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KR101463441B1 - 고농축 붕산 주입 설비 및 이를 구비하는 안전주입계통 - Google Patents

고농축 붕산 주입 설비 및 이를 구비하는 안전주입계통 Download PDF

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KR101463441B1
KR101463441B1 KR20130062902A KR20130062902A KR101463441B1 KR 101463441 B1 KR101463441 B1 KR 101463441B1 KR 20130062902 A KR20130062902 A KR 20130062902A KR 20130062902 A KR20130062902 A KR 20130062902A KR 101463441 B1 KR101463441 B1 KR 101463441B1
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KR
South Korea
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boric acid
reactor vessel
tank
safety
cooling water
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KR20130062902A
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Inventor
김영인
김긍구
하재주
박천태
유승엽
배영민
이원재
김종인
김태완
윤주현
Original Assignee
한국원자력연구원
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    • G21C15/00—Cooling arrangements within the pressure vessel containing the core; Selection of specific coolants
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Abstract

본 발명은 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고와 같은 사고 발생 초반에 원자로용기로 고농축 붕산수를 신속하게 주입할 수 있는 고농축 붕산 주입 설비를 제안한다. 고농축 붕산 주입 설비는, 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고 발생시 원자로용기로 주입될 붕산수를 수용하도록 형성되는 붕산탱크, 및 상기 원자로용기 외부에 설치된 안전주입설비로부터 상기 붕산탱크를 통과해 상기 원자로용기로 주입되는 냉각수의 유로를 제공하도록 적어도 하나의 안전주입설비와 상기 붕산탱크의 하부에 연결되는 안전주입배관을 포함하고, 상기 붕산탱크는, 상기 원자로용기와 열적 평형상태를 유지하여 상기 붕산수의 농축상태를 유지하도록 상기 원자로용기의 내부에 설치되고 상기 안전주입배관을 통해 탱크로 유입되는 냉각수에 선행하여 붕산수를 상기 원자로용기 내부로 먼저 주입하도록 상부의 적어도 일부가 개방되어 있다.

Description

고농축 붕산 주입 설비 및 이를 구비하는 안전주입계통{HIGH CONCENTRATION BORON INJECTION SYSTEM AND SAFETY INJECTION SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 반응도를 억제하여 노심을 정지시키기 위한 고농축 붕산수를 원자로에 신속히 주입할 수 있는 고농축 붕산 주입 설비 및 이를 구비하는 안전주입계통에 관한 것이다.
원자로는 안전계통의 구성방식이나 주요기기의 설치위치에 따라 분류할 수 있다. 먼저 안전계통의 구성방식에 따라서는 펌프와 같은 능동력을 사용하는 능동형 원자로와 중력 또는 가스압력 등의 피동력을 사용하는 피동형 원자로로 나뉜다. 주요기기의 설치위치에 따라서는 주요기기(증기발생기, 가압기, 펌프 임펠러 등)가 원자로 외부에 설치되는 분리형원자로(예, 국내 상용 원자로)와 주요기기가 원자로용기 내부에 설치되는 일체형원자로(예, SMART 원자로)로 나뉜다.
원자력 발전소(원전)에서는 사고시 원자로로 비상냉각수(붕산수)를 공급하기 위한 다양한 형태의 계통이 이용되고 있다. 일례로 국내외 상용 분리형 가압경수로에서는 대형배관이 손상되어 다량의 냉각수가 방출되는 대형냉각재상실사고 발생시에 원자로로 신속히 비상냉각수(붕산수)를 공급하기 위한 질소 가압식 안전주입탱크(또는 축압기라 함)가 이용되고 있으며, 저압안전주입펌프와 고압안전주입펌프가 이용되고 있다. 또 다른 일례로 미국 웨스팅하우스(사)에서 개발한 피동 분리형 가압경수로 AP600, AP1000 등에서는 상기 질소 가압식 안전주입탱크 이외에 고압조건에서 원자로와 탱크 사이의 압력이 평형을 이룬 후 중력 수두를 이용하여 비상냉각수(붕산수)를 주입하는 노심보충탱크(Core Makeup Tank, CMT)가 이용되고 있으며, 원자로가 감압된 후 중력에 의해 주입되는 격납건물 내 재장전탱크가 이용되고 있다.
