KR102072689B1 - 원자로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안전주입장치 및 이를 구비한 원자로에 관한 것으로서, 안전주입장치는 내부에 원자로냉각재를 수용하고, 원자로용기에 비해 상방향으로 높게 배치되는 안전주입탱크; 일측은 상기 안전주입탱크의 하부에 연통되게 연결되고, 타측은 상기 원자로용기의 내부와 연통되게 연결되어, 사고 시 상기 안전주입탱크의 내부에 수용된 원자로냉각재를 상기 원자로용기의 내부로 주입하는 안전주입배관; 및 일측은 원자로용기의 상부에 연통되게 연결되고, 타측은 상기 안전주입탱크의 상부와 연통되게 연결되는 압력평형배관을 포함 한다.

Description

원자로{NUCLEAR REACTOR}

본 발명은 피동 안전주입장치 및 이를 구비한 원자로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저압 및 고압 혼합형 안전주입이 보다 신속하게 이루어지는 피동 안전주입장치 및 이를 구비한 원자로에 관한 것이다.

원자로는 주요기기의 설치위치에 따라 주요기기(증기발생기, 가압기, 원자로냉각재펌프 등)가 원자로용기의 외부에 설치되는 분리형 원자로(예, 국내 가압경수로, 일본 비등경수로)와 주요기기가 원자로용기의 내부에 설치되는 일체형 원자로(예, SMART 원자로)로 나뉜다. 또한, 원자로는 원자로용기의 내부를 가압하여 비등을 허용하지 않는 가압경수로와 비등을 허용하는 비등경수로로 나뉜다.

일반적으로 분리형 원자로(국내 상원원전, 미국 AP1000)의 원자로용기에는 원자로 노심이 위치하며, 제어봉 구동장치는 원자로용기의 상부에 위치한다. 원자로용기와 증기발생기는 대형배관에 의해 연결되며, 원자로냉각재펌프가 원자로용기와 증기발생기 사이의 대형배관에 설치되어 원자로냉각재계통 유체에 순환 동력을 제공하게 된다. 또한, 가압기는 서지배관을 통해 대형배관과 연결되어 원자로냉각계통의 압력을 제어한다.

일반 산업용 발전소와는 다르게 원자력발전소(원전)는 원자로가 정지한 후에도 원자로 노심에서 상당시간 잔열이 발생되며, 잔열 발생량은 시간에 따라 급격히 감소하는 특성이 있다. 이에 따라 원전에는 사고시 안전을 확보하기 위한 다양한 안전설비가 마련된다.

여러 안전설비중에서 노심의 건전성을 확보하기 위한 주요 계통으로는 안전주입계통과 잔열제거계통이 있다. 안전주입계통은 원자로에 연결되는 배관 파단사고 등에 의해 원자로의 냉각재가 손실되는 경우 원자로에 냉각재를 보충해 주는 역할을 수행하며, 잔열제거계통은 원자로 노심이 정지한 후에 노심에서 발생하는 잔열을 제거해 주는 역할을 수행한다.

종래의 안전주입계통은 안전주입탱크를 구비하고, 냉각재 누출과 같은 저압 사고 시 원자로 내부의 압력이 안전주입탱크의 비응축가스의 압력보다 떨어질 경우 안전주입탱크로부터 저온의 냉각재가 원자로의 내부로 자동으로 주입되도록 구성된다.

하지만, 종래의 안전주입계통은 원자로 내부의 압력이 안전주입탱크의 비응축가스의 압력보다 높은 고압 사고 시에는 사용하지 못하는 문제점이 있었다.

이를 보완하기 위해, 종래의 혼합형 안전주입장치는 원자로가 고압 사고인 경우에도 사용할 수 있도록 압력평형배관을 가압기의 상부 또는 저온관(증기발생기로부터 원자로의 내부와 연결되는 배관)에 연결하였다.

이때, 고온관은 증기발생기와 원자로를 연결하여 원자로 내부의 고온 냉각재를 증기발생기로 보내기 위한 연결 배관이고, 저온관은 증기발생기와 원자로의 내부를 연결하여 증기발생기에서 열교환된 저온의 냉각재를 원자로의 내부로 회수하기 위한 연결 배관이다.

가압기는 고온관에 밀림관을 통하여 연결되어 있어, 압력평형배관은 가압기의 상부와 연결됨으로 고온관에 연결될 수 있다.

원자로의 고압 사고 시, 압력평형배관이 개방되고, 원자로 내부의 압력이 압력평형배관을 따라 안전주입탱크에 전달되어, 원자로와 안전주입탱크 사이에 압력평형이 이루어질 경우 저온의 냉각재가 안전주입탱크로부터 원자로로 주입될 수 있다.

그러나, 종래의 혼합형 안전주입장치는 고압사고 및 저압사고에서 사용할 수 있는 장점을 가지고 있으나, 압력평형배관은 원자로 외부의 저온관 또는 고온관에 연결되어 있어서, 원자로의 고압 사고 시 고온관 또는 저온관과의 압력 평형을 이룬 후 안전주입탱크로부터 냉각재의 주입이 이루어지므로, 냉각재의 주입시간이 압력평형에 걸리는 시간만큼 지연되는 문제가 발생한다.

