety System)으로 구성된다. 원자로냉각시스템은 핵분열을 제어가능한 태로 일으키고 핵분열 결과 발생한 에너지를 이용하여 터빈발전기 구동에 필요한 수증기를 생산하는 계통으로, 원자로 1기, 증기발생기 2기, 가압기 1기, 원자로 냉각재펌프 2기 및 관련 배관으로 구성된다. 원자로냉각시스템은 기본적으로 한국형 표준원자력 발전소(Korea Standard Nuclear Power Plant)설계를 적용하되, 피동형 원자로의 특성에 맞출 수 있도록 크기를 증가시켜 동일한 열출력에 대해 핵연료집합체 수를 늘리고, 다른 설계변수들도 필요에 따라 약간씩 변경시킨다.

피동 안전시스템은 피동 잔열제거 시스템, 피동 안전주입 시스템(고압 주입, 중간압 주입 및 저압 주입) 및 피동 격납용기냉각 시스템으로 구분할 수 있다. 이들은 기존의 개념물 그대로 채택하되, 사이즈는 열출력 증가에 맞도록 증가시킨다. 여기서 본 발명의 원자로에서는 밀봉 펌프(Sealed Pump)를 사용하므로, 피동 잔열제거 시스템의 주입구가 원자로용기 직접주입관 또는 저온관에 연결된다.

원자로가 정상적인 출력운전 중일때는 원자로에서 생성된 열이 증기발생기로 전달되어, 증기발생기에서 수증기가 생성되고, 이 수증기는 터빈을 둘러 전기를 생산한다. 이점은 기존의 가압경수로에서와 동일하다.

한편 원자로가 정지되었을 경우에도 원자로에서는 붕괴열이 계속 생성되므로, 이를 안전하게 제거해야만 한다. 피동잔열제거시스템은 자연순환에 의해 격납용기내의 핵연료 교환용수 저장탱크의 물로 전달하는 역할을 한다.

한편 피동 안전 주입시스템은 원자로 냉각재가 배관 파단등으로 상실되어 원자로 노심 냉각즉 핵연료봉냉각) 기능을 할 수 없을 때, 비상노심냉각수를 노심에 공급하는 계통으로, 압력이 높을 때는 고압주압수 탱크, 중간 압력에서는 중간압주입수 탱크, 낮은 압력에서는 핵연료교환용수 저장탱크의 물이 노심으로 주입된다. 그리고 사고시에는 원자로냉각시스템의 물이 격납용기 대개로 방출되므로 격납용기 대기 압력 및 온도가 상승하여 파손을 가져올 가능성이 있다. 피동 격납용기냉각시스템은 격납용기 상부의 물을 중력에 의해 주입하여 격납용기를 냉각시키는 계통이다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 피동형 가압경수로의 전체구성도, 제2도는 본 발명에 따른 피동형 가압경수로의 측면도로서 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가압경수로는 크게 원자로 냉각시스템과 피동안전시스템으로 구분되어짐을 도시하고 있다.

핵분열에 의하여 에너지를 발생시키는 노심이 내장된 원자로(1) 주변에는 2기의 제1 및 제2증기발생기(11A 및 11B)가 설치되며, 원자로(1)와 각 증기발생기 (11A 및 11B)는 1개의 고온관(14A 및 14B)으로서 서로 연결된다.

한편, 각 증기발생기(11A 및 11B)와 원자로(1)간에는 2기씩의 원자로 냉각펌프(12A, 12B 및 12C, 12D)가 각각 설치되되, 각 증기발생기(11A 및 11B)와 각 원자로 냉각펌프(12A, 12B 및 12C, 12D)는 펌프흡입관(16A, 16B, 16D, 16D)으로써, 각 원자로 냉각펌프(12A, 12B 및 12C, 12D)와 원자로(1)는 저온관(15A, 15B 및 15C, 15D)으로써 서로 연결되어진다. 가압기(13)는 가압기 연결관(17)에 의하여 한 고온관(14A)에 연결된다.

상술한 원자로(1), 1쌍의 제1 및 제2증기발생기(11A 및 11B), 4기의 원자로 냉각펌프(12A, 12B, 12C, 12D), 가압기(13), 각 펌프흡입관(16A, 16B, 16D, 16D), 고온관(14A, 14B), 저온관(15A, 15B, 15C, 15D)은 원자로 냉각에 직접적으로 관여하기 때문에 원자로 냉각시스템이라 한다.