일체형원자로는 주요기기를 연결하기 위한 대형 배관이 없고, 화학 및 체적제어계통, 안전주입계통, 정지냉각계통, 안전밸브 등의 소형배관이 원자로용기와 연결된다. 이러한 특성으로 인해 일체형원자로에서는 대형배관이 손상되는 대형냉각재상실사고는 근원적으로 발생하지 않으며, 일체형원자로의 원자로 내부에는 주요기기가 수용되므로 원자로 내부 공간에는 많은 양의 냉각수가 존재한다. 따라서 일체형원자로에서 냉각재상실사고(배관손상 등)가 발생하는 경우 원자로의 압력과 수위가 분리형원자로에 비해 비교적 완만하게 감소하는 특성을 갖고 있다. 또한 일체형원자로의 내부에는 다른 용도로 활용할 수 있는 가용 공간이 많이 존재한다.
일반적으로 원자로는 증기관 파단사고와 같은 비냉각재상실사고의 초기에는 원자로 내부의 냉각수 온도가 신속하게 감소하여 중성자 감속재로 사용되는 냉각수의 밀도가 증가하므로 단위체적당 감속재의 양이 상대적으로 증가하면서 노심의 반응도가 증가하는 특성을 갖고 있다. 이런 상황이 발생하는 경우 능동형 원자로(국내 상용로)에서는 고압펌프를 사용하는 고압안전주입계통을 가동시켜 노심으로 붕산수를 신속하게 주입한다. 피동형 원자로(AP1000:미국 웨스팅하우스 등)에서는 중력을 이용하는 노심보충탱크를 사용하여 고압에서 붕산수를 주입한다. 노심보충탱크는 냉각재상실사고에도 이용되나 주로 비냉각재상실사고가 발생하는 경우 원자로 노심의 반응도를 억제할 목적으로 이용된다.
한편 냉각재상실사고가 발생하는 경우에는 상기 고압계통 이외에도 가스 압력을 이용하는 안전주입탱크가 중압에서 붕산수를 주입하기 위해, 격납용기(원자로건물) 내 재장전수탱크(AP1000:미국 웨스팅하우스)가 중력에 의해 또는 저압안전주입펌프(국내 상용로)가 펌프에 의해 저압에서 붕산수를 주입하기 위해 함께 사용되기도 한다.
기타 발명의 배경이 되는 기술은 하기의 선행기술문헌을 참조한다.
1. 등록특허공보 제10-0402705호(2003.10.30.)
2. 일본공개특허공보 특개평05-297168호(1993.11.12.)
본 발명의 일 목적은 원자로용기의 내부 공간 활용이 가능한 원자로에서 반응도를 억제하여 원자로의 노심을 정지시키기 위한 고농축 붕산수를 원자로용기 내부로 신속하게 주입할 수 있는 고농축 붕산 주입 설비를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 종래의 붕산탱크를 원자로용기 외부에 설치하고 상대적으로 저농축인 붕산수를 사용함에 따른 탱크 크기의 증가 문제 및 저농축 붕산수 사용에 따른 붕산 주입성능 저하 문제, 고압의 설계압력 및 대용량 설계에 따른 제작 비용증가 문제를 해결한 고농축 붕산 주입 설비 및 이를 구비하는 안전주입계통을 제안하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 고농축 붕산 주입 설비는, 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고 발생시 원자로용기로 주입될 붕산수를 수용하도록 형성되는 붕산탱크, 및 상기 원자로용기 외부에 설치된 안전주입설비로부터 상기 붕산탱크를 통과해 상기 원자로용기로 주입되는 냉각수의 유로를 제공하도록 적어도 하나의 안전주입설비와 상기 붕산탱크의 하부에 연결되는 안전주입배관을 포함하고, 상기 붕산탱크는, 상기 원자로용기와 열적 평형상태를 유지하여 상기 붕산수의 농축상태를 유지하도록 상기 원자로용기의 내부에 설치되고 상기 안전주입배관을 통해 탱크로 유입되는 냉각수에 선행하여 붕산수를 상기 원자로용기 내부로 먼저 주입하도록 상부의 적어도 일부가 개방되어 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 붕산탱크는 상기 원자로용기 내부의 가용 공간에 설치되도록 상기 원자로용기와 내부구조물 사이의 공간에 설치된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 붕산탱크는 상기 원자로용기의 내부에 설치되도록 환형으로 형성된다.
