KR101447029B1 - 다단 안전주입 장치 및 이를 구비하는 피동안전주입계통 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원자로용기에 다단으로 냉각수를 주입하도록, 원자로용기의 압력 또는 수위가 저하되는 사고 발생시 중력 수두에 의해 상기 원자로용기로 주입될 냉각수를 수용하도록 형성되는 안전주입탱크, 상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크의 압력평형을 형성하도록 상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크에 연결되는 압력평형배관, 상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크의 압력평형시 상기 원자로용기로 냉각수를 주입시키도록 상기 안전주입탱크의 하단과 상기 원자로용기에 연결되는 안전주입배관, 및 상기 안전주입배관과 연결되어 상기 안전주입배관과 통하도록 상기 안전주입배관으로부터 상기 안전주입탱크의 내부로 연장되어 형성되며 상기 안전주입탱크의 수위 저하에 따라 상기 원자로용기로 주입되는 냉각수의 유량을 단계적으로 감소시키도록 기설정된 높이들에 각각 냉각수가 유입되는 안전주입구를 구비하는 유량조절관을 포함하는 다단 안전주입 장치 및 이를 구비하는 피동안전주입계통을 개시한다.

Description

다단 안전주입 장치 및 이를 구비하는 피동안전주입계통{MULTI-STAGE SAFETY INJECTION DEVICE AND PASSIVE SAFETY INJECTION SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 원자로의 사고 발생시 원자로용기에 단계적으로 냉각수를 주입할 수 있는 유량조절관을 이용한 다단 안전주입 장치 및 이를 구비하는 피동안전주입계통에 관한 것이다.
원자로는 안전계통의 구성방식 또는 주요기기의 설치위치에 따라 구분할 수 있다. 안전계통의 구성방식에 따라 ⅰ) 펌프와 같은 능동력을 사용하는 능동형 원자로와, ⅱ) 중력 또는 가스압력 등의 피동력을 사용하는 피동형 원자로로 구분할 수 있고, 주요기기(증기발생기, 가압기, 펌프 임펠러) 등의 설치위치에 따라 ⅰ) 주요기기가 원자로용기 외부에 설치되는 분리형 원자로와, ⅱ) 주요기기가 원자로용기 내부에 설치되는 일체형 원자로로 나눌 수 있다.
원자로에서 사고가 발생하는 경우 원자로용기로 비상냉각수를 공급하기 위해 다양한 형태의 피동형 탱크가 이용되고 있다. ⅰ) 국내외 상용 분리형 가압경수로에서는 대형배관이 파단되어 다량의 냉각수가 누출되는 대형 냉각재 상실 사고시 원자로로 신속히 냉각수를 공급하기 위한 질소 가압식 안전주입탱크(축압기)가 이용되고, ⅱ) 미국 웨스팅하우스(사)의 피동 분리형 가압 경수로 AP600, AP1000 등에서는 질소 가압식 안전주입탱크 외에 원자로와 탱크가 압력평형을 이룬 후 중력 수두를 이용하는 노심보충탱크가 이용되고 있다.
일체형 원자로는 상용 분리형 가압경수로와 달리 펌프 등의 주요기기들이 원자로용기의 내부에 설치되므로, 상기 주요기기들을 연결하기 위한 대형배관이 없다. 따라서 일체형 원자로는 화학 및 체적제어계통, 안전주입계통, 정지냉각계통, 안전밸브 등의 원자로용기와 연결되는 배관이 상대적으로 소형이라는 특성이 있다. 이러한 특성으로 인해 일체형 원자로에서는 상용 분리형 가압경수로에서와 같이 대형배관이 파단되는 대형 냉각재 상실 사고가 근원적으로 발생하지 않는다.
또한, 일체형 원자로(SMART 원자로:국내, mPower:B&W사, NuScale:NuScale사, WEC-SMR:웨스팅하우스사 등)는 주요기기가 원자로용기의 내부에 수용되므로, 원자로용기의 내부에는 많은 양의 냉각수가 존재한다. 이에 따라 일체형 원자로에서 배관파단에 의한 냉각재 상실 사고 등의 사고가 발생하는 경우 원자로용기 내부의 압력과 수위는 분리형 원자로에 비해 비교적 완만하게 감소하는 특성을 가지고 있다.
원자로의 피동안전계통(passive safety system)은 사고가 발생하는 경우 원자로에서 요구하는 시간(현재 요건 72시간) 이상 동안 운전원 조치나 비상 디젤 발전기와 같은 안전등급의 교류(AC) 전원이 없이도 계통에 내장되어 있는 자연력만으로도 원자로를 안전하게 유지하는 계통을 말한다.
일반적으로 일체형 원자로는 ⅰ) 원자로 수위가 상대적으로 빠르게 감소하는 냉각재 상실 사고 초기에는 비교적 많은 유량(고유량, 高流量)의 냉각수 안전주입이 요구되고, ⅱ) 원자로의 압력이 높아 원자로로부터 냉각수 방출유량이 비교적 많은 사고 초중반에는 중간 정도의 유량(중유량, 中流量)의 냉각수 안전주입이 요구되며, ⅲ) 원자로의 압력이 감소하여 냉각수의 방출유량이 크게 감소하는 사고 중후반에는 상대적으로 적은 유량(저유량, 低流量)의 안전주입이 요구된다. 단, 일체형 원자로의 고유량은 상용 분리형 원자로에서 요구하는 유량에 비해서는 매우 작은 양이다.
일체형 원자로와 절대량은 크게 차이가 있으나, 종래의 분리형 원자로도 사고 초기 많은 유량을 신속하게 공급해야 하는 경우부터 적은 유량을 지속적으로 공급해야 하는 경우까지 다양한 안전주입특성이 요구된다. 종래의 질소 가압식 안전주입탱크는 일반적으로 원자로용기 내부의 압력이 급격히 감소하는 경우 고유량의 냉각수를 신속하게 안전주입하도록 설계되어 주로 대형 냉각재 상실 사고에 대비하기 위한 설비로 활용된다. 또한, 종래의 노심보충탱크는 원자로용기와 노심보충탱크가 압력평형을 이룬 후 중력 수두에 의해 하나의 주입특성을 갖고 안전주입이 이루어지도록 설계되어 주로 비냉각재상실사고가 발생하는 경우 비교적 고압에서 비상붕산수를 주입하는 목적으로 이용되고 있다. 이와 같이 하나의 탱크로 다양한 안전주입 특성을 맞출 수 없으므로, 사고시 원자로의 안전주입 요구 특성을 충족시키기 위해 다양한 형태의 계통을 복합적으로 이용하고 있다.
이를테면, ⅰ) 피동형 가압경수로 AP600과 AP1000 등의 피동안전주입계통은 압력평형식 노심보충탱크(고압에서의 안전주입), 가압식 안전주입탱크(중압에서의 안전주입) 및 격납용기내 재장전수조(저압에서의 안전주입) 등을 복합적으로 이용하고, ⅱ) 능동형 가압경수로에서는 가압식 안전주입탱크(중압에서의 안전주입), 고압안전주입펌프, 저압안전주입펌프 등을 복합적으로 이용하고 있다.
따라서, 복잡한 형태로 구성되어야 하는 안전주입설비를 원자로의 안전주입 요구 특성에 맞추어 단순화하고, 효율적으로 냉각수를 주입할 수 있는 장치를 개발할 필요가 있다.
기타 발명의 배경이 되는 기술은 하기의 선행 특허문헌들을 참조한다.
특허문헌1 : 일본 특허공보 특허 제2977234호 (1999. 11. 15.)
특허문헌2 : 등록특허공보 제10-0934024호 (2009. 12. 28.)
특허문헌3 : 공개특허공보 제10-2005-0119247호 (2005. 12. 21.)
특허문헌4 : 등록특허공보 제10-0369247호 (2003. 01. 10.)
특허문헌5 : 공개특허공보 특2001-0076568호 (2001. 08. 16.)
본 발명의 일 목적은 복잡한 형태로 구성되던 안전주입설비를 단순화하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 사고 발생시 원자로의 안전주입 요구 특성에 따라 냉각수 주입 유량이 변화되는 안전주입설비를 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 다단 안전주입 장치는, 원자로용기의 압력 또는 수위가 저하되는 사고 발생시 중력 수두에 의해 상기 원자로용기로 주입될 냉각수를 수용하도록 형성되는 안전주입탱크, 상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크의 압력평형을 형성하도록 상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크에 연결되는 압력평형배관, 상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크의 압력평형시 상기 원자로용기로 냉각수를 주입시키도록 상기 안전주입탱크의 하단과 상기 원자로용기에 연결되는 안전주입배관, 및 상기 안전주입배관과 연결되어 상기 안전주입배관과 통하도록 상기 안전주입배관으로부터 상기 안전주입탱크의 내부로 연장되어 형성되며 상기 안전주입탱크의 수위 저하에 따라 상기 원자로용기로 주입되는 냉각수의 유량을 단계적으로 감소시키도록 기설정된 높이들에 각각 냉각수가 유입되는 안전주입구를 구비하는 유량조절관을 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 안전주입구들은 상기 안전주입탱크의 수위 저하에 따라 상기 유량조절관과 상기 안전주입배관을 통해 상기 원자로용기로 주입되는 냉각수의 유량을 단계적으로 감소시키도록 기설정된 유로저항을 형성한다.
