KR101697593B1 - 원전 - Google Patents

Abstract

본 명세서에 개시된 내용에 의하면, 원전은 원자로냉각재계통; 원자로용기의 외부에 배치되고, 내부에 붕산수를 저장하여 상부에 상기 붕산수의 수위를 형성하고, 상기 원자로냉각재계통의 압력에 따라 선택적으로 작동하는 히터 및 살수배관을 구비하여 상기 원자로냉각재계통을 가압하는 가압기; 상기 가압기의 상부 공간과 상기 원자로용기의 상부를 연결하여, 상기 붕산수의 중력 주입을 위한 압력평형을 유지하는 제1압력평형배관; 및 상기 가압기의 하부와 상기 원자로용기를 연결하여, 사고 시 상기 붕산수를 중력에 의해 상기 원자로용기의 내부로 주입하는 제1주입배관을 포함한다.

Description

원전{NUCLEAR POWER PLANT}

본 발명은 원자로용기의 크기를 축소하고 단순화할 수 있는 원전에 관한 것이다.

원자로는 안전계통의 구성방식에 따라 펌프와 같은 능동력을 사용하는 능동형 원자로와, 중력 또는 가스압력 등의 피동력을 사용하는 피동형 원자로로 구분될 수 있다.

피동형 원자로에서는 사고 발생 이후 규제조건에 따라 요구하는 시간(예, 72시간) 이상 동안 운전원의 조치나 비상 디젤 발전기와 같은 안전등급의 교류(AC) 전원이 없이 계통에 내장되어 있는 자연력만으로도 원자로를 안전하게 유지하는 피동안전계통(Passive safety system)이 구비된다. 피동안전계통은 72시간 이후에는 운전원의 조치나 비안전계통(원자로의 안전성을 보조하는 계통)의 도움을 받아도 된다.

한편, 원자로는 주요기기(증기발생기, 가압기, 펌프 임펠러 등)의 설치위치에 따라 주요기기가 원자로용기 외부에 설치되는 분리형 원자로(예, 국내 가압경수로)와, 주요기기가 원자로용기 내부에 설치되는 일체형원자로(예, SMART 원자로)로 분류될 수 있다.

원자로는 노심에서 핵분열에 의해 열을 생산하고, 생산된 열은 원자로냉각재(예, 가압경수로의 경우 물임)로 전달되며, 원자로냉각재는 원자로냉각재펌프에 의해 강제 순환되어 증기발생기의 1차 유로로 제공된다. 원자로냉각재는 증기발생기의 2차유로로 제공되는 급수와 비접촉 열전달에 의해 급수의 온도를 상승시켜 증기를 생산하고, 생산된 증기는 터빈을 구동하여 전기를 생산하며, 원자로냉각재는 다시 노심으로 공급되며 재순환한다.

분리형원자로에서는 증기발생기가 원자로용기의 외부에 위치하고, 원자로냉각재펌프 및 가압기도 원자로용기의 외부에 위치한다. 이에 따라 이들 기기를 연결하는 대형 배관이 설치된다.

일체형원자로의 내부에는 원자로 노심이 위치하고, 가압기, 증기발생기, 원자로냉각재펌프 등의 주요기기가 원자로용기의 내부에 설치되어, 이들 주요기기를 연결하기 위한 대형 배관이 필요 없고, 화학 및 체적제어계통, 안전주입계통, 정지냉각계통, 안전밸브 등의 소형배관이 원자로용기와 연결된다.

이런 특성으로 일체형원자로에서는 대형배관이 손상되는 대형냉각재상실사고는 근원적으로 발생하지 않는다.

다른 한편으로, 원자로는 노심이 정지하는 경우에도 상당기간 노심에서 잔열이 발생하므로, 잔열을 제거해주어야 노심을 안전하게 유지할 수 있다. 원자로 노심은 정지 후 시간이 경과함에 따라 잔열이 감소하는 특성을 갖고 있다.

사고 시 원자로 노심을 안전하게 유지하기 위해서는 우선 노심이 수위 밖으로 노출되지 않도록 적절히 냉각수를 공급해주어야 하며, 이러한 기능은 안전주입계통이 수행한다. 또한, 노심의 잔열(현열 포함)을 제거해주어야 하며, 이러한 기능은 잔열제거계통이 수행한다.

본 발명과 관련하여 원자력 발전소(이하, 원전이라고 약칭함)에서는 사고 시 원자로로 비상냉각수(붕산수)를 공급하기 위한 다양한 형태의 안전주입계통이 이용되고 있다.

예를 들면, 국내외 상용 분리형 가압경수로에서는 대형배관이 손상되어 다량의 냉각수가 방출되는 대형냉각재상실사고 시에 원자로로 신속히 비상냉각수(붕산수)를 공급하기 위한 질소 가압식 안전주입탱크(또는 축압기라 함)가 이용되고 있으며, 이밖에 저압안전주입펌프와 고압안전주입펌프가 이용되고 있다. 다른 일례로, 미국 웨스팅하우스(사)에서 개발한 피동 분리형 가압경수로 AP6000, AP1000 등에서는 상기 질소 가압식 안전주입탱크 이외에 고압조건에서 원자로와 탱크 사이의 압력이 평형을 이룬 후 중력 수두를 이용하여 비상냉각수(붕산수)를 주입하는 노심보충(Core Makeup Tank, CMT)가 이용되고 있으며, 원자로가 감압된 후 중력에 의해 주입되는 격납건물 내 재장전수조가 이용되고 있다.