상기 붕산탱크는 서로 독립적인 설치 및 보수가 가능하도록 상기 환형의 적어도 일부가 분할되어 복수개로 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 고농축 붕산 주입 설비는, 원자로의 정상 운전시 상기 안전주입설비로부터 냉각수가 주입되는 것을 방지하도록 상기 안전주입배관에 설치되고, 상기 안전주입설비부터 형성된 유체의 흐름에 의해 개방되는 체크밸브를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 고농축 붕산 주입 설비는, 상기 붕산탱크로부터 상기 원자로용기로 주입되는 붕산수 또는 냉각수의 유로를 제공하도록 상기 붕산탱크의 상부에 설치되어 상기 원자로용기의 내부와 통하도록 형성되는 주입배관을 더 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 안전주입설비는 자연력에 의해 피동적으로 작동하는 피동안전주입설비 또는 외부에서 가해지는 에너지에 의해 작동되는 능동안전주입설비이다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 안전주입계통을 개시한다. 안전주입계통은, 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고 발생시 원자로용기의 수위 저하를 제한하도록 상기 원자로용기 외부에 설치되어 상기 원자로용기로 냉각수를 주입하는 안전주입설비, 및 상기 안전주입설비의 냉각수 주입에 선행하여 농축상태를 유지하는 붕산수를 상기 원자로용기로 주입하도록 형성되는 고농축 붕산 주입 설비를 포함하고, 상기 고농축 붕산 주입 설비는, 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고 발생시 상기 원자로용기로 주입될 붕산수를 수용하도록 형성되는 붕산탱크, 및 상기 안전주입설비로부터 상기 붕산탱크를 통과해 상기 원자로용기로 주입되는 냉각수의 유로를 제공하도록 적어도 하나의 안전주입설비와 상기 붕산탱크의 하부에 연결되는 안전주입배관을 포함하고, 상기 붕산탱크는, 상기 원자로용기와 열적 평형상태를 유지하여 상기 붕산수의 농축상태를 유지하도록 상기 원자로용기의 내부에 설치되고 상기 안전주입배관을 통해 탱크의 유입되는 냉각수에 선행하여 붕산수를 상기 원자로용기 내부로 먼저 주입하도록 상부의 적어도 일부가 개방되어 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 별도의 가열기 없이 붕산탱크 내에 저장된 붕산수의 붕산농도를 상온보다 크게 높은 상태로 유지할 수 있어, 소용량으로 설계할 수 있다.
또한 본 발명은, 고농축 붕산 주입설비를 원자로용기 내부에 설치하므로 원자로용기 외부에 설치하는 경우보다 낮은 설계압력으로 고농축 붕산 주입 설비를 설계할 수 있다.
또한 본 발명은, 고농축 붕산 주입 설비를 제외한 다른 안전주입설비의 작동에 선행하여 고농축 붕산수가 먼저 주입될 수 있고, 동일한 유량을 주입하는 경우에도 붕산 농도가 높으므로 주입되는 붕산의 양을 크게 증가시킬 수 있다.
또한 본 발명은, 고농축 붕산 주입 설비에 안전계통의 작동신호에 의해 개방되는 격리밸브나 이를 위한 배관계통을 별도로 구비하지 않고도, 기타 안전주입설비의 작동에 선행하여 붕산수를 주입하도록 설계됨에 따라 계통의 구성과 작동을 단순화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 고농축 붕산 주입 설비 및 이를 구비하는 원자로를 나타내는 개념도.
도 2는 도 1에 도시된 원자로의 정상운전시 고농축 붕산 주입 설비의 계통배열을 나타내는 개념도.
도 3은 도 1에 도시된 원자로의 사고 발생시 노심보충탱크의 작동에 의한 고농축 붕산 주입 설비의 붕산수 주입 개시를 나타내는 개념도.
도 4는 도 3에 이어 노심보충탱크의 작동에 의한 고농축 붕산 주입 설비의 붕산수 주입 지속 상태를 나타내는 개념도.
도 5는 도 4에 이어 고농축 붕산 주입 설비의 붕산수 주입 종료와 노심보충탱크에서 공급된 냉각수의 안전주입 상태를 나타내는 개념도.
도 6은 냉각재상실사고시 도 5에 이어 노심보충탱크의 작동이 종료되고 안전주입탱크에서 공급된 냉각수의 안전주입 상태를 나타내는 개념도.
도 7은 도 1에 도시된 붕산탱크 및 안전주입배관의 평면도.
도 8은 붕산탱크의 변형례를 나타내는 평면도.
도 9는 붕산탱크의 또 다른 변형례를 나타내는 평면도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 관련된 고농축 붕산 주입 설비 및 이를 구비하는 원자로를 나타내는 개념도.
이하, 본 발명에 관련된 고농축 붕산 주입 설비 및 이를 구비하는 안전주입계통에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 고농축 붕산 주입 설비(100) 및 이를 구비하는 원자로(10)를 나타내는 개념도이다.