이는 한 개의 안전주입구로 냉각수가 주입되는 경우보다 두 개의 안전주입구가 합쳐져 안전주입이 이루어지는 경우에 합쳐진 총유로의 유로저항이 하나인 경우보다 작아지고, 두 개보다 세 개의 안전주입구가 합쳐지는 경우에 총유로 저항이 작아지는 원리를 이용한 것이다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 안전주입구는, 상기 안전주입탱크의 내부에 수용된 냉각수가 모두 상기 원자로용기에 주입될 때까지 지속적으로 냉각수에 주입 유로를 제공하도록 상기 유량조절관의 하단부에 형성되는 제1안전주입구, 및 상기 안전주입탱크의 수위가 기설정된 수위보다 낮아질 때까지만 냉각수에 주입 유로를 제공하도록 상기 제1안전주입구로부터 기설정된 높이만큼 높은 위치에 형성되는 적어도 하나의 제2안전주입구를 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 피동안전주입계통은, 상기 유량조절관의 내부 유로 중 상기 안전주입구들과 인접한 위치에 각각 설치되는 복수의 오리피스를 더 포함하고, 상기 오리피스들은, 임의의 안전주입구를 통해 상기 유량조절관의 내부로 유입되는 냉각수의 유량을 다른 안전주입구를 통해 상기 유량조절관의 내부로 유입되는 냉각수와 합류하기 전에 조절하도록 각 안전주입구의 안쪽 유로에 각각 기설정된 유로저항을 형성한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 압력평형배관에 설치되어 정상운전시 상기 원자로용기로부터 상기 안전주입탱크로의 증기 유입을 차단하고, 사고 발생시 상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크 사이의 압력 평형 및 중력 수두에 의한 냉각수 주입이 이루어지도록 원자로의 사고시 발생하는 제어신호에 의해 개방되는 격리밸브를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 안전주입배관에 설치되어 정상운전시 상기 원자로용기와 압력평형 상태인 상기 안전주입탱크로부터 상기 원자로용기로의 냉각수 유입을 차단하고, 사고 발생시 상기 안전주입탱크에서 상기 원자로용기로 냉각수 주입이 이루어지도록 원자로의 사고시 발생하는 제어신호에 의해 개방되는 격리밸브를 더 포함한다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 다단 안전주입 장치를 구비하는 피동안전주입계통을 개시한다. 피동안전주입계통은, 원자로용기와 압력평형 상태를 유지하고 상기 원자로용기의 압력 또는 수위가 저하되는 사고 발생시 상기 원자로용기로 냉각수를 주입하도록 상기 원자로용기와 연결되는 노심보충탱크, 및 상기 노심보충탱크에 이어 상기 노심보충탱크보다 낮은 압력에서 상기 원자로용기에 단계적으로 냉각수를 주입하는 다단 안전주입 장치를 포함하고, 상기 다단 안전주입 장치는, 원자로용기의 압력 또는 수위가 저하되는 사고 발생시 중력 수두에 의해 상기 원자로용기로 주입될 냉각수를 수용하도록 형성되는 안전주입탱크, 상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크의 압력평형을 형성하도록 상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크에 연결되는 압력평형배관, 상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크의 압력평형시 상기 원자로용기로 냉각수를 주입시키도록 상기 안전주입탱크의 하단과 상기 원자로용기에 연결되는 안전주입배관, 및 상기 안전주입배관으로부터 상기 안전주입탱크의 내부로 연장되어 형성되며 상기 안전주입탱크의 수위 저하에 따라 상기 원자로용기로 주입되는 냉각수의 유량을 단계적으로 감소시키도록 기설정된 높이들에 각각 적어도 하나의 안전주입구를 구비하는 유량조절관을 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 압력평형배관에 설치되어 정상운전시 상기 원자로용기로부터 상기 안전주입탱크로의 증기 유입을 차단하고, 사고 발생시 상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크 사이의 압력 평형 및 중력 수두에 의한 냉각수 주입이 이루어지도록 원자로의 사고시 발생하는 제어신호에 의해 개방되는 격리밸브를 더 포함한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 원자로의 안전주입 요구 특성으로 인해 여러 안전주입설비들이 복합적으로 이용되던 것을 단일 설비로 단순화할 수 있다.
또한 본 발명은, 냉각수 주입이 시작된 후 안전주입탱크의 수위 저하에 따라 원자로용기로 주입되는 냉각수의 유량이 단계적으로 감소되므로, 단일 설비로도 원자로의 사고 발생 후 시간이 지남에 따라 변화되는 원자로의 안전주입 요구 특성에 맞추어 냉각수를 주입할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 다단 안전주입 장치의 개념도.
도 2는 도 1에 도시된 다단 안전주입 장치가 설치된 일체형 원자로의 정상운전 상태를 나타내는 개념도.
도 3은 도 2에 도시된 일체형 원자로의 냉각재 상실 사고 발생시 안전설비의 작동을 나타내는 개념도.
도 4는 도 1에 도시된 다단 안전주입 장치의 냉각재 상실 사고 발생시 운전 상태(압력평형 단계)를 나타내는 개념도.
도 5는 도 4에 이은 다단 안전주입 장치의 냉각수 주입 단계(중유량 주입단계)를 나타내는 개념도.
도 6은 도 5에 이은 다단 안전주입 장치의 냉각수 주입 단계(저유량 주입단계)를 나타내는 개념도.
도 7은 도 1 내지 도 6에서 설명한 다단 안전주입 장치 및 노심보충탱크의 시간별 냉각수 주입 유량을 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 관련된 다단 안전주입 장치의 개념도.
도 9는 도 8에 도시된 다단 안전주입 장치가 설치된 일체형 원자로의 정상운전 상태를 나타내는 개념도.
도 10은 도 9에 도시된 일체형 원자로의 냉각재 상실 사고 발생시 안전설비의 작동을 나타내는 개념도.
도 11은 도 8에 도시된 다단 안전주입 장치의 냉각재 상실 사고 발생시 운전 상태(압력평형 단계)를 나타내는 개념도.
도 12는 도 11에 이은 다단 안전주입 장치의 냉각수 주입 단계(고유량 주입단계)를 나타내는 개념도.
도 13은 도 12에 이은 다단 안전주입 장치의 냉각수 주입 단계(중유량 주입단계)를 나타내는 개념도.
도 14는 도 13에 이은 다단 안전주입 장치의 냉각수 주입 단계(저유량 주입 단계)를 나타내는 개념도.
도 15는 도 8 내지 도 14에서 설명한 다단 안전주입 장치의 시간별 냉각수 주입 유량을 나타내는 그래프.
이하, 본 발명에 관련된 다단 안전주입 장치 및 이를 구비하는 피동안전주입계통에 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 1 내지 도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 관련된 다단 안전주입 장치에 대하여 설명하고, 도 8 내지 도 15에서는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 다단 안전주입 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 다단 안전주입 장치(100)의 개념도이다.
다단 안전주입 장치(100)는 원자로용기(12)와 연결되어 배관파단에 의한 냉각재 상실 사고 등이 발생하는 경우 피동력을 이용하여 상기 원자로용기(12)에 냉각수를 주입하도록 형성된다. 그러나, 원자로는 사고 후 시간 경과에 따라 요구되는 냉각수의 주입 유량이 일정하지 않을 수 있으므로, 다단 안전주입 장치(100)는 시간 경과에 따라 주입되는 냉각수의 유량이 변환될 수 있도록 설계된다.
다단 안전주입 장치(100)는 안전주입탱크(110), 압력평형배관(120) 및 안전주입배관(130), 및 유량조절관(140)을 포함한다.
안전주입탱크(110)는 내부에 냉각수를 수용하도록 형성된다. 안전주입탱크(110)의 내부에 저장되는 냉각수는 원자로용기(12)의 압력 또는 수위가 저하되는 냉각재 상실 사고 등이 발생하면 중력 수두에 의해 안전주입탱크(110)로부터 원자로용기(12)로 주입된다. 중력 수두(gravitational head of water)란 중력장에서 위치에 의하여 결정되는 수두로, 원자로용기(12)보다 높은 위치에 배치되는 안전주입탱크(110)에 의하여 형성되는 에너지이다. 따라서 안전주입탱크(110)로부터 원자로용기(12)로의 냉각수 주입은 피동력(passive energy)인 중력 수두에 의해 이루어지며, 외부에서 별도의 에너지가 공급되지 않는다. 안전주입탱크(110)의 내부에 냉각수를 제외한 공간은 가스(일반적으로 질소가스를 사용)로 채워진다.