본 발명의 원자로 냉각시스템을 순환하는 냉각재로서는 약 300℃의 온도와 155Bar의 압력을 갖는 물이 이용되며, 핵연료 집합체는 기존의 16×16 핵연료 집합체를 채택한다.

한편, 원자로(1)를 둘러싼 강수관(6)은 주입관(21A, 21B)을 통하여 핵연료 교환용수(25)내의 열교환기(31A, 31B)에 연결되어 있다(이에 대한 설명을 후술하기로 함)

본 발명의 또 다른 구성부인 피동 안전시스템은 크게 피동 잔열제거 시스템(Passive Residual Heat Removal System), 피동 안전주입 시스템(Passive Safety Injection System) 및 피동 격납용기냉각 시스템(Passive Containment Cooling System)으로 구분된다.

피동 잔열제거 시스템은 핵연료 교환용수 저장탱크(24)내에 수용되어 있는 2기의 열교환기(31A, 31B), 상술한 원자로(1)의 강수관(6)과 각 열교환기(31A, 31B, 제2도에는 도시되지 않음)을 연결하는 원자로용기 직접 주입관(21A, 21B)으로 이루어진다.

원자로의 정지 후에 정상적으로 잔열제거기능이 작동하지 않을 경우에는 이 피동 잔열제거시스템이 노심으로부터 붕괴열을 제거하여 핵연료 교환용수 저장탱크(24)내의 열교환기(31A, 31B)를 통하여 핵연료 교환용수(25)로 전달한다.

이 과정은 노심과 열교환기(31A 또는 31B) 사이의 높이차에 의하여 유발되는 자연순환 유동을 이용한 것으로서, 노심으로부터 나오는 냉각수는 고온관(14A, 14B)에서 피동잔열 제거시스템의 배관(30A 또는 30B)으로 빠져나와 열교환기(31A 또는 31B)를 거치며, 이후 원자로용기 직접주입관(21A 또는 21B)를 통하여 원자로용기 강수관(6)으로 유입된다.

본 발명에서의 피동잔열제거시스템은 2개의 열교환기(31A, 31B)와 이에 연결된 배관(30A, 30B 및 21A, 21B)을 이용하여 서로 독립적인 2개의 회로(Loop)로 구성되며, 따라서 이중 어느 한 회로(Loop)만 작동하여도 붕괴열을 충분히 제거할 수 있는 기능을 얻을 수 있다.

피동안전주입 시스템은 핵연료 교환용수 저장탱크(24), 핵연료 교환용수 저장탱크(24)와 순차적으로 연결된 1쌍의 자동감압기(26A, 26B), 고압 주입수 탱크(22A, 22B) 및 중간 주입수 탱크(23A, 23B) 및 관련 배관으로 구성된다.

대형냉각재 상실사고시의 초기나 소형냉각재 상실사고시에는 고압 주입수 탱크(22A, 22B)의 냉각수가 중력에 의하여 원자로용기 직접 주입관(21A, 21B)을 통하여 원자로용기 강수관(6)으로 직접 유입된다.

대형냉각재 상실사고시, 냉각재의 압력이 40-50 Bar 정도로 떨어질 경우에는 중간 주입수 탱크(23A, 23B)에 저장되어 있던 냉각수가 압력차에 의하여 강수관(6)으로 주입되며, 압력이 더욱 떨어질 경우에는 핵연료 교환용수 저장탱크(24)내의 핵연료 교환용수(25)가 중력에 의하여 강수관(6)으로 주입된다. 자동감압기(26A, 26B)는 냉각재 상실사고시 원자로 냉각시스템의 압력을 급속히 떨어뜨려 비상 노심냉각수의 주입, 특히 저압으로 유지되는 핵연료 교환용수(25)의 원자로용기 직접주입관(21A, 21B)을 통한 주입을 촉진시키기 위한 것이다.

피동 격납용기냉각시스템은 상술한 각 부분을 보호하기 위한 것으로서, 내벽인 금속격납용기(41) 및 콘크리트외벽(42)으로 이루어지며, 금속격납용기(41) 상부에는 제2도에 도시된 바와 같이 격납용기 냉각수 탱크(43)가 위치한다.