또한, 고온관과 저온관의 유로 저항으로 인해 안전주입탱크의 안전주입 성능이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 종래의 혼합형 안전주입장치에서의 문제점을 해결하기 위해 창출한 것으로서, 압력평형배관을 원자로용기의 상부에 직접 연결하여 저압 및 고압 혼합형 안전주입이 보다 신속하게 이루어질 수 있고, 고온관 또는 저온관의 유로저항으로 인한 안전주입의 성능 저하를 최소화할 수 있는 피동안전주입장치 및 이를 구비한 원자로를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 안전주입장치는, 내부에 원자로냉각재를 수용하고, 원자로용기에 비해 상방향으로 높게 배치되는 안전주입탱크; 일측은 상기 안전주입탱크의 하부에 연통되게 연결되고, 타측은 상기 원자로용기의 내부와 연통되게 연결되어, 사고 시 상기 안전주입탱크의 내부에 수용된 원자로냉각재를 상기 원자로용기의 내부로 주입하는 안전주입배관; 및 일측은 원자로용기의 상부에 연통되게 연결되고, 타측은 상기 안전주입탱크의 상부와 연통되게 연결되는 압력평형배관을 포함한다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 안전주입배관에 설치되는 체크밸브; 및 상기 압력평형배관에 설치되는 압력평형밸브를 더 포함하고, 상기 압력평형배관은 상기 압력평형밸브의 동작에 따라 선택적으로 개폐될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 안전주입탱크의 상부공간에 비응축성 가스가 충전되어, 상기 안전주입탱크에 수용된 원자로냉각재를 가압할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 압력평형밸브는 상기 원자로용기의 내부 압력이 상기 비응축성 가스의 압력보다 높은 경우에 개방되고, 상기 비응축성 가스의 압력보다 낮은 경우에 폐쇄될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 압력평형배관에 구비되어, 상기 원자로용기로부터 배출된 원자로냉각재를 냉각하는 고압안전주입 열교환기를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 고압안전주입 열교환기는 냉각수에 의해 냉각하는 수냉식 열교환기일 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 고압안전주입 열교환기는 핀 앤 튜브형, 판형 및 인쇄기판형 열교환기 중 하나의 열교환기일 수 있다.

본 발명의 원자로는, 내부에 원자로냉각재가 수용되는 원자로용기; 상기 원자로용기의 외부에 배치되고, 상기 원자로냉각재로부터 발생된 열을 이용하여 증기를 발생시키는 증기발생기; 상기 원자로용기와 상기 증기발생기의 일측에 연결되고, 상기 원자로용기에서 상기 증기발생기로 상기 원자로냉각재를 공급하는 고온관; 밀림관을 통해 상기 고온관과 연결되고, 상기 원자로냉각재의 압력을 조절하는 가압기; 상기 증기발생기의 타측과 상기 원자로용기에 연결되고, 상기 증기발생기에서 열교환된 상기 원자로냉각재를 상기 원자로용기로 회수하는 저온관; 및 상기 원자로용기 내부의 압력이 기설정된 압력 이하로 하강 시 상기 원자로용기 내부로 원자로냉각재를 주입하는 안전주입장치를 포함하고, 상기 안전주입장치는 상기 원자로용기보다 높게 배치되는 안전주입탱크; 일측은 상기 안전주입탱크의 하부에 연통되게 연결되고, 타측은 상기 원자로용기의 내부와 연통되게 연결되어, 사고 시 상기 안전주입탱크의 내부에 수용된 원자로냉각재를 상기 원자로용기의 내부로 주입하는 안전주입배관; 및 일측은 원자로용기의 상부에 연통되게 연결되고, 타측은 상기 안전주입탱크의 상부와 연통되게 연결되는 압력평형배관을 포함할 수 있다.

본 발명의 원자로와 관련된 일 예에 따르면, 상기 안전주입배관에 설치되는 체크밸브; 및 상기 압력평형배관에 설치되는 압력평형밸브를 더 포함하고, 상기 압력평형배관은 상기 압력평형밸브의 동작에 따라 선택적으로 개폐될 수 있다.

본 발명의 원자로와 관련된 일 예에 따르면, 상기 원자로용기의 내부에 설치되는 노심의 정지시 상기 노심의 잔열을 제거하는 피동잔열제거계통을 더 포함하고, 상기 피동잔열제거계통은, 상기 원자로용기의 외부에 배치되는 냉각수저장부; 상기 냉각수저장부 내부의 냉각수에 침지되게 수용되고, 상기 증기발생기에서 발생된 증기를 응축하는 피동잔열제거용 열교환기; 및 상기 압력평형배관에 구비되고, 상기 피동잔열제거용 열교환기로부터 제공받은 응축수와 상기 원자로용기로부터 배출된 원자로냉각재를 열교환시키는 고압안전주입 열교환기를 포함할 수 있다.

