KR101999737B1

KR101999737B1 - 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전

Info

Publication number: KR101999737B1
Application number: KR1020170150719A
Authority: KR
Inventors: 강경준; 전지한; 강한옥
Original assignee: 한국원자력연구원; 킹 압둘라 시티 포 어토믹 앤드 리뉴어블 에너지
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2019-07-12
Anticipated expiration: 2037-11-13
Also published as: US20200273589A1; SA520411841B1; WO2019093693A1; KR20190054460A; US11551823B2

Abstract

본 발명은 방사성 물질 저감 설비에 관한 것으로, 격납부와, 상기 격납부의 내부에 구비되어, 상기 격납부의 내부공간을 원자로냉각재계통을 수용하는 제1공간과 제1공간과 격납부 사이에 형성되는 제2공간을 구획하고, 사고 시 상기 제1공간 내의 상기 원자로냉각재계통 또는 상기 원자로냉각재계통과 연결된 배관으로부터 방출되는 방사성 물질이 상기 제2공간으로 직접 방출되지 않도록 상기 원자로냉각재계통을 둘러싸는 경계부와, 상기 제1공간과 상기 제2공간 사이에 설치되고 재장전수를 수용하도록 형성되는 격납부내 재장전수저장부(IRWST) 및 상기 경계부 내 제1공간에 형성되는 증기 및 방사성 물질의 유동을 상기 격납부내 재장전수저장부의 내부로 유도하도록 형성된 제1방출 배관을 포함한다.
상세하게, 본 발명의 방사성 물질 저감 설비는 상기 격납부내 재장전수저장부는 서로 분리된 복수개의 수조를 구비하고, 상기 복수개의 수조는 적어도 제1수조 및 제2수조를 포함하고, 사고 시 상기 증기 및 방사성 물질은 상기 제1수조를 거쳐 상기 제2수조로 방출되는 것을 특징으로 한다.

Description

방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전 {RADIOACTIVE MATERIAL REDUCTION FACILITY AND NUCLEAR POWER PLANT HAVING THE SAME}

본 발명은 원전의 안전성을 확보하기 위한 안전계통에 관한 것으로, 특히 원전 사고 발생시 피동적인 원리에 의하여 격납부 내부의 압력과 방사성 물질의 농도를 낮출 수 있는 설비에 관한 것이다.

원자로는 주요기기의 설치위치에 따라 주요기기(증기발생기, 가압기, 펌프등)가 원자로용기 외부에 설치되는 분리형원자로(예, 상용 원자로: 국내)와 주요기기가 원자로용기 내부에 설치되는 일체형원자로(예, SMART 원자로: 국내)로 나뉜다.

또한, 원자로는 안전계통의 구현 방식에 따라 능동형원자로와 피동형원자로로 나뉜다. 능동형원자로는 안전계통을 구동하기 위해 비상발전기 등의 전력에 의해 작동하는 펌프와 같은 능동 기기를 사용하는 원자로이며, 피동형원자로는 안전계통을 구동하기 위해 중력 또는 가스압력 등의 피동력에 의해 작동하는 피동 기기를 사용하는 원자로이다. 피동형원자로에서 피동안전계통(passive safety system)은 사고가 발생하는 경우 규제요건에서 요구하는 시간 (72시간) 이상 동안 운전원 조치나 비상 디젤 발전기와 같은 안전등급의 교류(AC) 전원이 없이 계통에 내장되어 있는 자연력만으로도 원자로를 안전하게 유지하고, 72시간 이후는 안전계통이 운전원 조치나 비안전계통의 도움을 받아도 되는 계통이다.

원자로로부터 외부 환경으로의 방사성 물질의 누출을 방지하는 최종방벽 역할을 하는 격납부(격납건물, 원자로건물, 격납용기 또는 안전보호용기 등)는 압력 경계를 구성하는 재료에 따라 강화콘크리트로 형성되는 격납건물(또는 원자로건물이라 함)과 철재용기로 형성되는 격납용기와 안전보호용기로 나뉜다. 격납용기는 격납건물과 같이 저압으로 설계되는 대형용기이며, 안전보호용기는 설계압력을 증가시켜 소형으로 설계되는 소형용기이다. 특별한 언급이 없는 경우 본 발명에서 격납건물, 원자로건물, 격납용기 또는 안전보호용기 등을 통칭하여 격납부라 지칭한다.

격납부 내부의 압력 및 온도 그리고 방사성 물질의 농도를 낮추는 방식으로는 격납부살수계통, 격납부냉각계통, 감압탱크 또는 감압수조 등의 다양한 형태로 능동 및 피동계통이 이용되고 있다. 이하에서 이들 설비를 차례로 설명한다.

능동격납부살수계통(국내 상용 원자로, SMART 원자로 등) 방식은 사고 시 펌프를 이용하여 대량의 냉각수를 살수하고 냉각수를 격납부내재장전수탱크 또는 수조(sump) 등으로 회수하고 이를 재살수하여 장기간 격납부의 압력, 온도 및 방사성물질의 농도를 낮추는 기능을 수행한다. 능동격납부살수계통은 장기간 살수 기능을 수행할 수 있으나 반드시 펌프 구동을 위한 전력계통이 사용 가능해야 하는 특성이 있다.