일반적으로 원자로는 증기관 파단사고와 같은 비냉각재상실사고의 초기에는 원자로 내부의 원자로냉각재의 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(국내상용로)에서는 고압펌프를 사용하는 고압안전주입계통을 가동시켜 노심으로 고농축 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.

냉각재상실사고가 발생하는 경우에는 상기 고압계통 이외에도 가스 압력을 이용하는 안전주입탱크가 중압에서 붕산수를 주입하기 위해, 격납용기내재장전수탱크(AP1000:미국 웨스팅하우스)가 중력에 의해 또는 저압안전주입펌프(국내 사용로)가 펌프에 의해 저압에서 붕산수를 주입하기 위해 사용되기도 한다.

일체형원자로는 대형냉각재상실사고가 배제되며 원자로용기의 내부에는 많은 원자로냉각재를 보유하고 있어, 냉각재상실사고(배관손상 등)가 발생하는 경우에도 원자로의 압력과 수위가 분리형원자로에 비해 완만하게 감소하는 특성을 갖고 있다.

이에 따라 SMART(국내 개발)에서는 노심보충탱크와 압력평형식 안전주입탱크를 적용하여 안전주입계통을 구현하고 있다.

압력평형식 안전주입탱크는 노심보충탱크 보다 저압으로 설계되며, 사고 시 압력평형밸브를 개방한 후 원자로와 탱크 사이의 압력이 평형을 이루게 되면 중력 수두를 이용하여 비상냉각수(붕산수)를 주입하도록 구성되어 있다.

노심보충탱크와 안전주입탱크에는 저농축 붕산수(예,약 4000ppm 이상)가 저장된다. 또한, 원자로 내부에 고농축붕산탱크를 적용하여 붕산수 주입 성능을 향상시킨 사례도 있다.

원자로 노심의 핵분열 반응도를 억제하기 위해 사용되는 붕산은 저온에서는 냉각수에 녹아 늘어갈 수 있는 농도가 낮지만, 원자로의 정상운전 시와 같은 고온에서는 녹아 늘어갈 수 있는 농도가 크게(약 5배) 증가하는 특성이 있다.

또한 종래의 미국 웨스팅하우스사(AP1000)의 노심보충탱크나 국내 상용 원자로의 안전주입탱크 또는 재장전수조 등은 원자로용기의 외부에 설치되므로 일반적으로 상온을 유지하며, 별도의 가열기(히터)를 구비하지 않는 한 붕산 농도를 크게 높일 수 없어 상온에서 농도를 유지할 수 있는 저농축 붕산수를 사용한다.

본 발명과 관련된 원전산업분야에서 피동잔열제거계통(보조급수계통 또는 잔열제거계통)은 일체형원자로를 포함하여 다양한 원전에서 사고가 발생하는 경우 원자로냉각재계통의 열(원자로냉각재계통의 현열 및 노심의 잔열)을 제거하는 계통으로 채용되고 있다.

도 1은 종래의 피동안전주입계통(20)의 일부로 노심보충탱크(10)를 적용하고 가압기(30)를 내장한 일체형원자로의 개념도이다.

도 1에 도시된 노심보충탱크(10)는 상온의 붕산수로 채워지며(만수위), 붕산수(10a)의 붕산농도는 원자로냉각재계통(일체형 원자로의 원자로용기)(1) 보다 높은 상태이다. 노심보충탱크(10)는 소형의 압력평형배관(11) 및 주입배관(12)에 의해 원자로냉각재계통(1)과 연결된다.

원전 정상운전 시 압력평형배관(11)은 개방된 상태이며, 주입배관(12)은 격리밸브(13)에 의해 닫힌 상태이다. 사고 시 주입배관(12)의 격리밸브(13)가 개방되어 붕산수(10a)가 중력에 의해 원자로냉각재계통(1)으로 주입된다. 붕산수(10a)는 노심(2)의 핵분열을 억제해주며, 노심노출을 방지하기 위해 냉각수를 보충해주는 역할을 수행한다.

도 1에 도시된 원자로용기의 상부에 가압기(30)가 내장된다. 또한, 원자로용기(1)의 상부 덮개에 안전감압밸브(34) 및 안전밸브(33) 등과 같은 감압설비, 스프레이(31) 및 히터(32) 전선 연결노즐이 추가로 설치된다.

그러나, 원자로용기(1)의 상부 공간에 내장되는 가압기(30), 스프레이(31) 및 히터(32), 전선 등으로 인해 원자로용기(1)가 커지고, 원자로용기(1)의 구조가 복잡하여 원자로용기(1)의 제작비용이 증가한다. 또한, 원자로용기(1) 내부에 핵연료재장전 등을 위해서는 항상 가압기(30)를 우선적으로 분리해야 하므로 유지보수 작업이 다소 어려워진다.