본 발명의 원자로와 관련된 일 예에 따르면, 상기 피동잔열제거계통은, 일측은 상기 증기발생기로부터 증기를 방출하기 위한 증기방출관과 연결되고, 타측은 상기 피동잔열제거용 열교환기와 연결되어, 상기 증기를 상기 피동잔열제거용 열교환기에 공급하는 상부연결배관; 및 일측은 상기 피동잔열제거용 열교환기와 연결되고, 타측은 상기 증기발생기로 냉각수를 공급하는 급수관과 연결되어, 상기 증기발생기에서 열교환된 응축수를 상기 증기발생기로 회수하는 하부연결배관을 포함할 수 있다.

본 발명의 원자로와 관련된 일 예에 따르면, 상기 피동잔열제거계통은, 일측은 상기 고압안전주입 열교환기와 연결되고, 타측은 상기 상부 연결배관과 연결되어, 상기 고압안전주입 열교환기를 통과한 냉각수의 증기를 상기 피동잔열제거용 열교환기로 순환시키는 상부 순환배관; 및 일측은 상기 하부연결배관과 연결되고, 타측은 상기 고압안전주입 열교환기와 연결되어, 상기 피동잔열제거용 열교환기를 통과한 응축수를 상기 고압안전주입 열교환기로 재공급하는 하부 순환배관을 포함할 수 있다.

본 발명의 원자로와 관련된 일 예에 따르면, 상기 피동잔열제거계통은, 상기 상부 순환배관에 설치되어, 상기 냉각수의 증기가 역류하는 것을 방지하는 체크밸브; 및 상기 하부 순환배관에 개폐 가능하게 설치되어, 상기 응축수를 상기 고압안전주입 열교환기 및 상기 증기발생기 중 하나에 선택적으로 순환시키는 순환밸브를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 피동안전주입장치 및 이를 구비한 원자로의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

첫째, 압력평형배관이 원자로용기의 상단부와 안전주입탱크의 상단부에 연결되어, 원자로 내부의 압력이 압력평형배관을 따라 원자로에서 안전주입탱크의 상부로 직접 전달됨에 따라, 원자로가 저압 사고 시는 물론 고압 사고 시에도 저온의 냉각재를 안전주입탱크로부터 원자로 내부로 보다 신속하게 주입할 수 있는 장점이 있다.

둘째, 압력평형배관이 고온관 또는 저온관에 연결되지 않고 원자로에 직접 연결됨으로, 고온관 또는 저온관의 유로저항을 제거하여 압력평형에 걸리는 시간을 단축할 수 있다.

셋째, 압력평형배관이 원자로용기의 상부에 직접 연결됨으로 압력평형을 이루는 구조물이 단순화되는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 안전주입장치를 구비한 원자로를 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안전주입장치 및 이를 구비한 원자로를 보여주는 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. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 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.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

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 1은 본 발명의 일실시예에 따른 안전주입장치(100)를 구비한 원자로를 보여주는 개념도이다.

본 발명의 원자로는 원자로용기(10), 가압기(30), 증기발생기(20) 및 안전주입장치(100)를 포함할 수 있다.

원자로용기(10)는 내부에 냉각재를 수용하도록 수용공간을 구비한다. 원자로용기(10)는 핵연료에서 방출되는 열을 이용하여 고온 냉각재를 가열하는 용기이다.

원자로용기(10)는 원통 형태로 형성될 수 있다. 원자로용기(10)의 내부에 원자로 노심(11)이 구비될 수 있다.

원자로 노심(11)에 핵연료봉이 장착되어, 원자로 노심(11)은 핵반응에 의해 핵연료로부터 열을 발생시키는 장치이다.

증기발생기(20)는 1차계통과 2차계통의 사이에 위치하고, 1차계통과 2차계통 사이의 압력경계를 형성하고 유지할 수 있다.

분리형 원자로에서 증기발생기(20)는 원자로용기(10)의 외부에 설치된다.

증기발생기(20)는 원자로용기(10)의 고온 냉각재를 공급받을 수 있도록 구성된다. 고온관(22)은 고온 냉각재를 증기발생기(20)로 공급하기 위한 연결 배관이다.

고온관(22)의 일측은 원자로용기(10)의 일측에 연통 가능하게 연결되고, 고온관(22)의 타측은 증기발생기(20)의 일측에 연통 가능하게 연결된다. 고온관(22)의 타측은 증기발생기(20)의 하측에 연결될 수 있다.

증기발생기(20)는 원자로용기(10)로부터 받은 고온 냉각재와 물을 열교환시키도록 구성된다. 증기발생기(20)의 다른 일측에 급수관(1)이 연결되고, 급수관(1)은 급수계통(3)과 연결되어, 급수계통(3)으로부터 급수관(1)을 통해 저온의 냉각수를 공급받을 수 있다.

증기발생기(20)의 내부로 공급되는 냉각수는 이차측 유체이다.

증기발생기(20)는 저온의 냉각수를 수용하기 위한 수용공간을 구비한다. 증기발생기(20)의 내부에 열교환관(21)이 구비된다. 열교환관(21)은 증기발생기(20)의 수용공간의 상부로 연장되어, 냉각수와 열교환관(21)을 따라 흐르는 고온 냉각재가 열교환 가능하도록 구성된다.