고농축 붕산 주입 설비(100)는 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고와 같이 원자로용기(11)의 압력 또는 수위를 저하시키는 사고의 발생시, 안전주입설비(15)에 저장된 냉각수 주입에 선행하여 붕산탱크(110)에 저장된 고농축 붕산수를 먼저 주입하도록 이루어진다. 붕산수와 냉각수는 동일한 안전주입수일 수 있으며, 다만 붕산수는 적어도 원자로용기(11)로 주입되기 전까지 냉각수에 비하여 상대적으로 고농축된 상태로 유지된다. 고농축 붕산 주입 설비(100)는 원자로용기(11) 내부에 설치되는 붕산탱크(110) 및 원자로용기(11) 외부의 안전주입설비(15)와 원자로용기(11)를 연결하는 안전주입배관(120)을 포함한다.
붕산탱크(110)는 원자로(10)에서 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고 발생시 원자로용기(11)로 주입될 붕산수를 수용하도록 형성된다. 붕산탱크(110)는 붕산수의 농축상태를 유지하도록 원자로용기(11) 내부에 설치된다.
붕산탱크(110)에 저장된 붕산수는 노심(12)의 핵분열 반응도를 억제하기 위해 사용되는 것으로, 상대적으로 저온인 상온에서보다 상대적으로 고온인 원자로의 정상운전 온도에서는 냉각수에 용해될 수 있는 붕산의 농도가 약 5배 내외까지 크게 증가하는 특성이 있다.
따라서 붕산탱크(110)는 노심(12)에서 발생하는 열을 전달받도록 원자로용기(11) 내부에 설치되면 원자로용기(11)와 열적 평형상태를 유지할 수 있다. 이에 따라 붕산탱크(110) 내부에 저장된 붕산수는 고농축 상태를 유지할 수 있다.
도시한 바와 같은 일체형원자로(10)는 원자로용기(11) 내부 공간이 상대적으로 크기 때문에 여러 용도로 활용할 수 있는 내부 공간을 가지고 있다. 붕산탱크(110)는 원자로용기(11) 내부의 가용 공간인 원자로용기(11)와 내부구조물 사이의 공간에 설치된다. 이를테면, 붕산탱크(110)는 원자로용기(11)와 내부구조물 사이의 펌프 토출부인 증기발생기(13) 상부의 환형 공간에 설치될 수 있다. 또한, 증기발생기(13)의 측면 공간에 설치될 수 있다. 도 1에는 붕산탱크(110)가 증기발생기(13) 상부의 환형 공간에 설치된 것을 도시하였다.
그러나, 본 발명은 원자로 내부 공간의 활용이 가능한 다른 원자로에서도 활용 가능하므로 그 목적을 일체형원자로에 한정하지는 않는다.
안전주입배관(120)은, 원자로용기(11) 외부에 설치된 안전주입설비(15)로부터 붕산탱크(110)를 통과해 원자로용기(11)로 주입되는 냉각수의 유로를 제공하도록 적어도 하나의 안전주입설비(15)와 붕산탱크(110)의 하부에 연결된다.
안전주입배관(120)이 붕산탱크(110)의 하부에 연결되는 방법은 여러 가지가 있을 수 있다. 붕산탱크(110)의 하부와 원자로용기(11) 사이에 연결배관(미도시)이 별도로 설치되고, 안전주입배관(120)은 플랜지를 통해 연결배관과 연결될 수 있다. 또 다른 방법으로는 안전주입배관(120)이 원자로용기(11)를 관통하여 붕산탱크(110)에 직접 연결될 수도 있다.
원자로(10)에서 사고 발생시 원자로용기(11) 외부에 설치된 안전주입설비(15)로부터 원자로용기(11)의 내부로 냉각수가 주입된다. 안전주입설비(15)는 원자로용기(11) 내부의 냉각수 수위 저하를 제한하기 위한 것으로, 사고 발생시 안전주입설비(15)로부터 원자로용기(11) 내부로 냉각수가 주입되면 원자로용기(11)의 수위를 일정 수준 이상으로 유지할 수 있게 된다.
안전주입설비(15)는 압력차 또는 중력수두와 같은 자연력에 의해 피동적으로 작동하는 피동안전주입설비일 수 있고, 외부에서 가해지는 에너지에 의해 작동되는 능동안전주입설비일 수도 있다. 도시된 안전주입설비(15)는, 피동형 원자로 AP1000(미국 웨스팅하우스)의 노심보충탱크(15a)와 압력평형식 또는 상용 원자로의 가압식 안전주입탱크(15b)를 포함하는 피동안전주입설비이다.