또한, 주요기기 및 내부구조물을 분해 조립하는데 소요되는 원자로건물의 내부 공간이 커져 원자로건물의 크기가 커지는 문제점이 있다.

D1: 공개특허공보 제10-2014-0099130호(2014.08.11.)

따라서, 본 발명의 일 목적은, 원자로용기의 크기 및 구조가 단순해져 원자로용기의 제작비용이 감소하고, 원자로용기 내부의 유지보수 작업이 용이해지며, 원자로건물의 크기를 감소시킬 수 있는 원전을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 원전은 원자로냉각재계통; 원자로용기의 외부에 배치되고, 내부에 붕산수를 저장하여 상부에 상기 붕산수의 수위를 형성하고, 상기 원자로냉각재계통의 압력에 따라 선택적으로 작동하는 히터 및 살수배관을 구비하여 상기 원자로냉각재계통을 가압하는 가압기; 상기 가압기의 상부 공간과 상기 원자로용기의 상부를 연결하여, 상기 붕산수의 중력 주입을 위한 압력평형을 유지하는 제1압력평형배관; 및 상기 가압기의 하부와 상기 원자로용기를 연결하여, 사고 시 상기 붕산수를 중력에 의해 상기 원자로용기의 내부로 주입하는 제1주입배관을 포함한다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 가압기는 상기 살수배관의 용량을 초과하여 상기 원자로냉각재계통의 압력이 상승하는 경우에 작동하는 감압장치를 더 구비할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 원자로용기는, 내부에 증기발생기를 구비하는 일체형 원자로로 구성될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 가압기와 별개로 배치되도록 상기 원자로용기의 외부에 설치되고, 내부에 붕산수를 저장하는 노심보충탱크; 상기 노심보충탱크의 상부와 상기 원자로용기의 상부를 연결하여, 상기 붕산수의 중력 주입을 위한 압력평형을 유지하는 제2압력평형배관; 및 상기 노심보충탱크의 하부와 상기 원자로용기를 연결하여, 사고 시 상기 붕산수를 중력에 의해 상기 원자로용기의 내부로 보충하는 제2주입배관을 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 가압기와 별개로 배치되도록 상기 원자로용기의 외부에 설치되고, 내부에 붕산수를 저장하는 안전주입탱크를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 안전주입탱크의 상부와 상기 원자로용기의 상부를 연결하여, 상기 붕산수의 중력 주입을 위한 압력평형을 유지하는 제3압력평형배관; 및 상기 안전주입탱크의 하부와 상기 원자로용기를 연결하여, 사고 시 상기 붕산수를 중력에 의해 상기 원자로용기의 내부로 안전 주입하는 제3주입배관을 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 가압기와 원자로용기 사이에 배치되고, 상기 가압기 및 원자로용기의 붕산농도 차이에 의한 붕산농도의 혼합을 완화시키는 완충부를 포함하고, 상기 완충부는, 완충부하우징; 상기 완충부하우징의 내부에 서로 연통되게 형성되는 복수의 격실; 및 상기 완충부하우징의 내부에 이격 배치되어, 상기 복수의 격실을 형성하는 칸막이를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 완충부는 상기 원자로용기의 내부 및 외부, 상기 가압기의 내부 중 적어도 한 곳에 설치될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 가압기와 별개로 구비되고, 내부에 기설정된 농축도 이상의 붕산수를 저장하여, 사고 시 상기 붕산수를 상기 원자로용기의 내부로 보충하는 고농축붕산수저장부를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 고농축붕산수저장부는 원자로용기의 내부에 구비될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 고농축붕산수저장부는 가압기, 노심보충탱크 및 안전주입탱크 중 어느 하나와 연결되어, 안전주입 시 상기 기설정된 농축도 이상의 붕산수를 선행하여 주입할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 가압기는 상기 원자로냉각재계통보다 붕산농도가 높은 붕산수를 저장할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 원자로용기는 반구형 또는 평판형 덮개를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 제1압력평형배관 및 제1주입배관은 개방되고, 상기 가압기의 수위는 원자로용기보다 높게 위치할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 제1주입배관은 피동안전주입계통의 안전주입배관과 연결될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 원자로용기가 축소되고 단순화되어, 원자로용기의 설계가 용이하고 제작비용이 감소한다.

둘째로, 가압기가 별도로 구성되므로, 원자로용기의 내부에 대한 유지보수 작업 중에 가압기를 해체하지 않아도 되고, 가압기의 히터 보수 작업 시 원자로용기를 해체하지 않아도 되므로, 가압기 및 원자로용기의 유지보수 작업이 용이하다.

셋째, 원자로용기의 유지보수에 소요되는 원자로건물의 내부 공간이 감소하고 단순해져 원자로건물이 축소되고 단순화지고, 원자로건물의 설계가 용이하고 원자로건물의 제작비용이 감소한다. 또한, 원자로건물의 내부 공간이 단순해져 유지보수 작업이 용이해지고, 원자로냉각재를 관리하는 화학 및 체적제어계통이 경량화된다.