저온 냉각수는 고온 냉각재로부터 열을 흡수하여 온도가 상승하고, 비등점 온도 이상에서 증기가 발생된다. 증기발생기(20)의 상단부에 증기방출관(4)이 연결되고, 증기방출관(4)을 통해 증기가 외부로 방출될 수 있다.

증기방출관(4)은 터빈계통(6)의 터빈과 연결되어, 증기가 터빈으로 전달될 수 있다.

원자로용기(10)로부터 받은 고온의 냉각재는, 증기발생기(20)의 열교환관(21)을 따라 이동하면서 냉각수로 열을 빼앗겨 냉각되며 응축된 응축수는 원자로용기(10)로 회수될 수 있다.

응축수를 회수하기 위해 증기발생기(20)와 원자로용기(10) 사이에 저온관(24)이 연결될 수 있다. 저온관(24)의 일측은 증기발생기(20)의 하측과 연통되게 연결되고, 저온관(24)의 타측은 원자로용기(10)와 연통되게 연결된다. 저온관(24)은 고온관(22)보다 낮게 배치될 수 있다.

저온관(24)에 원자로냉각재펌프(23)가 설치될 수 있다. 원자로냉각재펌프(23)는 원자로 내부의 고온 냉각재를 순환시키도록 구성된다. 고온 냉각재는 원자로냉각재펌프(23)로부터 동력을 제공받아 고온관(22)을 따라 증기발생기(20)로 공급되고, 냉각된 응축수는 증기발생기(20)로부터 원자로용기(10)로 순환될 수 있다.

증기발생기(20)는 원자로 노심(11)에서 생산된 1차계통의 열을 2차계통으로 전달하여 증기를 생산하고, 증기발생기(20)에서 생산된 증기는 터빈으로 공급되어 전력 생산에 사용될 수 있다.

분리형 원자로에서 가압기(30)는 원자로용기(10)의 외부에 배치된다.

가압기(30)는 원자로의 고온 냉각재의 압력 조절을 위한 압력용기이다. 가압기(30)의 내측 상부에 포화 증기가 채워져 있다. 가압기(30)의 내부에 히터가 설치되어, 원자로냉각재의 압력이 기설정된 압력보다 낮은 경우에 가압기(30) 내부에 수용된 냉각수를 가열할 수 있다. 가압기(30)의 내측 상부에 살수노즐이 설치되어, 원자로냉각재의 압력이 기설정 압력보다 높을 경우에 살수노즐을 통해 가압기(30)의 상부에 물을 뿌려 압력을 낮출 수 있다.

가압기(30)의 하부에 밀림관(31)이 구비될 수 있다. 밀림관(31)의 일측은 가압기(30)의 하단부에 연통되게 연결되고, 밀림관(31)의 타측은 고온관(22)에 연통되게 연결될 수 있다.

분리형 원자로는 증기발생기(20), 가압기(30) 등의 주요기기가 원자로와 분리되어 외부에 설치되어, 주요 기기 사이에 대형 배관이 설치된다.

분리형 원자로에서 배관 파단 등에 의한 냉각재 상실사고 발생하는 경우에 원자로의 수위가 급격히 떨어지게 된다.

따라서, 본 발명에서는 손실된 냉각수를 보다 신속하게 보충할 수 있도록 안전주입장치(100)를 제공한다.

안전주입장치(100)는 안전주입탱크(40), 안전주입배관(41) 및 압력평형배관(42)을 포함한다.

안전주입탱크(40)는 원자로용기(10)의 외부에 배치된다.

안전주입탱크(40)는 내부에 저온의 냉각수를 수용하기 위한 수용공간을 구비한다. 안전주입탱크(40)의 내측 상부에 비응축성 가스가 채워져 있고, 비응축성 가스는 안전주입탱크(40) 내부에 수용된 냉각수를 가압할 수 있다.

안전주입탱크(40)는 원자로의 내부 압력이 기설정된 압력 이하로 내려갈 경우에 저온의 냉각수를 주입하도록 구성된다.

안전주입탱크(40)는 원자로용기(10)보다 높게 배치된다. 안전주입탱크(40)는 높이 차이에 따른 중력에 의해 저온의 냉각수를 원자로용기(10)의 내부로 주입할 수 있다.

안전주입배관(41)의 일측은 안전주입탱크(40)의 하부에 연통되게 연결되고, 안전주입배관(41)의 타측은 원자로용기(10)에 연통되게 연결된다. 안전주입배관(41)의 타측은 원자로용기(10)의 측면 상부에 연결될 수 있다.

안전주입배관(41)에 체크밸브(43)가 설치된다. 체크밸브(43)는 안전주입배관(41)에서 냉각수의 역류를 방지하도록 구성된다. 체크밸브(43)는 안전주입배관(41) 양측의 압력차에 의해 개폐되고, 안전주입탱크(40)에서 원자로를 향하여 냉각재의 주입을 허용하고, 그 반대로 역류를 차단한다.