피동격납부살수계통(캐나다 CANDU 등) 방식은 격납부의 상부에 냉각수 저장 탱크를 구비하고 사고 시 대량의 냉각수를 살수하여 격납부 내부의 압력, 온도 및 방사성 물질의 농도를 낮추는 기능을 수행한다. 피동격납부살수계통은 냉각수 저장 용량의 한계가 있으므로 일정 시간 이상은 가동할 수 없는 특성이 있다. 따라서, 피동격납부살수계통을 장기간 이용하려면 펌프를 이용하여 냉각수 저장탱크를 주기적으로 보충해 주어야 한다. 피동격납부살수계통도 장기간 운전을 위해서는 펌프와 펌프의 구동을 위한 전력 계통을 사용할 수 있어야 함을 의미한다.

감압탱크(suppression tank, 상용 BWR, CAREM: 아르헨티나, IRIS: 미국 웨스팅하우스 사 등) 방식은 격납부 내부로 방출된 증기를 격납부와 감압탱크 내부의 압력차를 이용하여 감압탱크로 유도하고, 증기를 응축시켜 격납부 내부의 압력, 온도 및 방사성 물질의 농도를 낮추는 기능을 수행한다. 감압탱크 방식은 격납부 내부의 압력이 감압탱크 내부의 압력보다 높을 때까지만 작동하는 특성이 있다.

피동격납부냉각계통 방식은 격납부 내부 또는 외부에 열교환기 및 냉각수탱크를 설치하고 열교환기를 이용하여 격납부 내부의 증기를 응축시켜 격납부 내부의 압력, 온도 및 방사성 물질의 농도를 낮추는 기능을 수행한다. 피동격납부냉각계통 방식은 격납부 내부의 자연 순환을 이용하므로 능동 살수계통에 비해 상대적으로 압력, 온도 및 방사성 물질의 저감 능력이 감소하는 특성이 있다.

이밖에 피동격납부냉각계통 방식의 일환으로 철재격납용기를 적용하고 외벽을 냉각(스프레이, 공기)시키고 격납용기 내부의 증기를 격납용기 내벽에서 응축시켜 격납용기 내부의 압력, 온도 및 방사성 물질의 농도를 낮추는 기능을 수행하도록 구성한 방식 (AP1000: 미국 웨스팅하우스 사) 등이 있다. 이 방식은 피동격납부 냉각계통 방식과 동일하게 격납부 내부의 자연 순환을 이용하므로 능동 살수계통에 비해 상대적으로 압력, 온도 및 방사성 물질의 저감 능력이 감소하는 특성이 있다.

특히, 냉각수 저장방식으로는 재장전수탱크를 격납용기내에 설치하여 격납부내 재장전수저장부(In-containment Refueling Water Storage Tank, IRWST)의 재장전수를 냉각수 공급원으로 이용할 수 있다. 격납부내 재장전수저장부(IRWST)는 재장전수의 저장, 안전주입과 격납용기살수계통의 냉각수원 제공 및 가압기로부터 방출되는 증기의 응축을 위한 열침원(heat sink) 제공의 역할을 수행할 수 있다.

상세하게, 격납부내 재장전수저장부(IRWST)의 고유한 기능으로 핵연료재장전시에 재장전수탱크에 필요한 냉각수를 공급할 수 있다. 또한, 격납부내 재장전수저장부(IRWST)는 원전 사고 시 방출되는 방출물을 수용할 수 있으므로 격납부 내부의 오염을 방지할 수 있도록 할 수도 있다.

이상에서 설명한 계통의 대부분은 격납부 내부의 압력 및 온도를 낮추는 성능은 매우 우수하다. 그러나 이상에서 설명한 계통은 원전 사고 시 외부환경으로의 확산될 수 있는 방사성 물질인 아이오딘(Iodine)을 저감하는 것에는 한계가 있다.

원전 사고 시 발생하는 아이오딘은 물과 접촉하는 경우 대부분 용해(용해도 0.029g/100g(20℃))될 수 있다. 이에 따라 이들 격납부 관련 안전계통 중에 격납부 내부의 방사성 물질 농도를 낮추는 성능이 가장 우수한 것은 능동 펌프를 이용하여 대량의 냉각수를 살수하고 냉각수를 장기간 재순환시키는 방식의 능동격납부살수계통(국내 상용 원자로 채용 방식)이다. 그러나 능동 안전계통은 원전 사고 시 펌프 등의 능동 기기를 가동시키기 위한 비상 교류전력이 반드시 공급되어야 하며, 비상 교류전력이 공급되지 않으면 능동 안전계통은 작동하지 않는 문제점이 있다.

이러한 관점에서 비상 교류전력의 공급없이 안전계통이 작용하는 피동 안전계통에 대한 요구가 증대되고 있다. 원전 사고 시 피동 안전계통을 원전에 적용하는 경우에는 능동 안전계통을 적용하는 경우보다 상대적으로 원전의 안전성을 크게 증가시킬 수 있다.

하지만, 피동 안전계통 방식을 격납부의 안전계통으로 채용하는 경우, 능동 안전계통 방식에 비해 격납부를 냉각하는 성능이 부족하므로 상대적으로 격납부 내부의 방사성 물질의 농도가 높을 수 있다. 따라서, 피동 안전계통 방식을 격납부의 안전계통으로 채용하는 경우, 원전에는 원전 사고를 가정하여 사고 시 일반 대중의 안전을 위해 일반인의 거주를 제한하는 제한구역경계거리(Exclusion Area boundary, EAB) 또는 저인구지대(Low Population Zone, LPZ)를 설정한다.