안전주입배관(120)에는 체크밸브(15a', 15b') 또는 격리밸브(15a")가 설치된다. 안전주입설비(15) 중 노심보충탱크(15a)와 연결된 안전주입배관(120)에는 체크밸브(15a')와 격리밸브(15a")가 모두 설치되고, 안전주입탱크(15b)와 연결된 안전주입배관(120)에는 체크밸브(15b')가 설치된다. 체크밸브(15a', 15b')는 원자로의 정상 운전시 노심보충탱크(15a) 또는 안전주입탱크(15b)와 같은 안전주입설비(15)로부터 냉각수가 주입되는 것을 방지하며, 사고 발생시에만 냉각수를 안전주입설비(15)로부터 붕산탱크(110)를 통해 원자로용기(11)로 주입시키도록 유체의 흐름에 의해 개방된다.
노심보충탱크(15a) 또는 안전주입탱크(15b)로부터 원자로용기(11) 쪽으로 냉각수의 흐름이 형성되면, 냉각수는 안전주입배관(120)을 통해 붕산탱크(110)의 하부로 유입된다. 붕산탱크(110)는 안전주입배관(120)을 통해 붕산탱크(110)의 하부로 유입되는 냉각수에 선행하여, 유입된 냉각수에 의해 밀려 올라가는 붕산수를 원자로용기(11) 내부로 먼저 주입하도록 상부의 적어도 일부가 개방되어 있다.
이에 따라, 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고와 같은 사고 발생시 안전주입설비(15)로부터 붕산탱크(110)로 냉각수가 유입되면, 붕산탱크(110) 내부의 붕산수는 냉각수보다 먼저 원자로용기(11)로 주입된다. 안전주입설비(15)로부터 붕산탱크(110)로 유입된 냉각수는 붕산탱크(110)의 고농축 붕산수가 원자로용기(11)로 주입된 이후에 비로소 원자로용기(11)로 주입된다.
붕산탱크(110)에 저장된 고농축 붕산수가 안전주입설비(15)로부터 공급된 냉각수에 선행하여 원자로용기(11)로 주입되므로, 특히 사고 발생 초반에 원자로용기(11)로 주입되는 붕산수의 주입 성능이 향상된다. 이는 동일한 유량의 붕산수를 주입하는 경우에도 붕산탱크(110)가 원자로용기(11) 외부에 설치되는 경우보다 붕산 농도가 높으므로 원자로용기(11)로 주입되는 붕산의 양이 크게 증가하기 때문이다. 또한, 안전주입설비(15)로부터 공급된 냉각수에 선행하여 고농축 붕산수를 주입할 수 있으므로, 노심(12)의 반응도를 조기에 낮출 수 있다.
주입배관(130)은 붕산탱크(110)로부터 원자로용기(11)로 주입되는 붕산수 또는 냉각수의 유로를 제공하도록 붕산탱크(110)의 상부에 설치되어 원자로용기(11)의 내부와 통하도록 형성된다. 붕산탱크(110)는 주입배관(130)을 통해 원자로용기(11) 내부와 소통한다.
붕산탱크(110)는 개방되어 있으므로 원자로의 정상운전시 원자로용기(11) 내부에 채워진 냉각수와 붕산탱크(110) 내부의 붕산수가 소통할 가능성이 전혀 없는 것은 아니다. 그러나, 붕산탱크(110)의 하부는 안전주입설비(15)로부터 냉각수가 주입되기 전까지는 격리되어 있고, 붕산탱크(110)는 원자로용기(11)와 열적 평형상태를 유지하므로 붕산탱크(110) 내부의 붕산수와 원자로용기(11) 내부에 채워진 냉각수가 원활히 소통하지는 않는다.
붕산탱크(110) 내부의 붕산수는 수위 상승에 의해 주입배관(130)을 통과하여 원자로용기(11)로 주입되므로, 주입배관(130)이 붕산탱크(110)의 상부에 설치되면 열성층화 현상에 의해 붕산탱크(110)의 고온 붕산수가 안전주입설비(15)로부터 주입되는 저온 냉각수에 선행하여 원자로용기(11)로 주입될 수 있다. 한편, 주입배관(130)이 붕산탱크(110)에 설치되면 붕산탱크(110) 내부의 붕산수와 원자로용기(11)의 내부에 채워진 냉각수의 소통 기회를 낮출 수 있다. 이에 따라, 붕산탱크(110)의 내부에 저장된 붕산수는 고농축 상태로 유지될 수 있다.