원자로의 고압 사고 시에도 안전주입계통을 사용하기 위해, 압력평형배관(42)이 더 구비될 수 있다.

압력평형배관(42)의 일측은 안전주입탱크(40)의 상단부에 연통되게 연결되고, 압력평형배관(42)의 타측은 원자로용기(10)의 상단부에 연통되게 연결된다.

압력평형배관(42)에 압력평형밸브(44)가 설치될 수 있다. 압력평형밸브(44)는 제어부로부터 제어신호를 받아 조절될 수 있다.

예를 들면, 압력평형밸브(44)는 제어신호에 따라 원자로의 고압 사고 시에는 개방되고, 원자로의 저압 사고 시에는 폐쇄되도록 조절될 수 있다.

따라서, 본 발명의 안전주입장치(100)에 따른 안전주입작용을 설명하면 다음과 같다.

정상 운전 시 원자로냉각재는 노심에서 핵반응에 의해 열을 받아 고온으로 상승한다. 원자로냉각재펌프(23)는 원자로냉각재를 증기발생기(20)와 원자로용기(10) 사이에서 순환시킨다.

고온 냉각재는 고온관(22)을 따라 이동하여 증기발생기(20)로 공급되고, 증기발생기(20)에서 열교환되며 냉각되어 응축된다.

증기발생기(20)에서 응축된 냉각재는 저온관(24)을 따라 이동하여 원자로용기(10)의 내부로 회수된다.

한편, 배관 파단 등과 같은 원자로의 저압 사고 발생 시 원자로의 내부 압력이 기설정된 압력(안전주입탱크(40) 내부에 충전된 비응축성 가스의 압력) 이하로 떨어지면, 압력평형밸브(44)는 닫혀 있고, 안전주입탱크(40)의 냉각재가 중력에 의해 안전주입배관(41)을 따라 하강하여 원자로용기(10)의 내부로 주입될 수 있다.

안전주입배관(41)을 통해 주입된 냉각재는 원자로용기(10)의 내부구조물을 따라 하강하여 노심으로 유입되어, 노심을 냉각할 수 있다.

원자로의 고압 사고 발생 시, 원자로용기(10)의 내부 압력이 안전주입탱크(40)의 압력보다 여전히 높은 상태에서도, 안전주입탱크(40)의 냉각재를 원자로용기(10) 내부로 안전하게 주입하기 위해, 압력평형밸브(44)는 개방될 수 있다.

압력평형밸브(44)가 개방되면, 원자로용기(10)의 상단부와 안전주입탱크(40)의 상단부가 압력평형배관(42)에 의해 서로 연통되어 압력 평형이 이루어질 수 있다. 이때, 원자로용기(10)의 내부압력이 안전주입탱크(40)의 상부로 전달되어, 안전주입탱크(40)의 상부압력이 원자로용기(10)와 같아져서 비응축성 가스의 압력이 원자로용기(10)의 내부 압력보다 낮더라도 냉각재의 안전주입이 가능하다.

또한, 안전주입탱크(40)는 원자로용기(10)보다 높게 배치되어 있어서, 펌프 등과 같은 능동력에 의존하지 않고 중력 등과 같은 자연력(피동력)에 의해 안전 주입이 가능하다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안전주입장치(200) 및 이를 구비한 원자로를 보여주는 개념도이다.

본 실시예에서는 증기발생기(20)에 연결된 피동잔열제거계통(50)(Passive Residual Heat Removal System)과 피동잔열제거계통(50)의 저온측과 압력평형배관(42)을 열교환하기 위한 열교환기가 더 구비된다는 점에 전술한 도 1의 실시예와 차이가 있다.

피동잔열제거계통(50)은 원자로 노심(11)이 정지한 후에 노심에서 발생하는 잔열을 제거해 주는 계통이다.

피동잔열제거계통(50)은 냉각수저장부(51), 연결배관(53,54), 고압안전주입 열교환기(60) 및 순환배관(56,55)을 포함할 수 있다.

냉각수저장부(51)는 증기발생기(20)를 사이에 두고 원자로용기(10)의 외부에 배치될 수 있다. 증기발생기(20)는 냉각수저장부(51)와 원자로용기(10) 사이에 배치될 수 있다.

냉각수저장부(51)는 내부에 냉각수를 저장하는 수용공간을 구비한다. 냉각수저장부(51)의 내부에 피동잔열제거용 열교환기(52)가 수용될 수 있다. 피동잔열제거용 열교환기(52)는 냉각수에 침지되게 설치될 수 있다.

냉각수저장부(51)는 피동잔열제거용 열교환기(52)를 수랭식으로 냉각하도록 구성될 수 있다.

피동잔열제거용 열교환기(52)는 원자로냉각재를 냉각하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 피동잔열제거용 열교환기(52)는 증기발생기(20)와 연결되어, 증기발생기(20)를 통해 원자로냉각재의 잔열을 제거할 수 있다.

피동잔열제거용 열교환기(52)는 핀 앤 튜브형, 판형 및 인쇄기판형 열교환기 중 하나의 열교환기일 수 있다.

냉각저장부의 상부에 상부 연결배관(53)이 설치될 수 있다.