압력평형배관(원자로 압력평형관, 120)은 원자로용기(12)와 안전주입탱크(110)의 압력평형을 형성하도록 상기 원자로용기(12)와 안전주입탱크(110)에 연결된다. 압력평형배관(120)이 개방되면 상대적으로 고압인 원자로용기(12)로부터 안전주입탱크(110)로 유체(냉각수, 증기, 이상유체 등)가 이동하고 원자로용기(12)와 안전주입탱크(110)는 서로 압력평형을 이루게 된다. 안전주입탱크(110)로부터 원자로용기(12)로의 냉각수 주입은 중력 수두에 의해 이루어지므로, 냉각수의 주입을 위해서는 먼저 안전주입탱크(110)와 원자로용기(12) 사이에 압력평형이 형성되어야 한다. 압력평형배관(120)에는 원자로용기(12)로부터 안전주입탱크(110)로 유입되는 유체의 유량을 조절하기 위해 오리피스(미도시)가 설치될 수 있다.
격리밸브(121)는 압력평형배관(120)에 설치될 수 있다. 압력평형배관(120)에 설치된 격리밸브(121)는 정상운전시 폐쇄된 상태이며 상대적으로 고압인 원자로용기(12)로부터 안전주입탱크(110)로 유체가 유입되는 것을 차단한다. 따라서 정상운전시 원자로용기(12)와 안전주입탱크(110)는 격리밸브(121)에 의하여 격리된 상태를 유지하고, 압력 또한 평형 상태가 아니다.
격리밸브(121)는 원자로의 사고 발생시 원자로용기(12)의 압력 또는 수위 저하 등으로부터 발생하는 관련계통의 제어신호에 의해 개방된다. 원자로용기(12)로부터 안전주입탱크(110)로 유체가 유입되어 원자로용기(12)와 안전주입탱크(110) 사이에 압력평형을 형성하게 되면 안전주입탱크(110)로부터 중력 수두에 의한 냉각수 주입이 시작된다.
격리밸브(121)가 단수로 설치될 경우 격리밸브(121)의 고장으로 인해 다단 안전주입 장치(100) 전체가 작동되지 않을 우려가 있으므로, 도시한 바와 같이 서로 독립적으로 작동하는 복수의 가지배관(122)에 격리밸브(121)가 각각 복수로 설치될 수 있다. 또한, 압력평형배관(120)에 설치된 격리밸브(121)는 원자로용기(12)의 압력 또는 온도 변화 등으로부터 발생하는 제어신호에 의해 개방되므로, 비상교류(AC)전원 상실에 대비하여 축전기(battery) 등에 의한 전력 백업을 받도록 설계될 수 있다.
격리밸브(121)가 압력평형배관(120)에 설치되는 경우, 격리밸브(121)가 개방되지 않는 한 원자로용기(12)와 안전주입탱크(110) 사이에 압력이 평형을 이루지 못하고, 원자로용기(12)의 압력이 안전주입탱크(110)의 압력보다 높아 체크밸브(131)가 폐쇄된 상태로 유지되므로, 안전주입배관에 별도의 격리밸브(미도시)가 설치되지 않더라도 냉각수가 안전주입탱크(110)로부터 원자로용기(12)로 주입되지 않는다.
안전주입배관(130)은 안전주입탱크(110) 내부의 냉각수를 원자로용기(12)로 주입시키도록 안전주입탱크(110)와 원자로용기(12)에 연결된다. 압력평형배관(120)에 의해 원자로용기(12)와 안전주입탱크(110) 사이의 압력이 평형을 이루면 안전주입탱크(110)의 내부에 수용되어 있던 냉각수는 안전주입배관(130)을 통해 원자로용기(12)로 주입된다.
유량조절관(140)은 안전주입배관(130)과 연결되어 상기 안전주입배관(130)과 통하도록 상기 안전주입배관(130)으로부터 안전주입탱크(110)의 내부로 연장되어 형성된다. 유량조절관(140)은 원자로용기(12)로 주입되는 냉각수에 주입 유로를 제공한다. 도시한 바와 같이 유량조절관(140)은 안전주입탱크(110)의 내부에 수직으로 설치될 수 있으나, 유량조절관(140)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니다.
유량조절관(140)은 안전주입탱크(110)의 수위 저하에 따라 원자로용기(12)로 주입되는 냉각수의 유량을 단계적으로 감소시키도록 기설정된 높이들에 각각 냉각수가 유입되는 안전주입구(141)를 구비한다. 냉각수는 안전주입구(141)를 통해 유량조절관(140)의 내부로 유입되고, 유량조절관(140)과 연결된 안전주입배관(130)을 지나 원자로용기(12)에 주입된다(이하 본 명세서에서 문맥상 명백하게 다르지 않는 한 안전주입구(141)를 통한 냉각수 주입 또는 안전주입구(141)를 통한 안전주입이란, 안전주입탱크(110) 내부의 냉각수가 안전주입구(141)를 통해 유량조절관(140)으로 유입되고 이어서 안전주입배관(130)을 지나 원자로용기(12)로 주입되는 것을 말한다).
안전주입구(141)는 제1안전주입구(141a) 및 제2안전주입구(141b)를 포함한다. 제1안전주입구(141a)는 안전주입탱크(12)의 내부에 수용된 냉각수가 모두 원자로용기(12)로 주입될 때까지 지속적으로 냉각수에 주입 유로를 제공하도록 유량조절관(140)의 하단부에 형성된다. 제2안전주입구(141b)는 안전주입탱크(110)의 수위가 기설정된 수위(141b')보다 낮아질 때까지만 냉각수에 주입 유로를 제공하도록 상기 제1안전주입구(141a)로부터 기설정된 높이만큼 높은 위치(141b')에 형성된다. 안전주입구(141)들의 수와 유로저항의 크기 및 각 안전주입구(141)들간의 높이차는 원자로의 냉각수 안전주입 요구 특성에 따라 달라질 수 있다.
제2안전주입구(141b)를 통해 유량조절관(140)으로 유입된 냉각수는 유량조절관(140)의 하단부로 이동하면서 제1안전주입구(141a)를 통해 유량조절관(140)을 유입된 냉각수와 합류한다. 합류된 냉각수는 안전주입배관(130)을 지나 원자로용기(12)로 주입된다.
안전주입탱크(110)에서 원자로용기(12)로 냉각수의 주입이 시작되면, 처음에는 제1안전주입구(141a)와 제2안전주입구(141b)를 통해 유량조절관(140)의 내부로 냉각수가 유입되어 냉각수의 주입이 이루어지나, 냉각수 수위가 제2안전주입구(141b)의 높이(141b')보다 낮아지면 더 이상 제2안전주입구(141b)로는 냉각수가 유입되지 않는다. 이에 따라 원자로용기(12)로 주입되는 냉각수는 제1안전주입구(141a)를 통해서만 유량조절관(140)의 내부로 유입되고, 이어서 안전주입배관(130)을 통해 원자로용기(12)로 주입된다. 안전주입탱크(110)의 수위가 제2안전주입구(141b)의 높이보다 낮아지면, 제2안전주입구(141b)를 통해 유입되어 원자로용기(12)로 주입되던 냉각수의 유량만큼 원자로용기(12)로 주입되는 전체 냉각수의 유량이 감소된다. 제1안전주입구(141a) 하나만으로 안전주입이 이루어질 때 유량이 감소하는 것은 유량조절관(140)과 안전주입배관(130)의 총유로저항이 증가하면서 나타나는 현상이다.
제1안전주입구(141a)와 제2안전주입구(141b)를 통해 냉각수가 유입되는 경우에도 안전주입탱크(110) 내부의 수위가 감소함에 따라 수두차가 감소하므로 원자로용기(12)로 주입되는 냉각수의 유량은 시간이 지남에 따라 어느 정도 감소한다. 마찬가지로 제1안전주입구(141a)를 통해서만 냉각수가 유입되는 경우에도 안전주입탱크(110)의 수위 감소에 따라 점점 냉각수의 주입 유량이 감소한다. 다만, 제1안전주입구(141a)를 통해서만 냉각수가 유입되는 경우의 주입 유량 감소 속도는, 제1안전주입구(141a)와 제2안전주입구(141b)를 통해 냉각수가 유입되는 경우의 주입 유량 감소 속도보다 완만하다. 이는 전자의 경우가 후자의 경우보다 냉각수의 주입유량 자체가 작기 때문이다.
안전주입탱크(110)의 수위 저하에 의해 제2안전주입구(141b)를 통해 더 이상 냉각수의 유입 및 이를 통한 안전주입이 이루어지지 않는 순간, 원자로용기(12)로 주입되는 냉각수의 유량은 순간적으로 크게 감소한다. 이것은 단순히 수두차의 감소뿐만 아니라 냉각수의 주입 유로 하나가 없어지기 때문이다.