고농축 붕산 주입 설비(100)는 원자로(10)의 정상 운전시 붕산탱크(110) 내부의 붕산수 제어를 위한 부수계통(미도시)을 더 포함할 수 있다. 그러나 고농축 붕산 주입 설비(100)는 안전주입설비(15)의 작동과 연동되어 작동하므로, 안전계통의 작동신호에 의해 작동되는 격리밸브 등 사고시 붕산탱크(110)를 작동시키기 위한 별도의 구동기기가 설치되지는 않는다.
붕산탱크(110)는 원자로용기(11) 내부에 설치되므로, 붕산탱크(110)의 설계압력은 원자로용기(11) 내부에서 발생하는 압력차를 견딜 수 있도록 설계될 수 있다. 이에 따라, 붕산탱크(110)가 원자로용기(11) 외부에 설치될 경우에 발생하는 압력차(대기압-운전압력)보다 설계압력이 크게 감소한다.
도 2는 도 1에 도시된 원자로의 정상운전시 고농축 붕산 주입 설비(100)의 계통배열을 나타내는 개념도이다.
원자로(10)의 정상 운전시 냉각수는 원자로냉각재계통의 작동에 의해 원자로용기(11) 내부에서 순환하고, 원자로용기(110)의 수위는 안전주입수의 추가적인 주입 없이도 화학 및 체적제어계통(미도시) 등의 정상운전을 위한 계통에 의해 유지된다. 따라서 안전주입배관(120)에 설치된 체크밸브(15a', 15b') 및 격리밸브(15a")는 모두 폐쇄된 상태로 유지되고, 원자로(10)의 정상 운전시 고농축 붕산 주입 설비(100)는 작동하지 않는다.
또한, 원자로(10)의 정상 운전시 원자로용기(11)의 압력에 의해 체크밸브(15a', 15b')는 닫힌 상태로 유지되므로 원자로용기(11)가 외부에 비해 상대적으로 고압이더라도 원자로용기(11)로부터 안전주입설비(15)로 냉각수가 역류되는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 원자로의 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고 발생시 고농축 붕산 주입 설비(100)의 작동을 설명한다.
도 3은 도 1에 도시된 원자로의 사고 발생시 노심보충탱크(15a)의 작동에 의한 고농축 붕산 주입 설비(100)의 붕산수 주입 개시를 나타내는 개념도이다.
노심보충탱크(15a)와 연결된 안전주입배관(120)에 설치된 격리밸브(15a")가 관련신호에 의해 개방되고, 노심보충탱크(15a)로부터 형성된 냉각수의 유동에 의해 체브밸브(15a')도 개방된다. 노심보충탱크(15a)로부터 붕산탱크(110)의 하부로 저온의 냉각수가 유입됨에 따라 붕산탱크(110) 내부의 고온 고농축 붕산수의 수위는 점점 올라가고 붕산수는 붕산탱크(110) 상부의 주입배관(130)을 통해 원자로용기(11) 내부로 주입되기 시작한다.
도 4는 도 3에 이어 노심보충탱크(15a)의 작동에 의한 고농축 붕산 주입 설비(100)의 붕산수 주입 지속 상태를 나타내는 개념도이다.
냉각재상실사고가 진행됨에 따라 파단부로 냉각재가 방출되거나 또는 비냉각재상실사고 이후의 냉각에 의해 냉각재 밀도가 증가하면서, 원자로용기(11) 내부의 냉각수 수위는 계속적으로 저하된다.
노심보충탱크(15a)로부터 붕산탱크(110)로 냉각수가 지속적으로 유입되고, 붕산탱크(110) 내부에서 냉각수의 수위도 점점 올라간다. 이에 따라 붕산탱크(110)로부터 고농축 붕산수가 원자로용기(11)로 지속적으로 주입된다.
도 5는 도 4에 이어 고농축 붕산 주입 설비(100)의 붕산수 주입 종료와 노심보충탱크(15a)에서 공급된 냉각수의 안전주입 상태를 나타내는 개념도이다.
노심보충탱크(15a)로부터 냉각수가 지속적으로 유입되면서 붕산탱크(110) 내부에 저장되어 있던 붕산수는 모두 원자로용기(11)로 주입이 완료된다. 붕산탱크(110)의 크기는 원자로(10)의 사고 특성에 따라 필요한 붕산의 양에 근거하여 설계될 수 있고, 이에 따라 사고 초반에 필요한 고농축 붕산수의 양만큼 원자로용기(11)로 주입될 수 있다. 이어서 노심보충탱크(15a)에서 유입된 냉각수가 원자로용기(11)로 주입된다.