상부 연결배관(53)의 일측은 증기방출관(4)과 연통되게 연결되고, 상부 연결배관(53)의 타측은 피동잔열제거용 열교환기(52)의 상부와 연통되게 연결될 수 있다.

피동잔열제거용 열교환기(52)는 상부 연결배관(53)과 증기방출관(4)을 통해 증기발생기(20)의 상부와 연결되어, 증기발생기(20)에서 발생된 증기가 피동잔열제거용 열교환기(52)로 공급될 수 있다.

상부 연결배관(53)의 타측은 터빈과 연결될 수도 있다. 이에 의해, 증기발생기(20)에서 발생된 증기가 상부 연결배관(53)에서 터빈으로 공급될 수 있다.

상부 연결배관(53)과 터빈계통(6)을 연결하는 연결배관에 개폐밸브가 설치되어, 개폐밸브의 개폐작동에 따라 증기발생기(20)에서 발생된 증기가 피동잔열제거용 열교환기(52)로 공급되거나 터빈으로 공급될 수도 있다.

냉각수저장부(51)는 증기발생기(20)에 비해 높게 배치될 수 있다.

냉각수저장부(51)의 하부에 하부 연결배관(54)이 설치될 수 있다. 하부 연결배관(54)의 일측은 피동잔열제거용 열교환기(52)의 하부와 연통되게 연결되고, 하부 연결배관(54)의 타측은 급수관(1)과 연결되어, 피동잔열제거용 열교환기(52)에서 냉각된 응축수가 증기발생기(20)로 회수될 수 있다.

압력평형배관(42)에 고압안전주입 열교환기(60)가 더 구비될 수 있다. 압력평형배관(42)에 설치된 고압안전주입 열교환기(60)는 압력평형배관(42)을 따라 흐르는 원자로냉각재를 냉각하도록 구성될 수 있다.

고압안전주입 열교환기(60)는 핀 앤 튜브형, 판형 및 인쇄기판형 열교환기 중 하나일 수 있다.

고압안전주입 열교환기(60)는 열교환하우징의 내부에 원자로냉각재가 흐르는 제1열교환관(61)과 냉각수가 흐르는 제2열교환관(62)이 구비될 수 있다. 제1열교환관(61)과 제2열교환관(62)은 서로 열교환 가능하게 구성될 수 있다. 이에 의해, 제1열교환관(61)을 따라 흐르는 원자로냉각재는 제2열교환관(62)을 따라 흐르는 냉각수에 의해 냉각될 수 있다.

압력평형배관(42)은 원자로용기(10)의 상부에서 고압안전주입 열교환기(60)의 하단부로 연장되는 제1압력평형배관(42)과, 고압안전주입 열교환기(60)의 상단부에서 안전주입탱크(40)의 상단부로 연장되는 제2압력평형배관(42)으로 구성될 수 있다.

제1압력평형배관(42)의 일측은 원자로용기(10)와 연통가능하게 연결되고, 제1압력평형배관(42)의 타측은 제1열교환관(61)의 하부 입구와 연통되게 연결되어, 원자로냉각재가 원자로용기(10)에서 제1열교환관(61)으로 전달될 수 있다.

제2압력평형배관(42)의 일측은 제1열교환관(61)의 상부 출구와 연통되게 연결되고, 제2압력평형배관(42)의 타측은 안전주입탱크(40)의 상단부와 연통되게 연결되어, 제1열교환관(61)을 통과한 원자로냉각재(증기)가 안전주입탱크(40)로 전달될 수 있다.

피동잔열제거용 열교환기(52)와 고압안전주입 열교환기(60) 사이에 순환배관이 설치될 수 있다.

순환배관은 고압안전주입 열교환기(60)를 통과한 냉각수가 흐르는 상부 순환배관(56)과 피동잔열제거용 열교환기(52)를 통과한 냉각수가 흐르는 하부 순환배관(55)으로 구성될 수 있다.

상부 순환배관(56)의 일측은 제2열교환관(62)의 상부 출구와 연통되게 연결되고, 상부 순환배관(56)의 타측은 상부 연결배관(53)의 일측과 연결되거나 상부 연결배관(53)을 우회하여 피동잔열제거용 열교환기(52)의 상부 입구와 연결될 수 있다. 본 실시예에서는 상부 순환배관(56)의 일측이 상부 연결배관(53)과 연결된 모습을 보여준다. 이에 의하면, 고압안전주입 열교환기(60)를 통과한 냉각수가 흐르는 배관 연결구조가 단순화될 수 있다.

하부 순환배관(55)의 일측은 피동잔열제거용 열교환기(52)의 하부 출구와 연통되게 연결되고, 하부 순환배관(55)의 타측은 고압안전주입 열교환기(60)의 제2열교환관(62)과 연통되게 연결될 수 있다.

하부 순환배관(55)은 하부 연결배관(54)과 연결되거나 하부 연결배관(54)을 우회하여 피동잔열제거용 열교환기(52)에 연결될 수 있다. 본 실시예에서는 하부 순환배관(55)의 일측이 하부 연결배관(54)에 연결된 모습을 보여준다. 이에 의하면, 피동잔열제거용 열교환기(52)를 통과한 냉각수가 흐르는 배관 연결구조가 단순화될 수 있다.