체크밸브(131)는 안전주입배관(130)에 설치될 수 있다. 체크밸브(131)는 원자로의 정상 운전시 상대적으로 고압인 원자로용기(12)로부터 안전주입탱크(110)로 냉각수가 역류하는 것을 차단하는 장치이다. 체크밸브(131)는 원자로의 사고 발생에 의해 안전주입탱크(110)로부터 원자로용기(12)로 냉각수가 주입되는 경우 중력 수두에 의해 개방된다.
안전주입탱크(110)의 설계압력은 원자로용기(12)와 평형을 이루는 압력에 의해 결정된다. 격리밸브(121)가 압력평형배관(120)에 설치되고 체크밸브(131)가 안전주입배관(130)에 설치되는 경우, 사고시 격리밸브(121)가 개방되기 전까지는 원자로용기(12)와 안전주입탱크(110) 사이의 압력이 평형을 형성하지 않으므로, 안전주입탱크(110)의 설계압력은 원자로용기(12)의 압력보다 낮게 설계될 수 있다.
상기 유량조절관(140)의 내부 유로 중 각각의 상기 안전주입구(141a, 141b)와 인접한 위치에 냉각수의 유량을 조절하는 오리피스가 설치될 수 있다. 오리피스는 임의의 안전주입구(141a, 141b)를 통과한 냉각수의 유량을 다른 안전주입구(141b, 141a)를 통과한 냉각수와 합류하기 전에 조절한다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 오리피스는 제2안전주입구(141b)와 인접하게 유량조절관(140)의 내부 유로에 설치될 수 있다. 이 경우, 제2안전주입구(141b)를 통해 유량조절관(140)으로 유입되는 냉각수는 제1안전주입구(141a)를 통해 유량조절관(140)으로 유입되는 냉각수와 합류하기 전에 그 유량이 조절될 수 있다. 또 다른 예를 들어, 도 2를 참조하면, 제1안전주입구(141a)는 유량조절관(140)의 일부 돌출된 배관(유량조절관의 일부임)에 형성되므로, 상기 일부 돌출된 배관의 내부에 오리피스가 설치되면 제1안전주입구(141a)를 통해 유량조절관(140)의 내부로 유입되는 냉각수는 제2안전주입구(141b)를 통해 유량조절관(140)의 내부로 유입되는 냉각수와 합류 전에 그 유량이 조절될 수 있다. 오리피스는 원자로의 요구 특성에 맞추어 단계적으로 적절한 냉각수의 주입이 이루어지도록 각각의 안전주입구(141a, 141b)를 통해 유입되는 냉각수에 대한 적절한 유로저항을 형성한다.
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도시한 바와 같이 제1안전주입구(141a)보다 제2안전주입구(141b)가 높은 위치에 형성되면, 제1안전주입구(141a)로만 냉각수가 유입될 때보다 제1안전주입구(141a)와 제2안전주입구(141b)를 통해 동시에 유입될 때 오리피스(미도시)가 상대적으로 더 작은 총유로저항을 형성하므로 원자로의 요구 특성에 맞추어 상대적으로 더 많은 유량을 형성하여 안전주입배관(130)으로 흘러 갈 수 있도록 이루어진다.
따라서, 제1안전주입구(141a)만을 통해 냉각수가 유로조절관(140)으로 유입되어 안전주입이 이루어지는 경우의 냉각수 유량은, 제1안전주입구(141a)와 제2안전주입구(141b)를 통해 냉각수가 유입되어 동시에 안전주입이 이루어지는 경우의 유량보다 더 작다. 냉각수의 주입 유량이 이와 같이 설정되는 이유는 상대적으로 적은 유량의 안전주입이 이루어지는 경우의 주입 시간을 늘려서 장시간(피동안전주입계통의 경우 약 72시간 이상) 안전주입이 이루어지도록 하기 위한 것이다.
안전주입구들(141a, 141b)은 서로 높이차를 형성하며 유량조절관(140)에 연결되므로, 안전주입탱크(110) 내부의 수위가 저하되면(141b' 이하) 높은 위치에 형성된 제2안전주입구(141b)를 통해서는 더 이상 냉각수가 유입되지 않게 된다. 이에 따라 다단 안전주입 장치(100)는 안전주입탱크(110)로부터 원자로용기(12)로의 안전주입이, 제1안전주입구(141a)와 제2안전주입구(141b)에 의한 1단과 제1안전주입구(141a)만에 의한 2단으로 형성된 다단으로 이루어질 수 있다. 또한, 원자로에서 요구되는 안전주입 요구 특성에 맞추어 안전주입탱크(110)의 크기, 안전주입구(141)의 높이, 오리피스의 유로저항을 설정함으로써 원자로에서 요구하는 장시간 동안 지속적이며 연속적으로 냉각수를 주입할 수 있다.
종래의 복합적으로 구성되던 안전주입설비들은 안전주입 유량의 전환이 이루어지는 과정에서 안전주입탱크별로 압력평형을 이루기 위한 시간의 지연 또는 중첩의 문제가 있었으나, 본 발명에서 제시한 다단 안전주입 장치(100)는, 안전주입탱크(110)가 원자로용기(12)와 압력평형을 이룬 상태에서는 연속적으로 냉각수의 유량 전환이 이루어지므로 안전주입탱크(110)의 작동이 시작된 이후의 유량전환 시에는 시간의 지연 또는 중첩의 문제가 발생하지 않는다. 또한 다단 안전주입 장치(100)는 피동형 안전주입계통이므로 능동형 안전주입계통보다 신뢰성 및 안전성이 향상된다.
이하에서는 도 2 내지 도 6을 참고하여 일체형 원자로에 설치되는 다단 안전주입 장치 및 기타 계통배열의 정상 운전시 및 사고 발생시의 작동에 대하여 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 다단 안전주입 장치(100)가 설치된 일체형 원자로(10)의 정상운전 상태를 나타내는 개념도이다.
일체형 원자로(10)는 원자로건물(격납용기, 11)의 내부에 원자로용기(12)가 배치된다. 일체형 원자로(10)는 앞서 설명했던 바와 같이 원자로냉각재펌프(12a), 가압기(12b), 증기발생기(12c) 등의 주요기기가 원자로용기(12)의 내부에 설치된다.
원자로건물(11) 외부의 급수계통(13)에서 급수관(13a)을 통해 증기발생기(12c)로 급수를 공급하고, 급수는 노심(12d)에서 일어나는 핵분열로부터 에너지를 공급받아 고온 및 고압의 증기가 되어 증기관(14a)을 통해 원자로건물(11) 외부의 터빈계통(14)으로 이동된다. 정상운전시 급수관(13a)과 증기관(14a)에 설치된 격리밸브(13b, 14b)는 개방된 상태이다.
피동잔열제거계통(15)은 원자로건물(11) 외부에 설치되고, 사고 발생시 원자로용기(12)로부터 열을 제거하도록 증기관(14a) 및 급수관(13a)과 연결된다. 그러나, 일체형 원자로(10)의 정상운전시 격리밸브(15a)는 닫혀 있는 상태로 유지된다.
자동감압계통(16)은 원자로건물(11) 내부에 설치되고, 사고 발생시 원자로용기(12)의 압력을 낮추도록 원자로용기(12)와 연결된다. 그러나 자동감압계통(16)도 피동잔열제거계통(15)과 마찬가지로 일체형 원자로(10)의 정상 운전시 밸브(16a)가 닫힌 상태로 유지된다.
피동안전주입계통(200)은 원자로건물(11) 내부에 설치되며, 사고 발생시 원자로용기(12)로 냉각수를 주입하도록 상기 원자로용기(12)와 연결된다. 피동안전주입계통(200)은 다단 안전주입 장치(100)와 노심보충탱크(210)를 포함하며, 일체형 원자로(10)의 정상 운전시에는 격리밸브들(121, 211)이 모두 닫혀 있는 상태로 유지된다.
일체형 원자로(10)의 정상 운전시 원자로건물 격리밸브(17)는 개방된 상태이며, 피동안전주입계통(200), 피동잔열제거계통(15), 자동감압계통(16)은 작동하지 않는다.
도 3은 도 2에 도시된 일체형 원자로(10)의 냉각재 상실 사고 발생시 안전설비의 작동을 나타내는 개념도이다.
냉각수가 방출되는 배관파단 등의 냉각재 상실 사고가 발생해 원자로용기(12)의 수위 및 압력이 감소하게 되면 원자로건물 격리밸브(17)는 닫히고, 관련계통의 제어신호에 의하여 급수관(13a)에 설치된 격리밸브(13b)와 증기관(14a)에 설치된 격리밸브(14b)도 닫혀 급수계통(13)과 터빈계통(14)의 작동이 정지된다.