특히, 제한구역경계거리(EAB)의 설정에 있어서, 능동 안전계통의 비해 더 넓은 제한구역경계거리(EAB)를 설정하는 것이 일반적이다. 제한구역경계거리(EAB)의 확대는 결과적으로 원전의 건설비용을 크게 증가시키는 문제점을 야기할 수 있다.

이에 본 발명에서는 원전 사고 시 원전 내부의 압력 및 방사성 물질의 농도가 높아지는 것을 대비하여 격납부내 재장전수저장부(IRWST)에서 방사성 물질을 효과적으로 포집하고, 열침원으로 효과적으로 활용되는 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전에 대하여 제시한다.

본 발명의 일 목적은 원전에서 원자로 냉각재가 누출되는 사고 시 방출되는 방사성 물질의 농도를 낮출 수 있는 원전의 안전성 향상에 기여하는 방사성 물질 저감 설비를 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은 원전에서 원자로 냉각재가 누출되는 사고 시 사고 진행 과정에 따른 방사성 물질을 포함하는 증기의 응축을 위한 열침원을 제공하는 방사성 물질 저감 설비를 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은 본 발명의 다른 일 목적은 원전의 제한구역경계거리의 확대문제를 해소할 수 있는 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전을 제안하기 위한 것이다.

본 발명은 방사성 물질 저감 설비에 관한 것으로, 격납부와, 상기 격납부의 내부에 구비되어, 상기 격납부의 내부공간을 원자로냉각재계통을 수용하는 제1공간과 제1공간과 격납부 사이에 형성되는 제2공간을 구획하고, 사고 시 상기 제1공간 내의 상기 원자로냉각재계통 또는 상기 원자로냉각재계통과 연결된 배관으로부터 방출되는 방사성 물질이 상기 제2공간으로 직접 방출되지 않도록 상기 원자로냉각재계통을 둘러싸는 경계부와, 상기 제1공간과 상기 제2공간 사이에 설치되고 재장전수를 수용하도록 형성되는 격납부내 재장전수저장부(IRWST) 및 상기 경계부 내 제1공간에 형성되는 증기 및 방사성 물질의 유동을 상기 격납부내 재장전수저장부의 내부로 유도하도록 형성된 제1방출 배관을 포함한다.

상세하게, 본 발명의 방사성 물질 저감 설비는 상기 격납부내 재장전수저장부는 서로 분리된 복수개의 수조를 구비하고, 상기 복수개의 수조는 적어도 제1수조 및 제2수조를 포함하고, 사고 시 상기 증기 및 방사성 물질은 상기 제1수조를 거쳐 상기 제2수조로 방출되는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 경계부는 상기 원자로냉각재계통을 둘러싸도록 형성되는 격벽 및 상기 원자로냉각재계통의 상부를 덮도록 형성되는 덮개를 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 경계부에서 상기 덮개를 둘러싸도록 형성되는 재장전수조를 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 원자로냉각재계통의 상부 및 상기 덮개는 탈착되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 격벽과 상기 원자로냉각재계통 사이에 개폐가 가능하도록 형성된 밀봉 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 격납부내 재장전수저장부와 상기 원자로냉각재계통 사이에 재장전수가 유동되도록 형성된 연결배관을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 연결배관으로 주입은 펌프에 의한 구동력에 근거하여 재장전수를 공급하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 격납부내 재장전수저장부의 상부에 구비되어 상기 격납부내 재장전수저장부의 과압을 방지하고, 상기 제2공간으로 비응축성 가스 또는 증기를 방출하는 방출부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 제1수조는 상기 제2수조보다 용량이 크고, 상기 제2수조의 용량은 상기 제1수조의 용량의 1/20 내지 1/10인 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 제1수조와 상기 제2수조 사이에 증기 및 방사성 물질이 유동되도록 형성되는 제2방출 배관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 제2방출 배관은 상기 제1방출 배관에서 증기 및 방사성 물질이 방출되는 압력보다 낮은 압력에서 증기 및 방사성 물질이 방출하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 제1방출 배관에는 상기 제1공간에 형성되는 증기 및 방사성 물질이 상기 격납부내 재장전수저장부로 이동되도록 형성된 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 정상 운전 시 및 사고 시 상기 제2수조의 재장전수는 방사성 물질의 휘발을 방지하도록 기설정된 값 이상의 pH를 유지하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 사고 시 상기 제2수조의 재장전수는 상기 제1수조의 재장전수의 pH보다 높은 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 제2수조는 재장전수의 pH 값이 상기 기설정된 값 이상이 되도록 상기 제2 수조로 첨가제를 주입하는 첨가제주입설비를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 첨가제주입설비는 정상 운전 시에는 첨가제가 주입되지 않고 사고 시 첨가제가 주입되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 원전에 관한 것으로, 격납부와, 상기 격납부의 내부에 구비되어, 상기 격납부의 내부공간을 원자로냉각재계통을 수용하는 제1공간과 제1공간과 격납부 사이에 형성되는 제2공간을 구획하고, 사고 시 상기 제1공간 내의 상기 원자로냉각재계통 또는 상기 원자로냉각재계통과 연결된 배관으로부터 방출되는 방사성 물질이 상기 제2공간으로 직접 방출되지 않도록 상기 원자로냉각재계통을 둘러싸는 경계부와, 상기 제1공간과 상기 제2공간 사이에 설치되고 재장전수를 수용하도록 형성되는 격납부내 재장전수저장부(IRWST) 및 상기 경계부 내 제1공간에 형성되는 증기 및 방사성 물질의 유동을 상기 격납부내 재장전수저장부의 내부로 유도하도록 형성된 제1방출 배관을 포함한다.