붕산수와 냉각수는 모두 붕산탱크(110)로부터 원자로용기(11)로 주입되고, 붕산수의 주입은 냉각수에 의해 밀려 올려가면서 지속되므로 붕산수와 냉각수의 주입은 연속적이다.
배관 파단이 발생하지 않는 비냉각재상실사고의 경우 점진적으로 잔열제거계통의 냉각률이 감소하면서 정상상태와 유사한 안정 상태에 도달한다.
도 6은 냉각재상실사고시 도 5에 이어 노심보충탱크(15a)의 작동이 종료되고 안전주입탱크(15b)에서 공급된 냉각수의 안전주입 상태를 나타내는 개념도이다.
노심보충탱크(15a) 내부에 저장되어 있던 냉각수는 모두 고갈되어 노심보충탱크(15a)의 작동은 종료되었으나, 노심보충탱크(15a)로부터 붕산탱크(110)로 유입된 냉각수의 적어도 일부는 여전히 붕산탱크(110)에 잔류한다. 잔류하는 냉각수는 안전주입탱크(15b)에서 공급된 냉각수에 의해 붕산탱크(110) 내부에서 밀려 올라가 원자로용기(11)로 주입된다.
냉각재상실사고의 경우 노심보충탱크(15a)로부터의 안전주입이 종료되고 안전주입탱크(15b)로부터 냉각수가 지속적으로 공급된다. 노심보충탱크(15a)로부터 붕산탱크(110)로 공급된 냉각수와 안전주입탱크(15b)로부터 붕산탱크(110)로 공급된 냉각수의 주입 또한 연속적이다.
고농축 붕산 주입 설비(100)는 붕산탱크(110)에 저장된 고농축 붕산수를 사고 초반에 원자로용기(11)로 주입하고 이어서 안전주입설비(15)로부터 공급된 냉각수를 주입하므로, 노심(12)의 반응도를 조기에 낮출 수 있고 원자로용기(11) 내부의 냉각수 수위를 일정 수준 이상으로 유지하여 원자로(10)의 안전성을 확보할 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 붕산탱크(110) 및 안전주입배관(120)의 평면도이다.
일체형원자로에서 원자로용기(11) 내부에는 가용 공간이 존재하고, 붕산탱크(110)는 원자로용기 내부의 가용 공간에 설치되도록 환형으로 형성될 수 있다.
안전주입배관(120)은 여러 안전주입설비(15, 도 1 참조)와 연결되도록 복수개가 배치될 수 있고, 주입배관(130)도 붕산탱크(110)로부터의 붕산수 및 냉각수 주입을 원활하게 하도록 복수개가 설치될 수 있다.
도 8은 붕산탱크(210)의 변형례를 나타내는 평면도이다.
붕산탱크(210)는 서로 독립적인 설치 및 보수가 가능하도록 환형의 적어도 일부가 분할되어 복수개로 형성될 수 있다. 이에 따라 어느 하나의 붕산탱크(210)에 보수가 필요한 경우 다른 붕산탱크(210)와 독립적으로 보수작업을 할 수 있고, 환형의 가용 공간 중 일부에 다른 설비가 설치될 필요가 있는 경우에는 복수의 붕산탱크(210) 중 일부를 분리하여 다른 설비에 가용 공간을 제공할 수도 있다.
도 9는 붕산탱크(310)의 또 다른 변형례를 나타내는 평면도이다.
붕산탱크(310)의 형상은 원자로용기 내부의 가용 공간에 따라 달라질 수 있다. 붕산탱크(310)는 도시한 바와 같이 원통형으로 형성될 수도 있다. 그리고 어느 하나의 붕산탱크(310)와 다른 붕산탱크(310) 사이에 형성된 공간에 추가적인 장치를 설치할 수도 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 관련된 고농축 붕산 주입 설비(400) 및 이를 구비하는 원자로(40)를 나타내는 개념도이다.
안전주입설비(45)는 피동안전주입설비는 물론 외부에서 가해지는 에너지에 의해 작동하는 능동안전주입설비를 포함할 수 있다. 능동안전주입설비의 예로는 도시한 바와 같이 안전주입펌프(47)에 의해 작동하는 안전주입설비일 수 있다.