관련 제어신호에 의하여 피동잔열제거계통(15)의 격리밸브(15a)가 개방된다. 응축열교환기(15e) 내부의 냉각수는 체크밸브(15b) 및 오리피스(15c)를 통과하여 급수관(13a)으로 유입되며, 원자로용기(12)에서 잔열을 회수하여 증기관(14a)을 통해 돌아와 응축 열교환기(15e)에서 열교환 방식을 통해 잔열을 제거한다. 응축열교환기(15e)를 통해 비상냉각탱크(15d)로 전달된 열은 비상냉각탱크(15d)의 냉각수를 증발시키면서 외부 대기 환경으로 방출된다.
마찬가지로 자동감압계통(16)의 밸브(16a)들도 관련 제어신호에 의하여 개방되며, 원자로용기(12)의 압력을 낮춰 피동안전주입계통(200)으로부터 안전주입이 신속히 이루어지도록 한다.
노심보충탱크(210)는 원자로용기(12)와 압력평형 상태를 유지하도록 압력평형배관(120)에 의해 원자로용기(12)와 연결되고, 사고 발생시 원자로용기(12)로 냉각수를 주입하기 위해 안전주입배관(130)에 의해 원자로용기(12)와 연결된다. 따라서 노심보충탱크(210)는 압력평형배관(120)과 안전주입배관(130)에 의해 원자로용기(12)와 연결되나 각 배관의 기능은 전혀 다르다. 상기 압력평형배관(120)에서 원자로용기(12)와 노심보충탱크(210)를 연결하는 부분은 항상 개방되어 있기 때문에 원자로용기(12)와 노심보충탱크(210)는 압력평형 상태를 유지한다. 따라서 노심보충탱크(210)의 설계 압력은 원자로용기(12) 수준의 고압이다.
원자로용기(12)의 압력 또는 온도 변화 등으로부터 발생하는 제어신호에 의하여 노심보충탱크(210)와 안전주입배관(130) 사이에 설치된 격리밸브(211)가 개방되고, 원자로용기(12)로 노심보충탱크(210)의 수위에 의한 압력평형식 안전주입이 시작된다. 냉각수는 격리밸브(211), 체크밸브(212), 오리피스(213)를 통과하여 원자로용기(12)로 주입되며, 이때의 유량은 오리피스(213)에 의해 기설정된 유량으로 적절히 제어된다. 노심보충탱크(210)에 의한 안전주입은 사고 초반에 작동하도록 설계되므로 이어서 설명할 다단 안전주입 장치(100)에 비하여 상대적으로 고유량 안전주입이다.
원자로용기(12)의 냉각과 파단부에서의 방출 등에 의해 원자로용기(12)의 압력 또는 수위가 더욱 감소하여 기설정된 값에 도달하면, 관련계통에서 제어신호가 발생하여 압력평형배관(120)에 설치된 격리밸브(121)가 개방되고 원자로용기(12)와 안전주입탱크(110)의 압력평형이 형성된다. 압력평형배관(120)에 설치된 격리밸브(121)는 원자로용기(12)의 압력과 수위가 어느 정도 낮아진 후에 개방되도록 설계되므로, 안전주입탱크(110)의 설계압력은 노심보충탱크(210)의 설계압력보다 낮게 설계될 수 있고, 원자로용기(12)로의 냉각수 주입도 노심보충탱크(210)보다 낮은 압력에서 이루어진다.
도 1에서 설명한 바를 참고하면, 다단 안전주입 장치(100)에 의한 냉각수의 주입을 2단으로 나눌 수 있다. 노심보충탱크(210)에 의한 냉각수 주입을 고유량 안전주입이라 하면, 다단 안전주입 장치(100)에 의한 냉각수 주입은 노심보충탱크(210)보다 낮은 압력에서 2단으로 나누어 진행되므로 각 단계를 중유량 안전주입과 저유량 안전주입으로 구분할 수 있다. 중유량 안전주입은 노심보충탱크(210)의 고유량 안전주입보다 낮은 압력 조건에서 다단 안전주입 장치(100)의 제1안전주입구(141a)와 제2안전주입구(141b)를 통해 이루어지고, 저유량 안전주입은 안전주입탱크(110)의 냉각수 수위가 제2안전주입구(141b)의 위치보다 낮아졌을 때부터 제1안전주입구(141a)를 통해 이루어진다.
노심보충탱크(210)에 의한 고유량 안전주입 및 다단 안전주입 장치(100)에 의한 중유량·저유량 안전주입은 각각 상대적인 유량을 의미하는 것으로, 원자로에서 요구하는 안전주입 특성에 맞추어 각각의 유량이 설정될 수 있다.
고유량부터 저유량까지 다단의 안전주입이 요구되는 이유는 원자로의 사고 특성 때문이다. 특히 일체형 원자로(10)는 사고 발생 초기에는 노심 수위가 상대적으로 빠르게 감소하므로 많은 유량의 냉각수가 신속하게 주입될 필요가 있다. 피동안전주입계통(200)은 노심보충탱크(210)에 의해 고유량의 안전주입이 이루어진다.
사고 발생에 이어 사고의 초반에서 중반까지는 원자로용기의 내부 압력이 여전히 높아 냉각수 방출 유량이 비교적 많고, 사고 중반부터 후반까지는 원자로의 압력이 감소하여 냉각수 방출 유량이 상대적으로 적어지므로 각각 중유량과 저유량의 안전주입이 요구된다. 피동안전주입계통(200)은 다단 안전주입 장치(100)에 의해 중유량과 저유량의 안전주입이 단계적으로 이루어진다.
도 3에서는 노심보충탱크(210)의 내부는 비어 있으므로 노심보충탱크(210)에 의한 고유량 안전주입은 이미 완료된 상태이다. 안전주입탱크(110) 내부의 냉각수 수위는 제2안전주입구(141b)의 높이보다 아래에 위치하므로 중유량 안전주입도 이미 완료되고, 제1안전주입구(141a)만을 통한 저유량 안전주입이 이루어지고 있음을 알 수 있다.
이하에서는 도 4 내지 도 6을 참조하여 다단 안전주입 장치(100)에 의한 중유량 안전주입과 저유량 안전주입 과정에 대하여 설명한다.
도 4는 도 1에 도시된 다단 안전주입 장치(100)의 냉각재 상실 사고 발생시 운전 상태(압력평형 단계)를 나타내는 개념도이다.
제어신호에 의해 압력평형배관(120)에 설치된 격리밸브(121)가 개방되면, 증기가 원자로용기(12)로부터 압력평형배관(120)을 통해 안전주입탱크(110)로 유입된다. 다단 안전주입 장치(100)는 원자로용기(12)와 안전주입탱크(110) 사이의 압력평형 방식에 의한 안전설비이므로 안전주입탱크(110)로부터 냉각수 주입이 시작되려면 먼저 원자로용기(12)와의 사이에 압력평형이 형성되어야 한다.
원자로용기(12)로부터 증기가 유입되면 안전주입탱크(110) 내부의 윗부분은 이미 채워져 있던 질소가스와 증기에 의해 채워진다. 원자로로부터 고온의 증기가 저온의 안전주입탱크로 유입되므로, 유입 초기에는 증기가 응축되면서 압력이 변동하고 안전주입이 개시되기까지는 다소의 시간 지연이 나타날 수 있다. 이후 증기 유입에 따라 원자로용기(12)와 안전주입탱크(110)의 압력은 점차 평형을 이루고, 안전주입탱크(110)의 중력 수두에 의해 안전주입배관(130)에 설치된 체크밸브(131)의 개방 및 안전주입이 시작된다.
도 5는 도 4에 이은 다단 안전주입 장치(100)의 냉각수 주입 단계(중유량 주입단계)를 나타내는 개념도이다.
다단 안전주입 장치(100)에 의한 안전주입이 시작되면, 안전주입탱크(110)의 수위가 제2안전주입구(141b)보다 낮아지기 전까지는 제1안전주입구(141a) 및 제2안전주입구(141b)를 통해 중유량 안전주입이 이루어진다.
오리피스(미도시)가 제1안전주입구(141a)에 설치되면, 제1안전주입구(141a)에 설치된 오리피스는 제1안전주입구(141a)를 통해 단독으로 냉각수가 주입될 때 요구되는 원자로의 요구 특성에 맞추어 유량을 주입할 수 있도록 설정된다. 마찬가지로 오리피스(미도시)가 제2안전주입구(141b)에 설치되면, 제2안전주입구(141b)에 설치된 오리피스는 제1안전주입구(141a)와 제2안전주입구(141b) 모두를 통해 냉각수가 주입될 때 요구되는 원자로의 요구특성에 맞추어 적절한 유량으로 냉각수를 주입할 수 있도록 형성된다.