상세하게, 본 발명의 원전은 상기 격납부내 재장전수저장부는 서로 분리된 복수개의 수조를 구비하고, 상기 복수개의 수조는 적어도 제1수조 및 제2수조를 포함하고, 사고 시 상기 증기 및 방사성 물질은 상기 제1수조를 거쳐 상기 제2수조로 방출되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 방사성 물질 저감 설비는 원자로 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 경우 제1공간의 대기(공기 및 증기)에 함유된 방사성 물질 및 증기를 격납부내 재장전수저장부(IRWST)의 재장전수에 분사하여 포집하고, 제2수조에서 방사성 물질을 응축하여 격납부 내부의 방사성 물질 농도를 저감시킬 수 있으므로 원전의 안전성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방사성 저감 설비는 원자로 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 경우 방사성 물질 및 증기가 서로 연결된 복수의 수조를 거쳐 열침원으로 효과적으로 작용하므로 격납부내 재장전수저장부(IRWST)의 방출부를 통하여 비응축성 가스, 증기 및 방사성 물질을 격납부의 내부로 방출하므로 제2공간의 압력이 급격하게 높아지는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방사성 저감 설비는 원자로 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 경우 방사성 물질을 효과적으로 포집하므로 제한구역경계거리의 확대 문제를 해소하여 원전의 안전성을 향상시킬 수 있으므로 원전건설 비용을 절감할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 재장전 운전을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 개념도이다.

격납부(12)는 방사성 물질의 누출을 방지하도록 원자로냉각재계통(11)의 외부에 설치된다. 본 발명에서 격납부(12)는 원전(10)에서 격납건물, 원자로건물, 격납용기, 안전보호용기 등을 통칭한다.

경계부(110)는 격납부(12)의 내부에 구비되어, 원자로냉각재계통(11)을 수용하는 제1공간(110a)과 제1공간(110a)과 격납부(12) 사이에 형성되는 제2공간(110b)을 구획한다. 또한, 경계부(110)는 제1공간(110a) 내에 설치된 연결된 배관(미도시)으로부터 제2공간(110b)으로 방사성 물질이 누출되는 것을 방지하도록 원자로냉각재계통(11)을 감싼다.

경계부(110) 내부 제1공간(110a)의 대기는 원전 정상운전 중에 제1공간(110a)에 존재하는 공기를 포함한다. 한편 증기관 파단사고나 냉각재상실사고와 같은 원전 사고 시에는 방출되는 증기나 방사성 물질을 포함할 수 있다.

경계부(110)는 제1공간(110a) 내에 설치된 연결된 배관(미도시) 이외의 경로로 방사성 물질이 누출되는 것을 방지하도록 원자로냉각재계통(11) 주변을 감싸 밀봉구조를 형성한다. 따라서, 사고 시 폐쇄되어 밀봉구조를 유지할 수 있다. 경계부(110)는 사고 시 기화된 냉각재의 증기의 압력을 견딜 수 있는 설계압력으로 형성된다. 경계부(110)의 적어도 일부는 격납부(12) 내부의 콘크리트 구조물과 상기 콘크리트 구조물에 설치된 코팅부재(미도시)에 의해 형성될 수 있다.

경계부(110)는 격벽(111)과 덮개(112)를 포함할 수 있다. 덮개(112)는 원자로냉각재계통(11)의 상부를 덮도록 형성된다. 격벽(111), 덮개(112) 및 격납부(12)의 바닥면(또는 이중 바닥면)은 원자로냉각재계통(11)의 주변에 밀봉구조를 형성할 수 있다.

또한, 격벽(111)과 원자로냉각재계통(11) 사이에 개폐가 가능하도록 형성된 밀봉 장치(140)를 포함한다. 밀봉 장치(140)는 원전의 정상운전 시에는 개방되어, 원자로냉각재계통(11)과 덮개(112) 사이에 제1공간(110a)을 구획한다.

원자로냉각재계통의 상부(11e)와 덮개(112)는 각각 원자로냉각재계통(11)과 격벽(111)으로부터 탈착되도록 형성된다. 한편, 원전의 정상운전 시에는 원자로냉각재계통의 상부(11e)와 덮개(112)는 각각 원자로냉각재계통(11)과 격벽(111)에 부착되어 기밀을 유지한다.

한편, 원전의 정상운전 시에는 노심(11a)에서 핵분열반응이 일어나게 되고 이에 열이 발생한다. 노심(11a)로부터 발생된 열은 원자로냉각재계통(11) 내부의 냉각재에 전달되어 증기발생기(11c)에서 증기를 생산할 수 있다. 증기발생기(11c)는 가압경수로일 수 있다.

나아가, 증기발생기(11c)에서 생산되는 증기는 급수계통(미도시)으로부터 연결된 주급수관(미도시)과 격리밸브(미도시)를 통하여 물을 공급받아 상변화되는 증기일 수 있다. 증기발생기(11c)에서 생산되는 상기 증기는 대형터빈(미도시) 및 대형발전기(미도시)에 공급되어 상기 증기의 유체에너지가 기계에너지를 거쳐 전기에너지로 변환되면서 전력을 생산할 수 있다.