상부 순환배관(56)에 체크밸브(58)가 설치되고, 냉각수의 순환방향을 일방향으로 제한할 수 있다. 예를 들면, 체크밸브(58)는 냉각수가 고압안전주입 열교환기(60)에서 피동잔열제거용 열교환기(52)로 이동하는 것을 허용하고, 그 반대로 역류하는 것을 차단할 수 있다.

하부 순환배관(55)에 순환밸브(57)가 설치되고, 순환밸브(57)의 개폐동작에 따라 피동잔열제거용 열교환기(52)로부터 배출된 응축수의 이동방향이 결정될 수 있다.

예를 들면, 하부 순환배관(55)의 순환밸브(57)가 닫히면 피동잔열제거용 열교환기(52)로부터 응축수가 증기발생기(20)로 회수되고, 순환밸브(57)가 열리면 응축수가 하부 순환배관(55)을 따라 고압안전주입 열교환기(60)로 순환될 수 있다.

이때, 순환밸브(57)와 급수밸브(2)는 서로 반대로 동작될 수 있다. 순환밸브(57)가 개방되면 급수밸브(2)는 폐쇄될 수 있다. 반대로 순환밸브(57)가 닫히면 급수밸브(2)가 열릴 수 있다.

본 실시예에서 추가된 피동잔열제거계통(50)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

피동잔열제거계통(50)은 냉각재 상실 사고 시 노심이 정지된 후에도 노심으로부터 발생된 잔열을 제거하도록 구성된다.

사고 발생 시 급수관(1)에 설치된 급수밸브(2)가 닫히고, 증기방출관(4)에 설치된 증기방출밸브(5)가 닫힌다. 사고 시 하부 순환배관(55)에 설치된 순환밸브(57)가 개방된다.

원자로의 저압 및 고압 사고 시 고압안전주입 열교환기(60)는 피동잔열제거용 열교환기(52)로부터 제공받은 냉각수의 순환에 의해 압력평형배관(42)을 따라 흐르는 원자로냉각재의 열을 빼앗아 원자로냉각재를 냉각할 수 있다.

고압안전주입 열교환기(60)를 통과한 냉각수는 상부 순환배관(56)과 상부 연결배관(53)을 따라 흘러 피동잔열제거용 열교환기(52)에 의해 냉각된 후 하부 연결배관(54)과 하부 순환배관(55)을 따라 흘러서 고압안전주입 열교환기(60)로 순환된다.

피동잔열제거용 열교환기(52)는 냉각수저장부(51)에 수용된 냉각수에 의해 냉각되고, 상부 순환배관(56) 및 하부 순환배관(55)을 통해 고압안전주입 열교환기(60)와 연결되어, 순환하는 냉각수를 냉각시킬 수 있다.

기타 구성요소는 전술한 도 1의 실시예와 동일 내지 유사하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에서 냉각수저장부(51), 피동잔열제거용 열교환기(52) 및 고압안전주입 열교환기(60) 등은 본 발명의 피동안전주입장치(100)를 구비한 원자로에 선택적으로 적용할 수 있다.

전술한 제1 및 제2실시예에서는 분리형 원자로에 대하여 설명하였지만, 냉각수저장부(51), 피동잔열제거용 열교환기(52) 및 고압안전주입 열교환기(60) 등은 분리형 원자로 또는 일체형 원자로에 적용될 수도 있다.

1 : 급수관 2 : 급수밸브
3 : 급수계통 4 : 증기방출관
5 : 증기방출밸브 6 : 터빈계통
10 : 원자로용기 11 : 원자로노심
20 : 증기발생기 21 : 열교환관
22 : 고온관 23 : 원자로냉각재펌프
24 : 저온관 30 : 가압기
31 : 밀림관 100, 200 : 안전주입장치
40 : 안전주입탱크 41 : 안전주입배관
42 : 압력평형배관 43 : 체크밸브
44 : 압력평형밸브 50 : 피동잔열제거계통
51 : 냉각수저장부 52 : 피동잔열제거용 열교환기
53 : 상부연결배관 54 : 하부연결배관
55 : 하부 순환배관 56 : 상부 순환배관
57 : 순환밸브 58 : 체크밸브
60 : 고압안전주입 열교환기
61 : 제1열교환관 62 : 제2열교환관

Claims (14)