넷째, 가압기를 사고 시 냉각수의 안전주입에 활용할 수 있다.

다섯째, 원자로용기의 크기가 감소하므로, 제어봉구동장치의 제어봉 및 안내관 등의 길이가 짧아진다.

여섯째, 가압기에 설치되는 안전밸브 및 안전감압밸브를 원자로용기에서 분리하여, 원자로용기의 상부 덮개의 관통 구조물을 단순화할 수 있다.

또한, 선택적으로 다음과 같은 기술을 채용할 수 있다.

첫째, 노심보충탱크를 가압기의 용도로 활용할 경우에 노심보충탱크의 온도가 높아 선택적으로 고농축의 붕산수를 저장하여 사고 시 신속히 고농축 붕산수를 주입할 수 있다.

둘째, 고농축 붕산수 또는 저농축 붕산수를 선택적으로 사용할 수 있다.

셋째, 원자로냉각재계통과 노심보충탱크 사이에 완충부를 두어 붕산농도 차이에 의한 영향을 줄여줄 수 있다.

넷째, 완충부는 원자로용기의 내부 또는 외부 또는 가압기의 내부에 한 대를 설치하거나, 원자로용기의 내부 및 외부, 가압기의 내부 중 적어도 두 곳이상에 모두 한 대씩 둘 수 있다.

다섯째, 노심보충탱크와 가압기를 분리하여 구성하고, 노심보충탱크는 안전주입 및 붕산수 주입에 활용하고, 가압기는 안전주입에 활용하도록 구성할 수 있다.

여섯째, 원자로용기의 상부 덮개를 반구형 또는 평판형으로 구성할 수 있다.

일곱째, 소용량의 고농축붕산수저장부를 원자로용기의 내부에 설치할 수 있다.

여덟째, 소용량의 고농축붕산수저장부는 노심보충탱크 또는 안전주입탱크의 안전주입과 별도로 작동하도록 구성하거나, 노심보충탱크 또는 안전주입탱크에 선행하여 붕산수를 주입하도록 구성할 수 있다.

아홉째, 고농축붕산수저장부가 노심보충탱크 또는 안전주입탱크에 선행하여 주입하도록 구성하는 경우, 고농축붕산수탱크를 작동하기 위한 구동기기, 예를 들면 안전계통의 작동신호에 의해 작동되는 격리밸브 등을 설치하지 않아도 된다. 왜냐하면, 안전주입계통이 작동되면 안전주입수(저온)가 붕산탱크의 하부를 채우면서 상부의 고농축 붕산수(고온)가 원자로용기의 내부로 주입되도록 구성되기 때문이다.

열번째, 원자로용기의 내부에 고농축붕산수저장부를 설치하는 경우 고농축을 유지하기 위한 별도의 히터가 설치되지 않아도 된다.

열한번째, 원자로용기의 내부에 고농축붕산수저장부 또는 완충부를 설치하는 경우에, 고농축붕산수저장부 및 완충부의 설계압력이 감소한다.

열두번째, 고농축 붕산수를 이용하는 경우, 신속한 붕산 주입이 요구되는 사고 시 고농축붕산수를 원자로에 신속하게 주입하여 핵반응을 억제할 수 있다.

도 1은 종래의 피동안전주입계통의 일부로 노심보충탱크를 적용하고 가압기를 내장한 일체형원자로의 개념도이다.
도 2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 노심보충탱크 통합형 가압기를 적용한 일체형원자로의 정상운전 시 모습을 보여주는 개념도이다.
도 2b는 도 2a의 일체형 원자로의 사고 시 모습을 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 노심보충탱크 통합형 가압기를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 노심보충탱크 분리형 가압기를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 노심보충탱크 분리형 가압기를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 노심보충탱크 분리형 가압기를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제6실시예에 따른 노심보충탱크 분리형 가압기를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 제7실시예에 따른 노심보충탱크 통합형 가압기를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.
도 9는 본 발명의 제8실시예에 따른 노심보충탱크 분리형 가압기를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 제9실시예에 따른 가압기를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.
도 11은 본 발명의 제10실시예에 따른 가압기를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.
도 12는 본 발명의 제11실시예에 따른 가압기를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.
도 13a는 본 발명의 제1실시예에 따른 고농축붕산수저장부의 형상을 보여주는 수평단면도이다.
도 13b는 본 발명의 제2실시예에 따른 고농축붕산수저장부의 형상을 보여주는 수평단면도이다.

이하, 본 발명에 관련된 원전에 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 2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 노심보충탱크 통합형 가압기를 적용한 일체형원자로의 정상운전 시 모습을 보여주는 개념도이고, 도 2b는 도 2a의 일체형 원자로의 사고 시 모습을 보여주는 개념도이다.

원자로용기(1)는 고온고압의 원자로냉각재계통(1)의 압력경계를 형성한다. 원자로용기(1)의 상부 덮개는 반구형, 타원형 또는 평판형 등의 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 일반적으로 평판형 덮개(1a)를 채용하면 원자로용기(1)의 내부공간이 축소되나, 두께가 두꺼워진다. 그리고, 타원형 또는 반구형 덮개(1b)를 채용하면 원자로용기(1)의 내부공간은 늘어나지만, 두께가 얇다. 도 2a에 도시된 원자로용기(1)의 덮개는 평판형이다.