단, 본 발명에서 가압경수로를 예시하였으나 본 발명의 기술이 가압경수로에만 한정적으로 적용될 수 있는 것은 아니다. 또한, 원자로냉각재펌프(11d)는 원자로냉각재계통(11)의 내부를 채우고 있는 냉각재(11b)를 순환시킬 수 있다.

일 실시예에서, 재장전수조(130)는 덮개(112)를 둘러싸고, 격벽(111)에 돌출되게 연장되게 형성되어 재장전 운전 시 재장전수를 수용할 수 있다. 한편, 밀봉 장치(140)는 재장전 운전 시에는 폐쇄되도록 형성된다. 또한, 재장전 운전 시에는 원자로냉각재계통의 상부(11e)와 덮개(112)는 각각 원자로냉각재계통(11)과 격벽(111)과 분리된다. 이는 후술되는 도 1b의 설명에서 자세하게 서술한다.

방사성 물질 저감 설비(100)는 격납부(12)의 내부에 설치되고, 제1공간(110a)과 제2공간(110b) 사이에 재장전수를 수용하도록 형성되는 격납부내 재장전수저장부(120)를 포함한다.

격납부내 재장전수저장부(120)는 제1방출 배관(121), 제1수조(122), 제2방출 배관(123), 제2수조(124) 및 방출부(125)를 포함한다. 격납부내 재장전수저장부(120)는 서로 분리된 복수개의 수조를 구비하여 재장전수를 수용할 수 있도록 형성된다. 격납부내 재장전수저장부(120)의 수조는 적어도 제1수조(122) 및 제2수조(124)를 포함한다.

사고 시 증기 및 방사성 물질은 격납부내 재장전수저장부(120) 내부로 유입될 수 있도록 형성된다. 제1방출 배관(121)은 사고 발생시 격납부(12) 내부에 설치된 원자로냉각재계통(11) 또는 상기 원자로냉각재계통(11)과 연결된 배관(미도시)으로부터 기화된 냉각재의 증기와 이에 함유된 방사성 물질이 유동을 형성하여 격납부내 재장전수저장부(120) 내부로 유입될 수 있도록 형성된다.

상세하게, 사고 시 원자로냉각재계통(11)을 포함하는 경계부(110) 내부 압력과 격납부내 재장전수저장부(120) 내의 압력차로 인하여 기화된 냉각재의 증기와 이에 함유된 방사성 물질이 방출된다. 이에, 제1방출 배관(121)을 통하여 방출되는 기화된 냉각재의 증기와 이에 함유된 방사성 물질이 제1수조(122)로 유입되어 제1수조(122)에 수용된 재장전수를 거치면서 열을 빼앗기고, 체적이 감소되어 압력이 감소된다.

이후, 제1수조(122)에 수용된 재장전수를 거쳐 방출된 기화된 냉각재의 증기와 이에 함유된 방사성 물질은 압력 차이로 유동을 형성한다. 이에, 제1수조(122)와 제2수조(124) 사이에 제2방출 배관(123)을 통하여 재장전수가 수용된 제2수조(124)로 유입되어 방사성 물질을 포집할 수 있으며, 기화된 냉각재의 증기의 체적이 감소된다.

즉, 본 발명에 따른 방사성 저감 설비(100)는 원자로 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 경우 방사성 물질 및 증기가 서로 연결된 제1수조(122) 및 제2수조(124)를 거치게 되므로 열침원으로 효과적으로 작용한다. 따라서, 원전 사고 시 방출되는 비응축성 가스, 증기 및 방사성 물질에 의하여 제2공간(110b)의 압력이 급격하게 높아지는 것을 방지할 수 있다.

일 실시예에서, 제1방출 배관(121)을 통하여 제1수조(122)로 유입되는 기화된 냉각재의 증기의 압력을 효과적으로 감소시키 위하여 제1수조(122)에 수용된 재장전수와 기화된 냉각재의 증기를 일정시간 이상 접촉하여야 한다. 이에, 제1방출 배관(121)의 말단은 제1수조(122)의 저부에 설치되는 것이 바람직하며, 스파저(121a)를 통하여 기화된 냉각재의 증기 및 방사성 물질이 분출된다. 스파저(121a)를 통하여 방출된 증기는 제1수조(122)의 재장전수에 응축되고 수용성 방사성 물질은 재장전수에 용해되어 포집되고, 비응축성 가스 또는 응축되지 않은 일부 증기는 냉각되면서 상승한다.

특히, 제1수조(122)의 재장전수는 붕산을 포함하여, 핵연료의 재장전시 노심(11a)의 반응도를 억제하도록 형성될 수 있다. 이에, 제1수조(122)의 재장전수는 pH 5 내지 5.5로 유지된다.

또한, 제1수조(122)에 수용된 재장전수를 통하여 사고 시 기화된 냉각재는 대부분이 압축되면서 경계부(110) 압력이 감압될 수 있다. 제1수조(122)에 수용된 재장전수는 기화된 냉각재의 증기를 일정시간 이상 접촉시키기 위해서 6m 이상의 높이를 가질 수 있다. 제1수조(122)에 수용된 재장전수의 높이가 6m 미만일 경우, 사고 시 방출되는 기화된 냉각재의 증기를 효과적으로 응축시키는 열침원의 역할을 충분히 수행하기에 어려움이 따른다.