피동 격납용 냉각 시스템은 사고 등으로 원자로 냉각부의 에너지가 격납용기대기(44)로 방출되어 금속격납용기(41)내의 온도 및 압력이 상승할 때 중력을 이용한 피동적인 방법으로 냉각시킴으로써 금속격납용기(41)를 보호할 수 있다.

제2도에 도시된 바와같이 콘크리트외벽(42) 내부공간은 금속격납용기(41)를 수용한 상태에서 공기유입구(42A) 및 유출구(42B)를 제외하고는 밀봉된 상태를 유지하며, 금속격납용기(41)와 콘크리트외벽(42)간의 공간은 또다른 금속재료로 구획되어 외부에서 유입된 공기의 통로역할을 한다.

한편, 금속격납용기(41) 상단 외곽원주부 즉, 출구(42B)의 연변에 격납용기 냉각수 탱크(43)가 설치되어 중력에 의한 냉각수의 주입이 이루어진다. 사고후 수일동안은 이러한 방법에 의해 격납용기가 냉각된다.

한편, 화살표로 도시된 바와같이 콘크리토외벽(42) 상단의 공기 유입구(42A)를 통하여, 통하여 유입된 공기는 금속격납용기(41)와 콘크리트외벽(42) 사이의 공간을 거쳐 콘크리트외벽(42) 상부면의 중앙부에 구성된 출구(42B)를 통하여 배출되며, 따라서 공기의 자연적인 순환이 이루어져 사고시 금속격납용기(41)를 냉각시킬 수 있으며, 이는 사고후 상당기간이 지난후의 주된 냉각 방식이다.

이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 효과를 설명하면, 1) 냉각재 회로(Loop)의 수를 2개로 유지함으로써 용량을 1000KMe급 이상으로 증재시킴과 동시에 설계가 단순화되며, 2) 냉각수의 주입이 중력과 압력 등 자연적인 구동력에 의해서 이루어지기 때문에 어떠한 경우라도 냉각수에 의한 원자로의 냉각기능을 기대할 수 있다. 3) 또한 금속격납용기 상부에 냉각수 탱크를 두오 중력에 의한 격납용기 냉각수의 주입과 공기의 자연순환만으로 사고시 금속격납용기를 냉각시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims

피동형 가압경수로에 있어서, 고온관(14A, 14B)으로 원자로(1)에 각각 연결된 제1증기발생기 및 제2증기발생기(11A 및 11B)와, 상기 각 증기 발생기(11A 및 11B)와는 펌프흡입관(16A, 16B 및 16D, 16D)으로, 상기 원자로(1)와는 저온관(15A, 15B 및 15C, 15D)으로 연결된 4기의 원자로 냉각펌프(12A, 12B 및 12C, 12D)와, 가압기 연결관(17)을 통하여 상기 고온관(14A)에 연결되는 가압기(13)와, 핵연료 교환용수 탱크(24)내에 설치되며, 상기 각 고온관(14A, 14B) 및 원자로용기 직접주입관(21A 및 21B)에 연결되는 2가의 열교환기(31A 및 31B)와, 상기 각 원자로용기 직접주입관(21A 및 21B)에 순차적으로 연결되는 중간압 주입수 탱크(23A 및 23B) 및 고압주입수 탱크(22A, 22B)와, 상기 가압기(13)상부에 연결되고 또한 상기 핵연료 교환용수탱크(24) 및 각 고압주입수 탱크(22A 및 22B)와 연결된 자동감압부(26A 및 26B)를 구비하여 격납용기 내에 구성된 것을 특징으로 하는 피동형 가압경수로.
제1항에 있어서 상기 격납용기는, 금속격납용기(41) 및 그 외부의 콘크리트 외벽(42)으로 구성되며, 상기 콘크리트 외벽(42)에는 각각 공기유입구(42A)와, 공기 유출구(42B)가 각각 구성되어 공기가 상기 금속격납용기(42)와 상기 콘크리트 외벽(42)간의 공간을 자연순환하도록 구성한 것을 특징으로 하는 피동형 가압경수로.
제2항에 있어서, 상기 콘크리트 외벽(42)은 그 상단에 격납용기 냉각수 탱크(43)를 설치한 것을 특징으로 하는 피동형 가압경수로.