본 발명에서 제시하는 고농축 붕산 주입 설비는 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고와 같은 사고 발생 초반에 원자로용기로 고농축 붕산수를 신속하게 주입할 수 있어 원자로의 안전성 향상에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명에서 제시하는 고농축 붕산 주입 설비는 피동안전주입설비의 하나로 피동잔열제거계통 등의 피동안전계통과 함께 피동형으로 안전계통을 구성하기 용이하다. 피동안전계통은 비상디젤발전기와 같은 교류(AC) 전원이 필요 없는 설비로 구성되어 장시간 운전원조치가 필요 없으며, 이에 따라 계통의 신뢰성이 향상되어 원자로의 안전성 향상에 기여할 수 있다.
또한, 붕산탱크는 상대적으로 소형/저압(차압이 작아 두께가 얇은 저압설비)으로 설계와 제작할 수 있다. 고농축 붕산 주입 설비는 노심보충탱크와 같은 고압탱크의 크기를 줄일 수 있으며, 노심보충탱크와 같은 고압탱크의 크기를 줄일 수 있어 경제성이 향상된다.
이상에서 설명된 고농축 안전 주입 설비 및 이를 구비하는 안전주입계통은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
10 : 원자로 100 : 고농축 붕산 주입 설비
110 : 붕산탱크 120 : 안전주입배관
130 : 주입배관

Claims (8)

  1. 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고 발생시 원자로용기로 주입될 붕산수를 수용하도록 형성되는 붕산탱크; 및
    상기 원자로용기 외부에 설치된 안전주입설비로부터 상기 붕산탱크를 통과해 상기 원자로용기로 주입되는 냉각수의 유로를 제공하도록 적어도 하나의 안전주입설비와 상기 붕산탱크의 하부에 연결되는 안전주입배관을 포함하고,
    상기 붕산탱크는,
    상기 원자로용기와 열적 평형상태를 유지하여 상기 붕산수의 농축상태를 유지하도록 상기 원자로용기의 내부에 설치되고, 상기 안전주입배관을 통해 탱크로 유입되는 냉각수에 선행하여 붕산수를 상기 원자로용기 내부로 먼저 주입하도록 상부의 적어도 일부가 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 고농축 붕산 주입 설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 붕산탱크는 상기 원자로용기 내부의 가용 공간에 설치되도록 상기 원자로용기와 내부구조물 사이의 공간에 설치되는 것을 특징으로 하는 고농축 붕산 주입 설비.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 붕산탱크는 상기 원자로용기의 내부에 설치되도록 환형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고농축 붕산 주입 설비.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 붕산탱크는 서로 독립적인 설치 및 보수가 가능하도록 상기 환형의 적어도 일부가 분할되어 복수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 고농축 붕산 주입 설비.
  5. 제1항에 있어서,
    원자로의 정상 운전시 상기 안전주입설비로부터 냉각수가 주입되는 것을 방지하도록 상기 안전주입배관에 설치되고, 상기 안전주입설비부터 형성된 유체의 흐름에 의해 개방되는 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고농축 붕산 주입 설비.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 붕산탱크로부터 상기 원자로용기로 주입되는 붕산수 또는 냉각수의 유로를 제공하도록 상기 붕산탱크의 상부에 설치되어 상기 원자로용기의 내부와 통하도록 형성되는 주입배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고농축 붕산 주입 설비.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 안전주입설비는 자연력에 의해 피동적으로 작동하는 피동안전주입설비 또는 외부에서 가해지는 에너지에 의해 작동되는 능동안전주입설비인 것을 특징으로 하는 고농축 붕산 주입 설비.
  8. 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고 발생시 원자로용기의 수위 저하를 제한하도록 상기 원자로용기 외부에 설치되어 상기 원자로용기로 냉각수를 주입하는 안전주입설비; 및
    상기 안전주입설비의 냉각수 주입에 선행하여 농축상태를 유지하는 붕산수를 상기 원자로용기로 주입하도록 형성되는 고농축 붕산 주입 설비를 포함하고,
    상기 고농축 붕산 주입 설비는,
    냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고 발생시 상기 원자로용기로 주입될 붕산수를 수용하도록 형성되는 붕산탱크; 및
    상기 안전주입설비로부터 상기 붕산탱크를 통과해 상기 원자로용기로 주입되는 냉각수의 유로를 제공하도록 적어도 하나의 안전주입설비와 상기 붕산탱크의 하부에 연결되는 안전주입배관을 포함하고,
    상기 붕산탱크는,
    상기 원자로용기와 열적 평형상태를 유지하여 상기 붕산수의 농축상태를 유지하도록 상기 원자로용기의 내부에 설치되고, 상기 안전주입배관을 통해 탱크의 유입되는 냉각수에 선행하여 붕산수를 상기 원자로용기 내부로 먼저 주입하도록 상부의 적어도 일부가 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 안전주입계통.
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