1. 내부에 원자로냉각재가 수용되는 원자로용기;
   상기 원자로용기의 외부에 배치되고, 상기 원자로냉각재로부터 발생된 열을 이용하여 증기를 발생시키는 증기발생기;
   상기 원자로용기와 상기 증기발생기의 일측에 연결되고, 상기 원자로용기에서 상기 증기발생기로 상기 원자로냉각재를 공급하는 고온관;
   밀림관을 통해 상기 고온관과 연결되고, 상기 원자로냉각재의 압력을 조절하는 가압기;
   상기 증기발생기의 타측과 상기 원자로용기에 연결되고, 상기 증기발생기에서 열교환된 상기 원자로냉각재를 상기 원자로용기로 회수하는 저온관; 및
   상기 원자로용기 내부의 압력이 기설정된 압력 이하로 하강 시 상기 원자로용기 내부로 원자로냉각재를 주입하는 안전주입장치를 포함하고,
   상기 안전주입장치는,
   내부에 원자로냉각재를 수용하고, 원자로용기에 비해 상방향으로 높게 배치되는 안전주입탱크;
   일측은 상기 안전주입탱크의 하부에 연통되게 연결되고, 타측은 상기 원자로용기의 내부와 연통되게 연결되어, 사고 시 상기 안전주입탱크의 내부에 수용된 원자로냉각재를 상기 원자로용기의 내부로 주입하는 안전주입배관;
   일측은 원자로용기의 상부에 연통되게 연결되고, 타측은 상기 안전주입탱크의 상부와 연통되게 연결되는 압력평형배관; 및
   상기 원자로용기의 내부에 설치되는 노심의 정지시 상기 노심의 잔열을 제거하는 피동잔열제거계통을 포함하고,
   상기 피동잔열제거계통은,
   상기 원자로용기의 외부에 배치되는 냉각수저장부;
   상기 냉각수저장부 내부의 냉각수에 침지되게 수용되고, 상기 원자로용기의 외부에 배치되어 상기 원자로용기에 수용된 원자로냉각재로부터 발생된 열을 이용하여 증기를 발생시키는 증기발생기에서 발생된 증기를 응축하는 피동잔열제거용 열교환기; 및
   상기 압력평형배관에 구비되고, 상기 피동잔열제거용 열교환기로부터 제공받은 응축수와 상기 원자로용기로부터 배출된 원자로냉각재를 열교환시키는 고압안전주입 열교환기를 포함하는 원자로.
2. 제1항에 있어서,
   상기 안전주입배관에 설치되는 체크밸브; 및
   상기 압력평형배관에 설치되는 압력평형밸브를 더 포함하고,
   상기 압력평형배관은 상기 압력평형밸브의 동작에 따라 선택적으로 개폐되는 것을 특징으로 하는 원자로.
3. 제2항에 있어서,
   상기 안전주입탱크의 상부공간에 비응축성 가스가 충전되어, 상기 안전주입탱크에 수용된 원자로냉각재를 가압하는 것을 특징으로 하는 원자로.
4. 제3항에 있어서,
   상기 압력평형밸브는 상기 원자로용기의 내부 압력이 상기 비응축성 가스의 압력보다 높은 경우에 개방되고, 상기 비응축성 가스의 압력보다 낮은 경우에 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 원자로.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 고압안전주입 열교환기는 냉각수에 의해 냉각하는 수냉식 열교환기인 것을 특징으로 하는 원자로.
7. 제6항에 있어서,
   상기 고압안전주입 열교환기는 핀 앤 튜브형, 판형 및 인쇄기판형 열교환기 중 하나의 열교환기인 것을 특징으로 하는 원자로.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 제1항에 있어서,
    상기 피동잔열제거계통은
    일측은 상기 증기발생기로부터 증기를 방출하기 위한 증기방출관과 연결되고, 타측은 상기 피동잔열제거용 열교환기와 연결되어, 상기 증기를 상기 피동잔열제거용 열교환기에 공급하는 상부연결배관; 및
    일측은 상기 피동잔열제거용 열교환기와 연결되고, 타측은 상기 증기발생기로 냉각수를 공급하는 급수관과 연결되어, 상기 증기발생기에서 열교환된 응축수를 상기 증기발생기로 회수하는 하부연결배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로.
12. 제11항에 있어서,
    상기 피동잔열제거계통은,
    일측은 상기 고압안전주입 열교환기와 연결되고, 타측은 상기 상부연결배관과 연결되어, 상기 고압안전주입 열교환기를 통과한 냉각수의 증기를 상기 피동잔열제거용 열교환기로 순환시키는 상부 순환배관; 및
    일측은 상기 하부연결배관과 연결되고, 타측은 상기 고압안전주입 열교환기와 연결되어, 상기 피동잔열제거용 열교환기를 통과한 응축수를 상기 고압안전주입 열교환기로 재공급하는 하부 순환배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로.
13. 제12항에 있어서,
    상기 피동잔열제거계통은,
    상기 상부 순환배관에 설치되어, 상기 냉각수의 증기가 역류하는 것을 방지하는 체크밸브; 및
    상기 하부 순환배관에 개폐 가능하게 설치되어, 상기 응축수를 상기 고압안전주입 열교환기 및 상기 증기발생기 중 하나에 선택적으로 순환시키는 순환밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로.
14. 제1항에 있어서,
    상기 고압안전주입 열교환기는,
    상기 압력평형배관과 연결되어, 상기 원자로냉각재가 내부에 흐르는 제1열교환관; 및
    상기 피동잔열제거용 열교환기와 연결되어, 상기 피동잔열제거용 열교환기에서 응축된 응축수가 흐르는 제2열교환관을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로.

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