제1안전주입구(141a)와 제2안전주입구(141b)에 의해 중유량 안전주입이 이루어지는 동안에도 안전주입탱크(110)의 수위 저하에 의해 중력 수두는 점차 작아지고 원자로용기(12)로 주입되는 냉각수의 유량도 서서히 작아진다. 안전주입탱크(110)의 수위가 제2안전주입구(141b)의 높이(141b')보다 낮아지기 전까지는 원자로용기(12)로 주입되는 냉각수의 유량이 서서히 작아질 뿐 순간적으로 급격하게 감소하지는 않는다. 그러나, 안전주입탱크(110)의 수위가 제2안전주입구(141b)의 높이(141b')보다 낮아지면 원자로용기(12)로 주입되는 냉각수의 유량은 순간적으로 급격하게 감소하게 된다. 이는 안전주입탱크(110)의 수위 저하로 제2안전주입구(141b)이 노출되면, 안전주입탱크(110)과 유량조절관(140)은 중력에 의해 동일한 수위를 유지하게 되므로 제2안전주입구(141b)로는 더 이상 냉각수가 주입되지 않기 때문이다.
도 6은 도 5에 이은 다단 안전주입 장치(100)의 냉각수 주입 단계(저유량 주입단계)를 나타내는 개념도이다.
안전주입탱크(110)의 냉각수 수위가 제2안전주입구(141b)의 높이(141b')보다 낮아졌으므로, 더 이상 제2안전주입구(141b)를 통해서는 냉각수의 주입이 이루어지지 않고, 제1안전주입구(141a)를 통해서만 저유량 안전주입이 이루어진다.
오리피스(미도시)가 제1안전주입구(141a)에 설치되면 상기 오리피스에 의해 유로저항이 형성되므로, 원자로용기(12)로 주입되는 냉각수의 양은 오리피스에 의하여 저유량으로 조절될 수 있다. 저유량 안전주입의 진행에 따라 안전주입탱크(110)의 냉각수 수위가 점점 낮아지고, 중력 수두도 점점 작아지나 제1안전주입구(141a)를 통해 주입되는 냉각수의 양이 상대적으로 작으므로, 중력 수두가 작아지는 속도와 냉각수의 주입유량이 작아지는 속도는 매우 완만하다.
저유량 안전주입은 안전주입탱크(110)의 냉각수가 모두 원자로용기(12)로 주입될 때까지 계속되며, 피동형 원자로에서 운전원 조치나 비상교류전원 없이 안전주입이 요구되는 시점(약 72시간)까지 지속될 수 있다.
이하에서는 도 7을 참조하여, 도 1 내지 도 6에서 설명한 다단 안전주입 장치(100) 및 노심보충탱크(210)에 의한 시간별 냉각수 안전주입 유량 변화에 대하여 설명한다.
도 7은 도 1 내지 도 6에서 설명한 다단 안전주입 장치(100) 및 노심보충탱크(210)의 시간별 냉각수 주입 유량을 나타내는 그래프이다.
가로축은 냉각재 상실 사고 등이 발생한 순간부터 시간의 흐름을 나타내고, 세로축은 다단 안전주입 장치와 노심보충탱크에 의한 냉각수 주입 유량을 나타낸다.
사고가 발생한 초기에는 원자로용기에서 노심 수위가 상대적으로 빠르게 감소하므로 노심보충탱크에서 고유량 안전주입이 이루어진다. 고유량 안전주입이 진행되는 동안에도 노심보충탱크의 수두 감소에 의해 유량은 서서히 감소한다.
사고 초기 이후부터는 다단 안전주입 장치에 의한 중·저유량 안전주입이 이루어진다. 원자로의 사고조건에 따라 노심보충탱크와 다단 안전주입 장치의 작동 및 주입시간이 다르게 나타나므로 다단 안전주입 장치의 작동 후 압력평형 과정에서의 다단 안전주입 장치에 의한 안전주입 시작시간 지연이나 노심보충탱크와 다단 안전주입 장치의 냉각수 주입 중첩 현상은 피할 수 없는 물리적 현상이다. 그러나 다단 안전주입 장치 내에서 유량 전환이 이루어지는 경우에는 도시한 바와 같이 냉각수 주입의 중첩 또는 지연이 일어나지 않는다.
다단 안전주입 장치에 의해 중유량 안전주입이 시작되고 노심보충탱크에 의한 고유량 안전주입이 멈추면 안전주입 유량이 순간적으로 감소한다. 그리고 다단 안전주입 장치에 의한 중유량 안전주입이 진행되는 동안에는 수두 감소에 의해 냉각수 주입 유량이 서서히 감소한다.
안전주입탱크의 수위가 제2안전주입배관의 설치 높이보다 낮아지면 냉각수 주입 유량은 순간적으로 급격하게 감소하고, 저유량 안전주입이 이루어진다. 저유량 안전주입의 진행시에도 유량의 감소는 계속되나 감소속도가 매우 완만하고 지속적인 안전주입이 이루어져 원자로에서 요구되는 시간 동안 계속된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 다단 안전주입 장치는 원자로의 안전주입 요구 특성에 맞추어 단계적으로 냉각수 주입 유량을 감소시킴으로써 장시간 동안 냉각수를 주입할 수 있게 형성된다.
이하에는 도 8 내지 도 15에서 본 발명의 다른 실시예에 관련된 다단 안전주입 장치를 설명한다. 도 1 내지 도 7에서 이미 설명한 것과 중복되는 것에 대한 설명은 앞선 설명으로 갈음한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 관련된 다단 안전주입 장치(300)의 개념도이다.
다단 안전주입 장치(300)는 사고 발생시 원자로용기(22)에 냉각수를 단계적으로 주입시키도록 형성되며, 안전주입탱크(310), 압력평형배관(320), 안전주입배관(330) 및 유량조절관(340)을 포함한다.
안전주입탱크(310)는 원자로용기(22)의 압력 또는 수위가 저하되는 사고 발생시 원자로용기(22)에 주입될 냉각수를 수용하도록 형성된다. 안전주입탱크(310)는 모두 냉각수(붕산수)로 채워진다.
압력평형배관(320)은 중력 수두에 의한 냉각수 주입을 위해, 원자로용기(22)와 안전주입탱크(310)의 압력평형을 형성하도록 원자로용기(22)와 안전주입탱크(310)에 연결된다. 도 1에 도시된 다단 안전주입 장치(100)와 다른 것은 압력평형배관(320)에 격리밸브가 설치되지 않는다는 것이다. 따라서 압력평형배관(320)은 항상 개방된 상태로 유지되고, 사고 발생시는 물론 정상 운전시에도 원자로용기(22)의 압력이 변화되면 원자로용기(22)로부터 안전주입탱크(310)로 유체가 유입되어 단시간 내에 압력평형을 형성하게 된다. 압력평형배관(320)은 설계에 따라 원자로용기(22)로부터 유입되는 증기의 유량을 제한하도록 오리피스(미도시)가 설치될 수 있다.
이와 같이 원자로용기(22)와 안전주입탱크(310)가 압력평형을 유지하는 경우에는, 안전주입탱크(310)의 설계 압력이 원자로용기(22) 수준인 고압으로 설계되어야 한다.
안전주입배관(330)은 원자로용기(22)와 안전주입탱크(310)의 압력평형시 원자로용기(22)로 냉각수를 주입시키도록 안전주입탱크(310)와 원자로용기(22)에 연결된다.
유량조절관(340)은 안전주입배관(330)으로부터 안전주입탱크(310)의 내부로 연장되어 형성되며, 안전주입탱크(310)의 수위 저하에 따라 원자로용기(22)로 주입되는 냉각수의 유량을 단계적으로 감소시키도록 기설정된 높이들에 각각 적어도 하나의 안전주입구(341)를 구비한다.
도 8에 도시되어 있듯이, 안전주입구(341)는 유량조절관(340)의 하단부에 형성되는 제1안전주입구(341a), 제1안전주입구(341a)로부터 기설정된 높이만큼 높은 위치에 형성되는 제2안전주입구(341b), 제2안전주입구(341b)로부터 기설정된 높이만큼 높은 위치에 형성되는 제3안전주입구(341c) 등 복수의 안전주입구를 포함할 수 있다.
사고 발생시 안전주입탱크(310)로부터 원자로용기(22)로 냉각수가 주입됨에 따라 안전주입탱크(310)의 수위는 점점 낮아지게 된다. 처음 냉각수 주입이 시작되면 제1안전주입구(341a), 제2안전주입구(341b) 및 제3안전주입구(341c)를 통해 냉각수가 주입된다. 냉각수 주입이 진행되어 안전주입탱크(310)의 냉각수 수위가 제3안전주입구(341c)의 높이(341c')보다 낮아지면, 제3안전주입구(341c)로는 더 이상 냉각수가 유입되지 않고, 제1안전주입구(341a)와 제2안전주입구(341b)만을 통해 냉각수가 주입된다. 그리고 제3안전주입구(341c)로 냉각수가 유입되지 않기 시작하는 때에 냉각수의 주입유량은 순간적으로 급격히 감소한다.
냉각수 유입이 더욱 진행되어 안전주입탱크(310)의 수위가 제2안전주입구(341b)의 높이(341b')보다 낮아지게 되면, 제2안전주입구(341b)로도 더 이상 냉각수가 유입되지 않고, 제1안전주입구(341a)만을 통해 냉각수가 주입된다. 마찬가지로 제2안전주입구(341b)로 냉각수가 유입되지 않기 시작하는 때에 냉각수의 주입유량은 순간적으로 급격히 감소한다.