본 발명에 따른 원자로의 가압기(210)는 원자로용기(1)에서 외부로 이격 배치된다.

본 발명에 따른 원자로의 가압기(210)는 원자로용기(1)에서 분리되어, 피동안전주입계통(120)의 일부로 사용되는 노심보충탱크(210)와 통합될 수 있다.

왜냐하면, 종래의 노심보충탱크는 개방된 압력평형배관에 의해 원자로냉각재계통(1)과 연통되어, 원자로용기(1)와 동일한 설계압력으로 설계되므로, 노심보충탱크를 가압기로 활용할 수 있는 조건을 갖추고 있기 때문이다.

가압기(110)가 노심보충탱크와 통합됨에 따라 노심보충탱크 겸용 가압기로 사용될 수 있다.

노심보충탱크 통합형 가압기(110)는 노심보충탱크의 고유 기능과 함께 가압기의 기능도 수행한다.

노심보충탱크의 고유 기능은 사고 시 원자로냉각재계통(1)에 냉각수를 보충해주고, 붕산수(110a)를 원자로용기(1) 내부에 보충하여, 붕산수(110a)에 의해 노심(2)의 핵분열을 억제해주며, 노심(2)의 노출을 방지한다.

가압기(110)의 기능은 원자로냉각재계통(1)을 포화온도/압력 이내의 과압 상태로 가압하고 압력을 제어하여, 가압경수로에서 원자로냉각재가 순환하면서 원자로냉각재계통(1)의 내부에서 증기가 형성되는 것을 방지한다.

노심보충탱크에 가압기(110)의 기능을 통합하기 위해서는 노심보충탱크의 상부에 수위를 형성해야한다. 즉, 기존의 노심보충탱크는 붕산수를 만수위로 저장하였지만, 노심보충탱크가 가압기(110)의 기능을 수행하기 위해서는 탱크 상부의 수위 위쪽으로 상부 공간(110b)을 형성하여 원자로냉각재계통(1)의 체적변화에 따라 원자로냉각재계통(1)의 압력을 흡수할 수 있어야 하기 때문이다.

도 2a에 도시된 가압기(110)는 노심보충탱크 통합형 가압기(110)다. 도 2a에 대한 설명에서 가압기(110)는 특별한 한정이 없는 한 노심보충탱크 통합형 가압기(110)를 지칭한다.

노심보충탱크 통합형 가압기(110)는 내부에 붕산수(110a)를 저장하는 탱크로 구성된다. 탱크 상부에 수위가 형성되고, 탱크의 상부 공간(110b)은 증기로 채워진다. 가압기(110)에 저장되는 붕산수(110a)의 붕산 농도는 종래의 노심보충탱크의 농도를 유지할 수도 있으며, 종래보다 낮은 농도나 높은 농도를 적용할 수도 있다.

물 속에 용해되는 붕산농도는 상온에서 약 4000ppm이고, 고온(약 300℃)에서 약 20000ppm(상온 대비 5배) 정도이다. 노심보충탱크가 가압기(110)와 분리되는 경우 노심보충탱크(210)의 온도조건은 상온이며, 노심보충탱크와 가압기(110)가 병합 또는 통합되는 경우 온도조건이 고온, 약 340℃이다. 따라서, 노심보충탱크와 가압기(110)를 병합하는 경우 붕산농도는 원자로냉각재계통(1)보다 더 높은 농도를 적용할 수 있다.

노심보충탱크 통합형 가압기(110)는 제1압력평형배관(115) 및 제1주입배관(116)을 통해 원자로냉각재계통(1)과 연통된다. 이에 의해 원자로냉각재계통(1)의 온도 변화 또는 체적변화에 따라 제1주입배관(116)을 통해 원자로냉각재계통(1)의 원자로냉각재(붕산수 또는 냉각수)가 노심보충탱크 통합형 가압기(110)로 이동하거나 가압기(110)의 붕산수(110a) 또는 냉각수가 원자로냉각재계통(1)으로 이동할 수 있다.

제1압력평형배관(115)의 일단부는 원자로용기(1)의 상부에 연통되게 연결되고, 제1압력평형배관(115)의 타단부는 가압기(110)의 수위의 상부 공간(110b)과 연통되게 연결되어, 가압기(110)와 원자로냉각재계통(1) 상호간의 압력평형을 이룰 수 있다. 이에 의해, 가압기(110)는 노심보충탱크(210)의 기능, 즉 사고 시 중력에 의해 원자로용기(1)로 냉각수를 보충할 수 있다.

가압기(110)는 원자로냉각재계통(1)과 압력평형을 이룰 수 있도록 원자로냉각재계통(1)과 동일한 설계압력으로 이루어진다.