또한, 제1수조(122)는 제2수조(124)보다 용량이 크게 형성될 수 있다. 상세하게, 제2수조(124)의 용량은 제1수조(122)의 1/20 내지 1/10의 용량으로 형성되는 것이 바람직하다. 제2수조(124)의 용량이 제1수조(122)의 1/20 미만일 경우, 후술되는 제2수조(124)에서의 방사성 물질의 포집이 원활하게 수행될 수 없다.

한편, 제2수조(124)의 용량이 제1수조(122)의 1/10 이상일 경우에는 제1수조(122)에 수용되는 재장전수의 용량이 줄어들어 사고 시 방출되는 증기의 압축에 어려움이 따른다. 즉, 제2수조(124)의 용량이 제1수조(122)의 1/10 이상일 경우에는, 제1수조(122)에 수용되는 재장전수의 용량이 줄어들어 사고 시 방출되는 증기를 효과적으로 감압하기에 어려움이 따른다.

일 실시예에서, 제1수조(122)에는 약 3,500 t의 재장전수가 수용될 수 있으며, 제2수조(124)에는 약 200 t의 재장전수가 수용될 수 있다. 이에, 전술한 것과 같이 제1수조(122)에 수용된 재장전수를 통해 사고 시 방출되는 증기를 효과적으로 응축시키는 열침원의 역할을 충분히 수행할 수 있으며, 제1수조(122)에서 충분히 포집하지 못한 방사성 물질이 제2수조(124)를 통해 포집될 수 있다.

상세하게, 제2방출 배관(123)은 제1방출 배관(121)에서 증기 및 방사성 물질이 방출되는 압력보다 낮은 압력에서 증기 및 방사성 물질이 방출하도록 형성된다.

이에, 제1수조(122)에 수용된 재장전수를 거쳐 압력이 감소된 증기 및 방사성 물질이 제2방출 배관(123) 및 스파저(123a)를 통하여 제2수조(124)의 재장전수로 방출될 수 있다.

구체적으로, 제1방출 배관(121)에서 증기 및 방사성 물질이 방출되는 압력보다 작은 압력에서 제2방출 배관(123)으로 증기 및 방사성 물질이 방출되게 하기 위해서는 제2방출 배관(123)은 제1방출 배관(121) 보다 작은 수두(head, 水頭)를 가지도록 설계될 수 있다.

또한, 제1방출 배관(121)에는 제1공간(110a)에 형성되는 증기 및 방사성 물질이 격납부내 재장전수저장부(120)으로 이동되도록 형성된 체크밸브(121b)를 더 포함한다.

이에, 과열증기에 의하여 격납부내 재장전수저장부(120)의 압력이 높아지는 경우에도 원자로냉각재계통(11)이 수용된 제1공간(110a)으로 격납부내 재장전수저장부(120)에 수용된 재장전수가 역류되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 원전 전상 운전 시에는 제1공간(110a)의 압력이 제1수조(122)의 압력보다 높지 않으므로 체크밸브(121b) 및 제1방출 배관(121)으로 공기의 유동이 형성되지 않는다.

일 실시예에서, 방사성 물질 저감 설비(100)는 수용성 방사성 물질은 제2수조(124)의 재장전수 내에 포집되도록 설계되므로 방사성 물질이 직접 외부 환경으로 누설되는 것을 억제할 수 있다. 즉, 제2수조(124)에서 방사성 물질을 응축하여 격납부(12) 내부의 방사성 물질 농도를 저감시킬 수 있으므로 원전(10)의 안전성이 향상될 수 있다.

원전 사고 시 방출되는 방사성 물질에는 방사성 제논(Xe), 크립톤(Kr) 및 아이오딘(¹³¹I)을 방출하게 된다. 특히 ¹³¹I의 경우, 원자핵에서 β선을 포함하는 0.971 MeV의 에너지를 방출하며 ¹³¹Xe로 붕괴한다. 이에, 방사성 제논(Xe), 크립톤(Kr)에 비해 ¹³¹I는 인체의 갑상선에 축적되어 암과 같은 질환을 유발할 수 있으므로 원전 사고 시 발생하는 위험한 방사성 물질로 알려져 있다.

원전 사고 시 발생하는 방사성 아이오딘은 물과 접촉하는 경우 대부분 용해될 수 있다(용해도 0.029g/100g(20℃)). 하지만, 냉각수에 용해된 방사성 아이오딘은 음이온의 형태로 존재하게 되는데 방사성 아이오딘은 용해되어 있는 냉각수의 pH가 낮은 경우 재휘발되는 양이 크게 증가할 수 있다. 그 이유는, pH 7 이하의 냉각수에서 방사성 아이오딘은 휘발이 가능한 원소형 아이오딘(I₂)의 형태로 변환되는 양이 크게 증가하기 때문이다. 즉, 제1수조(122)에 수용된 pH 5 내지 5.5의 재장전수에서는 방사성 아이오딘은 대부분 포집되지 못하고, 제1수조(122)에 수용된 재장전수를 거쳐 제1수조(122)의 상부로 방출되게 된다.

따라서, 일 실시예에서, 제1수조(122)와 제2수조(124)는 서로 상이한 pH의 재장전수를 수용하도록 형성되고, 제2수조(124)의 재장전수는 제1수조(122)의 재장전수의 pH보다 높을 수 있다. 나아가, 제2수조(124)의 재장전수는 방사성 물질(특히, 아이오딘)의 휘발을 방지하도록 기설정된 값 이상의 pH의 재장전수를 수용하도록 형성될 수 있다. 상세하게 기설정된 값의 pH는 pH 7일 수 있으며, 바람직하게는 pH 8 내지 9일 수 있다.