제1안전주입구(341a), 제2안전주입구(341b) 및 제3안전주입구(341c) 모두를 통해 냉각수가 주입될 때의 주입 유량을 고유량 안전주입이라 하고, 제1안전주입구(341a)와 제2안전주입구(341b)를 통해 냉각수가 주입될 때의 주입 유량을 중유량 안전주입이라 하며, 제1안전주입구(341a)만을 통해 냉각수가 주입될 때의 주입 유량을 저유량 안전주입이라 할 수 있다. 고유량, 중유량, 저유량은 각각 상대적인 값으로, 안전주입탱크(310)의 크기, 안전주입구(341)들의 높이, 각 안전주입구(341)들의 유로저항에 따라 다르게 설계될 수 있다.
서로 다른 유로저항을 형성하는 것은 고유량, 중유량, 저유량의 단계적인 안전주입과, 냉각수 주입이 요구되는 시간 때문이다. 사고 발생시에는 비교적 많은 유량의 냉각수가 신속하게 주입되어야 하는 반면, 사고 중후반에는 비교적 적은 유량의 냉각수가 장시간 동안 주입될 필요가 있다.
다단 안전주입 장치(300)는 각 안전주입구(341)들 또는 각 안전주입구(341)들에 설치된 오리피스(미도시)에 의해 서로 다른 유로 저항을 형성하도록 이루어져, 원자로의 사고 발생 후 시간이 흐름에 따라 요구되는 냉각수 주입량 및 주입시간을 맞출 수 있도록 설계된다.
안전주입배관(330)에는 격리밸브(332)가 설치된다. 격리밸브(332)는 정상운전시 닫힌 상태로 유지되어 안전주입탱크(310)로부터 원자로용기(22)로 냉각수가 유입되는 것을 차단한다. 격리밸브(332)는 사고 발생시 관련계통의 제어신호에 의해 개방된다. 원자로용기(22)와 안전주입탱크(310)는 이미 압력평형 상태에 있으므로, 격리밸브(332)의 개방과 함께 안전주입탱크(310)로부터 냉각수가 주입이 시작된다.
격리밸브(332)는 비상교류전원 상실에 대비하여 축전기 등에 의하여 백업을 받도록 설계될 수 있으며, 단수로 설치되었을 때 고장에 의해 다단 안전주입 장치(300) 전체의 작동이 정지되는 것을 방지하기 위해 복수의 가지배관(333)마다 복수로 설치될 수 있다.
도 9는 도 8에 도시된 다단 안전주입 장치(300)가 설치된 일체형 원자로(20)의 정상운전 상태를 나타내는 개념도이다.
다단 안전주입 장치(300)는 일체형 원자로(20)의 원자로건물(21) 내부에 설치되며, 압력평형배관(320)과 안전주입배관(330)에 의해 원자로용기(22)와 연결된다. 중력 수두에 의한 냉각수 주입을 위해 안전주입탱크(310)는 원자로용기(22)보다 높은 위치에 설치된다. 정상 운전시 다단 안전주입 장치(300)는 격리밸브(332)가 닫혀 있는 상태이다.
도 9에 도시된 일체형 원자로(20)가 도 2에서 설명한 일체형 원자로(20)와 다른 것은 노심보충탱크가 없고, 다단 안전주입 장치(300)의 안전주입구(341c)가 추가되어 노심보충탱크의 역할을 대신하며, 격리밸브(332)가 압력평형배관(320)이 아닌 안전주입배관(330)에 설치된다는 것이다.
안전주입탱크(310)는 압력평형배관(320)을 통해 원자로용기(22)와 연결되고, 압력평형배관(320)은 항상 개방되어 있으므로, 안전주입탱크(310)의 설계압력은 원자로용기(22) 수준의 고압이다. 따라서 도 2에서 사고 발생시 원자로용기(22)에 고유량의 냉각수를 신속하게 주입하던 노심보충탱크의 기능을 고압으로 설계된 안전주입탱크(310)가 담당한다. 고유량, 중유량, 저유량의 다단 안전주입을 위해 유량조절관(340)에는 안전주입구(341)가 적어도 3개 설치된다.
도 10은 도 9에 도시된 일체형 원자로(20)의 냉각재 상실 사고 발생시 안전설비의 작동을 나타내는 개념도이다.
배관파단(27a)과 같은 냉각재 상실 사고 등이 발생하여 원자로용기(22)의 압력 또는 수위가 저하되면, 기설정된 관련계통의 제어신호에 의해 안전주입배관(330)에 설치된 격리밸브(332)가 개방되고, 다단 안전주입 장치(300)로부터 원자로용기(22)로 안전주입이 시작된다.
도 10에서 안전주입탱크(310)의 냉각수 수위는 제2안전주입구(341b)와 제3안전주입구(341c) 사이이므로 제3안전주입구(341c)로는 더 이상 냉각수가 유입되지 않고, 고유량 안전주입 단계는 이미 지난 것을 알 수 있다. 제1안전주입구(341a)와 제2안전주입구(341b)를 통해 안전주입이 이루어지므로, 도 10은 중유량 안전주입 단계를 나타낸다.
도 11은 도 8에 도시된 다단 안전주입 장치(300)의 냉각재 상실 사고 발생시 운전 상태(압력평형 단계)를 나타내는 개념도이다.
사고 발생시 관련계통에 의해 제어신호가 발생하면, 상기 제어신호에 의해 안전주입배관(330)에 설치된 격리밸브(332)는 개방되며, 중력 수두에 의한 냉각수의 안전주입이 시작된다. 원자로용기(22)로부터 압력평형배관(320)을 통해 안전주입탱크(310)로 증기가 유입되므로 원자로용기(22)와 안전주입탱크(310)는 압력평형 상태를 유지한다.
도 12는 도 11에 이은 다단 안전주입 장치(300)의 냉각수 주입 단계(고유량 주입단계)를 나타내는 개념도이다.
사고 발생 초기에 안전주입탱크(310) 내부의 냉각수는 제1안전주입구(341a), 제2안전주입구(341b) 및 제3안전주입구(341c)를 통해 원자로용기(22)로 주입된다. 제1안전주입구(341a) 한 개의 유로로 냉각수를 주입하는 경우보다 제1안전주입구(341a)와 제2안전주입구(341b)와 제3안전주입구(341c)의 세 개 유로로 냉각수를 주입할 때 총유로저항이 작아지므로, 사고 발생시에는 고유량의 냉각수가 원자로용기(22)로 주입된다.
안전주입탱크(310)의 냉각수 수위가 제3안전주입구(341c)의 높이(341c')보다 낮아지기 전까지는 냉각수의 수위 저하에 의해 중력 수두가 서서히 감소하므로, 냉각수 주입 유량도 서서히 감소한다. 그러다가 안전주입탱크(310)의 냉각수 수위가 제3안전주입구(341c)의 높이(341c')보다 낮아지는 순간 냉각수 주입 유량은 순간적으로 급격하게 감소한다.
도 13은 도 12에 이은 다단 안전주입 장치(300)의 냉각수 주입 단계(중유량 주입단계)를 나타내는 개념도이다.
안전주입탱크(310)의 냉각수 수위가 제3안전주입구(341c)의 높이(341c')보다 낮아졌으므로 제3안전주입구(341c)로는 냉각수가 주입되지 않고, 제1안전주입구(341a)와 제2안전주입구(341b)를 통한 중유량 안전주입이 이루어진다.
안전주입탱크(310)의 냉각수 수위는 중유량 안전주입이 진행되는 동안 지속적으로 저하되고, 안전주입탱크(310)로부터 원자로용기(22)로의 냉각수 주입량은 서서히 감소된다. 안전주입탱크(310)이 냉각수 수위가 제2안전주입구(341b)의 높이(341b')보다 낮아지는 순간 더 이상 제2안전주입구(341b)로는 냉각수가 유입되지 않고 원자로용기(22)로 주입되는 냉각수 유량도 순간적으로 급격하게 감소한다.
도 14는 도 13에 이은 다단 안전주입 장치(300)의 냉각수 주입 단계(저유량 주입 단계)를 나타내는 개념도이다.
안전주입탱크(310)의 수위는 제2안전주입구(341b)의 높이(341b')보다 낮아졌으므로, 안전주입탱크(310)로부터 원자로용기(22)로의 안전주입은 제1안전주입구(340a)에 의해서만 저유량 안전주입이 이루어진다.