제1주입배관(116)의 일단부는 가압기(110)의 하부와 연통되게 연결되고, 제1주입배관(116)의 타단부는 원자로용기(1)와 연결되어, 원전의 정상 운전 시 원자로냉각재계통(1)의 압력에 따라 원자로용기(1)와 가압기(110) 사이에서 원자로냉각재 또는 냉각수(붕산수)의 이동을 위한 유로를 제공한다(가압기(110) 기능). 즉, 제1주입배관(116)은 정상 운전 시 가압기(110)의 밀림관과 동일한 기능을 한다. 가압기(110)의 밀림관은 원자로냉각재와 냉각수가 가압기(110)와 원자로용기(1) 상호간의 교류를 위한 통로이다. 또한, 제1주입배관(116)은 사고 시 가압기(110)의 붕산수(110a)(냉각수)를 원자로용기(1) 내부로 주입하기 위한 유로를 형성한다.

이때, 제1주입배관(116)은 안전주입배관(131)과 연결되어 원자로용기(1)와 연통되거나 원자로용기(1)에 직접 연결될 수 있다. 도 2a에 도시된 제1주입배관(116)의 타단부는 안전주입배관(131)과 연결되어 원자로용기(1)의 내부와 연통되어 있다. 이 경우, 가압기(110)는 제1주입배관(116)과 안전주입배관(131)을 공유할 수 있다.

안전주입배관(131)은 기타 피동안전주입계통(130)과 원자로용기(1)를 연결하는 배관이고, 사고 시 안전주입수를 원자로냉각재계통(1)으로 주입한다. 안전주입배관(131)은 제1압력평형배관(115)의 일단부와 원자로용기(1)의 연결부분보다 더 낮게 위치로 원자로용기(1)에 연결된다.

상기 제1주입배관(116)은 정상 운전 시 또는 사고 시에 모두 개방된 상태이다. 안전주입배관(131)에 격리밸브(5)가 설치되어, 격리밸브(5)에 의해 선택적으로 개폐될 수 있다. 하지만, 가압기(110)의 기능을 수행하기 위해서 안전주입배관(131)은 사고 시 뿐만 아니라 정상 운전 시에도 개방될 수 있다.

가압기(110)의 수위는 원자로용기(1)보다 더 높게 위치하여, 사고 시 원자로냉각재계통(1)과 가압기(110)의 압력평형이 이루어지면 중력에 의해 붕산수(110a)가 원자로용기(1) 내부로 주입될 수 있다.

가압기(110)는 정상 운전 중에 원자로냉각재계통(1)을 가압하거나 압력을 제어하기 위해 히터(111), 살수배관(112)('스프레이'라고도 칭함), 감압장치를 구비한다.

히터(111)는 전선을 구비하고, 전선에 전원이 인가됨에 따라 전기에너지를 열에너지로 전환하여 가압기(110) 내부에 저장된 붕산수를 가열한다. 이에 의해, 원자로냉각재계통(1)의 압력이 하강할 때 히터(111)가 작동하여 원자로냉각재계통(1)의 압력을 상승시킨다.

살수배관(112)은 가압기(110)의 상부에 구비되고, 살수배관(112)의 일단부는 가압기(110) 외부의 냉각수저장부와 연결되고, 살수배관(112)의 타단부는 가압기(110)의 상부 공간(110b)과 연결된다. 또한, 살수배관(112)의 타단부에 복수의 살수노즐이 형성되어, 살수배관(112)를 통해 공급되는 냉각수를 가압기(110)의 상부공간으로 살수시킨다. 이에 의해, 원자로냉각재계통(1)의 압력이 상승할 때 살수배관(112)이 작동하여, 원자로냉각재계통(1)의 압력을 하강시킨다.

감압장치는 가압기(110)의 일측에 구비된다.

감압장치는 가압기(110)의 상부에 설치되고, 원자로냉각재계통(1)의 압력상승 시 원자로냉각재계통(1)의 과압(overpressure)에 의한 손상을 방지하기 위해서 설치된다. 가압기(110)에 설치되는 감압장치는 안전밸브(113)와 안전감압밸브(114)의 두 종류가 있다.

안전밸브(113)는 원자로의 압력이 급격히 상승하는 경우 압력상승을 억제해주는 기능으로서, 원자로냉각재계통(1)의 압력이 기 설정치(밸브 열림) 이상이 되면 열리고, 기 설정치(밸브 닫힘) 이하가 되면 닫히도록 구성된다. 일반적으로 안전밸브(113)(PSV)는 스프링의 힘과 원자로냉각재계통(1)의 압력의 차이에 의해 열리고 닫히게 된다.

안전감압기능은 비냉각재상실사고 등이 발생하고 이와 함께 모든 잔열제거기능이 상실되는 등의 설계기준초과사고에 의해 원자로냉각재계통(1)이 고온 고압의 상태로 유지되는 경우 원자로냉각재계통(1)의 압력을 낮추어 주는 기능이다.

안전감압기능은 운전원이 판단하여 밸브를 수동으로 개방하여 원자로냉각재계통(1)의 압력을 낮추어 주도록 구성된다. 안전감압밸브(114)(SDV)는 운전원의 작동신호에 따라 전기 등의 구동력에 의해 열리게 된다.