한편, 방사성 물질 저감 설비(100)는 첨가제주입설비(160)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 원전 사고 시 제2수조(124)로 첨가제가 유입되어 제1수조(122)와 제2수조(124)에 수용된 재장전수는 서로 상이한 pH가 되도록 형성된다. 상세하게, 제2수조(124)에 수용된 재장전수가 전술된 제1수조(122)에 수용된 재장전수와 같이 붕산을 포함하는 pH 5 내지 5.5의 재장전수일 경우, 원전 사고 시 첨가제주입설비(160)는 제2수조(124)에 용해된 방사성 물질의 휘발을 방지하도록 제2수조(124)에 수용된 재장전수의 pH를 기설정된 값 이상(일반적으로 pH 7 이상)으로 유지시키는 제2수조(124)에 수용된 재장전수에 첨가제를 공급한다.

일 실시예에서, 첨가제주입설비(160)는 첨가제수용부(161)에 첨가제가 수용되도록 형성된다. 원전 정상 운전 시에는 밸브(162)가 닫힌 상태로 제2수조(124)로 첨가제의 유입이 되지 않는다. 하지만, 원전 사고 시 밸브(162)가 개방되고 제2수조(124)에 수용된 재장전수로 연결배관(163)을 통하여 주입되도록 형성된다.

첨가제는 인산삼나트륨(Na₃PO₄)을 사용할 수 있다. 인산삼나트륨은 사고 시 격납부(12) 내부의 부식과 방사성 핵종의 재휘발을 방지하기 위해 냉각수의 pH를 조절한다. 그러나, 본 발명에서 첨가제의 종류가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

나아가, 방출부(125)에는 필터 또는 흡착제(미도시)가 구비되어 원전 사고 시 증기와 함께 제2공간(110b)으로 방출되려는 방사성 물질을 포획하도록 형성될 수 있다. 상기 필터 또는 흡착제는 증기 또는 대기를 통과시키고, 방사성 물질을 포획하도록 이루어진다.

일 실시예에서 상기 필터는 고효율입자여과기(HEPA filter)를 사용할 수 있다. 증기 또는 대기에 포함된 기체 형태의 방사성 물질은 필터를 통과하면서 제거된다. 예를 들어, 방사성 물질이 아이오딘인 경우, 상기 아이오딘은 필터를 통과하면서 질산은(silver nitrate)과 결합하여 iodic silver로 변환되고 증기 또는 대기로부터 제거된다.

또한, 상기 흡착제로는 활성탄이 사용될 수 있다. 활성탄은 다공성 구조에 의한 내부 접착면적이 크기 때문에 흡착 물질로 활용된다. 아이오딘 유기화합물들은 활성탄에 함침되어 있는 물질들과 결합하여 quaternary ammonium salt 형태로 변환되고, 활성탄에 흡착된다. 또한 분자 형태의 아이오딘은 활성탄에 화학적 흡착을 통해 결합된다.

상기 필터와 흡착제는 함께 배치될 수도 있고, 필터와 흡착제 중 어느 하나만 배치될 수도 있다. 다만, 상기 설명한 필터와 흡착제는 예를 들어 설명한 것일 뿐, 본 발명에서 필터와 흡착제의 종류가 반드시 상기 설명한 바에 한정되는 것은 아니다.

도 1b는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 재장전 운전을 도시한 개념도이다.

원전(10)의 재장전 운전 시 밀봉 장치(140)는 재장전 운전 시에는 밀봉 장치(140)가 폐쇄되어 밀봉 장치(140) 하부로 제1공간(110a')이 구획될 수 있다. 또한, 원자로냉각재계통의 상부(11e)와 덮개(112)는 각각 원자로냉각재계통(11)과 격벽(111)과 분리된다. 즉, 재장전수조(130)의 하부는 밀봉 장치(140)로 인하여 폐쇄되게 된다.

재장전 운전 시, 격납부내 재장전수저장부(120)와 원자로냉각재계통(11) 사이에 재장전수가 유동되도록 형성된 연결배관(150)을 통하여 원자로냉각재계통(11)으로 재장전수가 공급된다. 연결배관(150)으로 공급된 재장전수는 원자로냉각재계통(11)을 채우고 재장전수조(130)를 채우게 된다.

즉, 원자로냉각재계통(11)으로 공급된 재장전수는 재장전수조(130)에도 공급 및 수용되어, 재장전 운전이 안전하게 이루어 질 수 있도록 한다. 상세하게, 재장전 운전 시 연결배관(150)을 통한 재장전수의 주입은 펌프(151)에 의한 구동력에 근거하여 공급된다.

또한, 이하 설명되는 다른 실시 예에서는 앞선 예와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호가 부여되고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음된다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(200)의 개념도이다.

도 2를 참조하면, 방사성 물질 저감 설비(200)의 제2수조(224)는 제1수조(222)의 상부에 배치될 수 있다. 이에, 사고 시 증기 및 방사성 물질은 격납부내 재장전수저장부(220) 내부로 유입될 수 있도록 형성된다.

제1방출 배관(221)은 사고 발생시 격납부(12) 내부에 설치된 원자로냉각재계통(11) 또는 상기 원자로냉각재계통(11)과 연결된 배관(미도시)으로부터 기화된 냉각재의 증기와 이에 함유된 방사성 물질이 압력 차이로 유동을 형성하며 격납부내 제1수조(222)로 유입되어 제1수조(222)에 수용된 재장전수를 거치면서 열을 빼앗기고, 체적이 감소되어 압력이 감소된다.