제1안전주입구(341a) 하나로 냉각수 주입이 이루어질 때의 유로저항이 제1안전주입구(341a)와 제2안전주입구(341b) 두 개 또는 제1안전주입구(340a)와 제2안전주입구(341b)와 제3안전주입구(341c) 세 개로 냉각수 주입이 이루어질 때의 총 유로저항보다 상대적으로 크므로 저유량 안전주입은 장시간 동안 냉각수 주입이 이루어질 수 있다. 저유량 안전주입은 안전주입탱크(310)의 냉각수가 원자로용기(22)로 모두 주입될 때까지 계속되며, 안전주입탱크(310)의 설계에 따라 주입 시간을 조절할 수 있다. 현재 피동형 원자로(20)에서 운전원 조치나 비상교류전원 없이 안전계통의 작동을 요구하고 있는 시간은 약 72시간이다.
도 15는 도 8 내지 도 14에서 설명한 다단 안전주입 장치(300)의 시간별 냉각수 주입 유량을 나타내는 그래프이다.
고유량, 중유량, 저유량 안전주입은 모두 다단 안전주입 장치의 안전주입탱크로부터 이루어지며, 사고 발생 초기에는 고유량의 냉각수가 단시간에 주입된다. 이어서 사고 초중반에는 중유량의 안전주입이 이루어지며, 사고 발생 초기보다는 긴 시간 동안 안전주입이 이루어진다. 마지막으로 사고 중후반에는 저유량의 안전주입이 주입속도가 완만하게 감소하면서 장시간 이루어진다.
원자로용기로부터 고온의 증기가 저온의 안전주입탱크로 유입되어 응축되면서 안전주입탱크의 개방 초기에 일시적인 주입 개시 시간 지연 현상이 나타난다. 그러나 다단 안전주입 장치에 의한 냉각수 주입이 개시된 이후에는 이미 원자로용기와 안전주입탱크의 압력평형이 이루어진 상태에서 유량 전환이 이루어지므로 도 15에서 알 수 있듯이 유량의 전환 과정에서 냉각수 주입의 지연 또는 중첩 문제가 발생하지 않고 연속적이며 지속적으로 냉각수를 주입할 수 있다.
이상에서 설명된 다단 안전주입 장치는 단일의 안전주입탱크로 원자로에서 요구하는 안전주입 특성에 맞추어 다단으로 냉각수를 주입할 수 있다. 따라서 다단 안전주입 장치를 구비하는 원자로는 안전주입탱크 내부의 냉각수를 효율적으로 이용할 수 있고 원자로에서 요구하는 안전주입 특성에 따라 압력별로 별도의 안전주입설비를 구비하지 않아도 되므로, 설비가 단순화되고 경제적인 비용도 감소시킬 수 있다. 그리고 안전주입설비 및 관련배관의 수가 적어지고 운전원의 오류에 의한 사고 확대 가능성을 감소시키므로 오작동 확률이 낮아지고 안정성이 향상된다.
다단 안전주입 장치를 포함하는 피동안전주입계통은 완전 피동형으로 형성될 수 있으므로, 사고시 냉각수 주입이 요구되는 시간 동안 운전원의 조치가 없이도 펌프와 같은 능동형 기기를 사용하지 않고, 가스압력이나 중력과 같이 계통에 내장되어 있는 자연력만을 이용하여 안전기능이 수행될 수 있다. 이에 따라 비상전력계통이 필요하지 않고, 안전주입계통의 신뢰성이 향상되어 원자로의 안전성 향상에 기여할 수 있다.
다단 안전주입 장치의 유량 변화 특성은 일반적인 원자로의 중력을 이용하는 안전주입탱크의 성능 개선을 위해서도 적용될 수 있으므로, 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 일체형 원자로의 피동형 안전주입계통으로 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명된 다단 안전주입 장치 및 이를 구비하는 피동안전주입계통은 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.
100 : 다단 안전주입 장치 110 : 안전주입탱크
120 : 압력평형배관 130 : 안전주입배관
140 : 유량조절관 141 : 안전주입구
200 : 피동안전주입계통 210 : 노심보충탱크
300 : 다단 안전주입 장치 310 : 안전주입탱크
320 : 압력평형배관 330 : 안전주입배관
340 : 유량조절관 341 : 안전주입구

Claims (8)

  1. 원자로용기의 압력 또는 수위가 저하되는 사고 발생시 중력 수두에 의해 상기 원자로용기로 주입될 냉각수를 수용하도록 형성되는 안전주입탱크;
    상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크의 압력평형을 형성하도록 상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크에 연결되는 압력평형배관;
    상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크의 압력평형시 상기 원자로용기로 냉각수를 주입시키도록 상기 안전주입탱크의 하단과 상기 원자로용기에 연결되는 안전주입배관;
    상기 안전주입배관과 연결되어 상기 안전주입배관과 통하도록 상기 안전주입배관으로부터 상기 안전주입탱크의 내부로 연장되어 형성되는 유량조절관; 및
    상기 안전주입탱크의 냉각수를 상기 유량조절관의 내부로 유입시키도록 상기 유량조절관에 형성되고, 상기 안전주입탱크의 수위 저하에 따라 상기 원자로용기로 주입되는 냉각수의 유량을 단계적으로 감소시키도록 서로 높이차를 형성하며 배치되는 복수의 안전주입구를 포함하고,
    상기 안전주입구들은 상기 안전주입탱크의 수위 저하에 따라 상기 유량조절관과 상기 안전주입배관을 통해 상기 원자로용기로 주입되는 냉각수의 유량을 단계적으로 감소시키도록 상기 안전주입탱크의 수위 저하에 따라 단계적으로 증가하는 총유로저항을 형성하는 것을 특징으로 하는 다단 안전주입 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안전주입구는,
    상기 안전주입탱크의 내부에 수용된 냉각수가 모두 상기 원자로용기에 주입될 때까지 지속적으로 냉각수에 주입 유로를 제공하도록 상기 유량조절관의 하단부에 형성되는 제1안전주입구; 및
    상기 안전주입탱크의 수위가 기설정된 수위보다 낮아질 때까지만 냉각수에 주입 유로를 제공하도록 상기 제1안전주입구로부터 기설정된 높이만큼 높은 위치에 형성되는 적어도 하나의 제2안전주입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 안전주입 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유량조절관의 내부 유로 중 상기 안전주입구들과 인접한 위치에 각각 설치되는 복수의 오리피스를 더 포함하고,
    상기 오리피스들은, 임의의 안전주입구를 통해 상기 유량조절관의 내부로 유입되는 냉각수의 유량을 다른 안전주입구를 통해 상기 유량조절관의 내부로 유입되는 냉각수와 합류하기 전에 조절하도록 각 안전주입구의 안쪽 유로에 각각 기설정된 유로저항을 형성하는 것을 특징으로 하는 다단 안전주입 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압력평형배관에 설치되어 정상운전시 상기 원자로용기로부터 상기 안전주입탱크로의 증기 유입을 차단하고, 사고 발생시 상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크 사이의 압력 평형 및 중력 수두에 의한 냉각수 주입이 이루어지도록 원자로의 사고시 발생하는 제어신호에 의해 개방되는 격리밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 안전주입 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 안전주입배관에 설치되어 정상운전시 상기 원자로용기와 압력평형 상태인 상기 안전주입탱크로부터 상기 원자로용기로의 냉각수 유입을 차단하고, 사고 발생시 상기 안전주입탱크에서 상기 원자로용기로 냉각수 주입이 이루어지도록 원자로의 사고시 발생하는 제어신호에 의해 개방되는 격리밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 안전주입 장치.
  7. 원자로용기와 압력평형 상태를 유지하고, 상기 원자로용기의 압력 또는 수위가 저하되는 사고 발생시 상기 원자로용기로 냉각수를 주입하도록 상기 원자로용기와 연결되는 노심보충탱크; 및
    상기 노심보충탱크에 이어 상기 노심보충탱크보다 낮은 압력에서 상기 원자로용기에 단계적으로 냉각수를 주입하는 다단 안전주입 장치를 포함하고,
    상기 다단 안전주입 장치는,
    원자로용기의 압력 또는 수위가 저하되는 사고 발생시 중력 수두에 의해 상기 원자로용기로 주입될 냉각수를 수용하도록 형성되는 안전주입탱크;
    상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크의 압력평형을 형성하도록 상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크에 연결되는 압력평형배관;
    상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크의 압력평형시 상기 원자로용기로 냉각수를 주입시키도록 상기 안전주입탱크의 하단과 상기 원자로용기에 연결되는 안전주입배관; 및
    상기 안전주입배관으로부터 상기 안전주입탱크의 내부로 연장되어 형성되며, 상기 안전주입탱크의 수위 저하에 따라 상기 원자로용기로 주입되는 냉각수의 유량을 단계적으로 감소시키도록 기설정된 높이들에 각각 적어도 하나의 안전주입구를 구비하는 유량조절관을 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전주입계통.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 압력평형배관에 설치되어 정상운전시 상기 원자로용기로부터 상기 안전주입탱크로의 유체 유입을 차단하고, 사고 발생시 상기 원자로용기와 상기 안전주입탱크 사이의 압력 평형 및 중력 수두에 의한 냉각수 주입이 이루어지도록 원자로의 사고시 발생하는 제어신호에 의해 개방되는 격리밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전주입계통.
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