이밖에 파이로트구동안전방출밸브(POSRV)는 안전밸브(113)기능과 안전감압기능을 동시에 수행하도록 구성된 밸브이다. 파이로트구동안전방출밸브(POSRV)의 스프링 장착 파이롯트 구동 밸브가 안전밸브(113)기능을 수행하고 전동기 구동 파이롯트 밸브가 안전감압기능을 수행하도록 구성된다.

자동감압밸브(ADV)는 안전계통의 일부로서 관련된 안전계통의 작동과 함께 작동되며, 사고 발생 시 자동감압밸브의 작동 설정값에 도달하면 자동감압밸브가 자동으로 열리도록 구성된다. 일반적으로 자동감압밸브가 설치되는 경우에는 안전감압밸브(114)를 추가로 설치하지 않으며 작동이 요구되는 경우에 운전원의 판단에 의해 운전원이 자동감압밸브를 수동으로 열수 있도록 구성된다.

본 발명에 따른 감압장치는 살수배관(112)의 용량을 초과하여 원자로냉각재계통(1)의 압력이 상승할 때 작동하여 가압기(110) 내부의 증기를 외부로 방출시킨다. 감압장치는 안전밸브(113) 또는 안전감압밸브(114)로 구현될 수 있다.

안전밸브(113)는 체크밸브(133)를 포함하여 구성될 수 있으며, 스프링과 같은 힘에 의해 압력 변화 시 유동이 형성될 때 자동으로 개폐 작동할 수 있다.

안전감압밸브(114)는 동력구동밸브(격리밸브(5))를 포함하여 구성될 수 있으며, 사고 시 관련계통의 작동신호에 의해 개폐될 수 있다.

또한, 감압장치로 안전밸브(113) 또는 안전감압밸브(114) 이외에도 수동밸브를 포함하여 구성될 수 있다. 수동밸브는 원전 정지 후 유지보수작업 등을 수행할 때 개폐될 수 있다.

완충부(121)는 가압기(110)와 원자로용기(1) 사이에 설치되어, 가압기(110)와 원자로냉각재계통(1)의 붕산 농도가 다른 경우 붕산 농도의 혼합 현상을 완화시키는 역할을 한다. 이때, 완충부(121)는 가압기(110) 및 원자로용기(1) 외부에 배치되는 안전주입배관(131)에 설치될 수 있으며, 이 경우 완충부(121)는 압력경계를 형성하므로 완충부(121)의 두께가 두꺼워지나, 설치위치에 제약이 줄어든다.

상기 완충부(121)는 완충부하우징(123), 복수의 격실(122), 칸막이(124)를 포함한다.

완충부하우징(123)은 가압기(110)와 원자로용기(1) 사이에 위치하고, 중공형 실린더를 포함하고, 실린더의 양단부는 각각 반구 형상으로 이루어져, 내부에 유체, 원자로냉각재 또는 붕산수 등을 수용하기 위한 수용공간을 형성한다.

완충부하우징(123)의 내부에 복수의 격실(122)이 형성된다. 복수의 격실(122)은 복수의 칸막에 의해 서로 구획되고, 칸막이(124)에 형성되는 연결홀에 의해 서로 연통된다.

칸막이(124)는 가압기(110)에서 원자로용기(1)로 이동하는 붕산수의 흐름양을 막아주는 저항체 역할을 한다. 이를 위해, 칸막이(124)는 완충부하우징(123)의 길이방향으로 이격 배치되고, 완충부하우징(123)의 상부면 또는 하부면에서 수용공간을 향해 상하방향으로 돌출형성되어, 상기 격실(122)을 구획할 수 있다.

상기 연통홀(124a)은 완충부하우징(123)의 길이방향으로 번갈아가면서 칸막이(124)의 상부 또는 하부에 형성되어, 각 격실(122)에 수용되는 붕산수가 이웃하는 격실(122)로 이동할 수 있다. 이에 의해, 가압기(110)와 원자로냉각재계통(1)의 붕산 농도가 다른 경우 붕산이 서로 혼합되는 현상을 완화시킬 수 있다.

원자로용기(1)의 하부 중심부에는 노심(2)이 위치한다. 노심(2)은 내부에 장입된 우라늄 등의 핵연료를 장입하고, 핵분열에 의해 열을 생산한다. 이는 사고 시 원전의 정지 후에도 잔열을 발생시킨다.

원자로용기(1)의 상부 측면에 원자로냉각재펌프(6)가 구비된다. 원자로냉각재펌프(6)는 임펠러 및 임펠러를 구동시키기 위한 구동부로 구성된다. 임펠러는 원자로용기(1) 내부에 설치되고, 구동부는 원자로용기(1)의 외부에 설치되며, 임펠러와 구동부를 연결하는 회전축이 구비된다. 원자로냉각재펌프(6)가 가동되면 임펠러를 회전시킴으로 원자로냉각재(냉각수, 1차계통수)를 강제로 순환시킨다.