이후, 제1수조(222)에 수용된 재장전수를 거쳐 방출된 기화된 냉각재의 증기와 이에 함유된 방사성 물질은 압력 차이로 유동을 형성한다. 이에, 제1수조(222)와 제2수조(224) 사이에 제2방출 배관(223)을 통하여 재장전수가 수용된 제2수조(224)로 유입되어 방사성 물질을 포집할 수 있으며, 기화된 냉각재의 증기의 체적이 감소된다.

일 실시예에서, 제2수조(224)에 수용된 재장전수는 방사성 물질(특히, 아이오딘)의 휘발을 방지하도록 기설정된 값 이상의 pH의 재장전수를 수용하도록 형성될 수 있다. 상세하게 기설정된 값의 pH는 pH 7일 수 있으며, 바람직하게는 pH 8 내지 9일 수 있다.

나아가, 방사성 물질 저감 설비(200)는 첨가제주입설비(미도시)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 원전 사고 시 제2수조(224)로 첨가제가 유입되어 제1수조(222)와 제2수조(224)에 수용된 재장전수는 서로 상이한 pH가 되도록 형성되는 실시예도 가능할 수 있다.

발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims

격납부;
상기 격납부의 내부에 구비되어, 상기 격납부의 내부공간을 원자로냉각재계통을 수용하는 제1공간과 제1공간과 격납부 사이에 형성되는 제2공간을 구획하고, 사고 시 상기 제1공간 내의 상기 원자로냉각재계통 또는 상기 원자로냉각재계통과 연결된 배관으로부터 방출되는 방사성 물질이 상기 제2공간으로 직접 방출되지 않도록 상기 원자로냉각재계통을 둘러싸는 경계부;
상기 제1공간과 상기 제2공간 사이에 설치되고 재장전수를 수용하도록 형성되는 격납부내 재장전수저장부(IRWST); 및
상기 경계부 내 제1공간에 형성되는 증기 및 방사성 물질의 유동을 상기 격납부내 재장전수저장부의 내부로 유도하도록 형성된 제1방출 배관을 포함하고,
상기 격납부내 재장전수저장부는 서로 분리된 복수개의 수조를 구비하고, 상기 복수개의 수조는 적어도 제1수조 및 제2수조를 포함하고,
사고 시 상기 증기 및 방사성 물질은 상기 제1수조를 거쳐 상기 제2수조로 방출되며,
사고 시 상기 제2수조는 방사성 물질의 휘발을 방지하도록 기설정된 값 이상의 pH의 재장전수를 수용하도록 형성되고,
상기 경계부는 상기 원자로냉각재계통을 둘러싸도록 형성되는 격벽; 및
상기 원자로냉각재계통의 상부를 덮도록 형성되는 덮개를 포함하고,
상기 경계부에서 상기 덮개를 둘러싸도록 형성되는 재장전수조를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
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제1항에 있어서,
상기 원자로냉각재계통의 상부 및 상기 덮개는 탈착되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
제1항에 있어서,
상기 격벽과 상기 원자로냉각재계통 사이에 개폐가 가능하도록 형성된 밀봉 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
제1항에 있어서,
상기 격납부내 재장전수저장부와 상기 원자로냉각재계통 사이에 재장전수가 유동되도록 형성된 연결배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
제6항에 있어서,
상기 연결배관으로 주입은 펌프에 의한 구동력에 근거하여 재장전수를 공급하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감설비.
제1항에 있어서,
상기 격납부내 재장전수저장부의 상부에 구비되어 상기 격납부내 재장전수저장부의 과압을 방지하고, 상기 제2공간으로 비응축성 가스 또는 증기를 방출하는 방출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
제1항에 있어서,
상기 제1수조는 상기 제2수조보다 용량이 크고, 상기 제2수조의 용량은 상기 제1수조의 용량의 1/20 내지 1/10인 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
제1항에 있어서,
상기 제1수조와 상기 제2수조 사이에 증기 및 방사성 물질이 유동되도록 형성되는 제2방출 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
제10항에 있어서,
상기 제2방출 배관은 상기 제1방출 배관에서 증기 및 방사성 물질이 방출되는 압력보다 낮은 압력에서 증기 및 방사성 물질이 방출하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
제10항에 있어서,
상기 제1방출 배관에는 상기 제1공간에 형성되는 증기 및 방사성 물질이 상기 격납부내 재장전수저장부로 이동되도록 형성된 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
제1항에 있어서,
정상 운전 시 및 사고 시 상기 제2수조의 재장전수는 방사성 물질의 휘발을 방지하도록 기설정된 값 이상의 pH를 유지하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
제1항에 있어서,
사고 시 상기 제2수조의 재장전수는 상기 제1수조의 재장전수의 pH보다 높은 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
제1항에 있어서,
상기 제2수조는 재장전수의 pH 값이 상기 기설정된 값 이상이 되도록 상기 제2수조로 첨가제를 주입하는 첨가제주입설비를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
제15항에 있어서,
상기 첨가제주입설비는 정상 운전 시에는 첨가제가 주입되지 않고 사고 시 첨가제가 주입되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
제1항 및 제4항 내지 제16항 중 어느 한 항의 방사성 물질 저감 설비를 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.