증기발생기(3)는 1차계통과 2차계통의 압력경계를 형성하고, 1차계통수가 증기발생기(3) 내부의 한쪽 유로로 전달되고, 2차계통수가 증기발생기(3) 내부의 다른쪽 유로로 흐르며, 이들 유체 상호간의 열교환에 의해 원자로냉각재(고온, 1차계통수)는 냉각되고, 급수(저온, 2차계통수)는 원자로냉각재로부터 열을 전달받아 증기를 생산하고, 생산된 증기는 터빈으로 공급되어 전기를 생산한다.

제어봉구동장치(4)는 중성자의 속도를 제어하는 제어봉을 구동시키며, 원자로 노심(2)의 핵분열 반응도를 제어한다. 제어봉구동자치는 사고 시 제어봉을 모두 삽입하여 원자로 노심(2)의 핵분열을 정지시킨다.

도 2a에 도시된 원전의 정상 운전 시에는 가압기(110)의 내부에 원자로냉각재계통(1)의 붕산 농도보다 높은 저농축 붕산수가 채워져 있다.

노심(2)에서 핵분열에 의해 열이 발생하여 원자로냉각재로 전달되고, 원자로냉각재는 원자로냉각재펌프(6)에 의해 강제 순환되어, 증기발생기(3)의 제1차유로로 공급되며, 증기발생기(3)의 2차유로로 급수가 공급된다. 원자로냉각재는 급수로 열을 전달하고 자신은 냉각되어 다시 노심(2)으로 순환하고, 급수는 열을 전달받아 증기로 변해 터빈으로 공급된다. 터빈에서는 전기가 생산된다. 노심(2)의 핵분열 반응도는 제어봉 및 원자로냉각재계통(1)의 붕산 농도에 의해 제어된다.

이러한 과정 중에 원자로냉각재계통(1)의 온도, 이에 따른 체적이 변동할 수 있다. 이러한 변동은 제1주입배관(116)(밀림관 등) 및 완충부(121)를 통해 가압기(110)로 전달 흡수되거나 히터(111) 및 살수배관(112), 그리고 화학 및 체적제어계통(미도시)에 의해 제어된다.

완충부(121)는 가압기(110)와 원자로냉각재계통(1) 사이의 붕산 농도 또는 온도차가 빠르게 전파되는 것을 완화한다.

도 2b에 도시되는 일체형 원자로에서 가압기(110)의 연결배관, 즉 안전주입배관(131)의 파단과 같은 사고, 예를 들어 냉각재상실사고가 발생하면, 원자로냉각재계통(1)의 냉각재가 원자로건물 내부로 방출된다. 단, 도 2b에는 도시하지 않았지만, 냉각재상실사고 이외의 기타 비냉각재상실사고 시에도 가압기(110)에 의한 냉각수 주입이 이루어질 수 있다.

가압기(110)의 연결배관 파단 시 가압기(110)의 냉각수(붕산수)도 파단부를 통해 방출된다. 냉각수 또는 원자로냉각재가 방출됨에 따라 원자로냉각재의 압력과 수위가 감소한다.

원자로냉각재계통(1)의 수위가 감소함에 따라 건전한 가압기(110)의 붕산수가 중력 수두 차이에 의해 별도의 작동신호 없이도 원자로냉각재계통(1)으로 주입된다. 붕산수가 주입됨에 따라 원자로냉각재계통(1)의 붕산수의 농도가 높아진다.

사고 발생에 따라 원자로의 제어봉이 삽입되면서 원자로 노심(2)이 정지되고, 안전계통에 대한 작동신호가 발생한다.

예를 들면, 피동잔열제거계통의 작동신호에 따라 피동잔열제거계통의 열(원자로냉각재계통(1)의 현열 및 노심(2)의 잔열)을 제거한다.

또한, 피동안전주입계통(120)의 작동신호에 따라 안전주입탱크(410)의 격리밸브(5)가 개방되고, 안전주입탱크(410)로부터 중력에 의한 안전주입이 시작되는 등 후속 안전주입계통이 작동하여 안전주입수(붕산수)를 공급하여 노심(2)의 수위를 확보 및 유지하고, 붕산 농도를 높여준다. 냉각재상실사고의 가압기(110)로부터의 안전주입이 종료되고, 안전주입탱크(410)로부터 안전주입수가 지속적으로 주입된다.

원자로 노심(2)의 잔열이 제거되고, 안전주입수가 지속적으로 공급되면서 원자로는 안전정지 상태를 유지한다.

따라서, 본 발명에 따른 가압기(110)를 장착한 일체형원자로에 의하면, 원자로용기(1)를 보다 단순화하면서, 정상 운전 시 가압기(110)의 기능과 사고 시 노심보충탱크(210)의 기능을 동시에 수행할 수 있어서 보다 경제적으로 일체형원자로를 구성할 수 있다.

또한, 기존의 일체형 원자로에서 가압기(110)가 원자로용기(1) 내부에 위치함에 따라, 원자로용기(1)가 커지고 원자로용기(1)의 내부구조가 복잡해지며, 원자로건물이 커져 원자로용기(1) 및 원자로건물 등의 제작비용이 증가하는 문제와 유지보수 작업이 어려워지는 문제를 해소할 수 있다.

본 발명의 가압기(110)의 기능은 일반적인 능동형 또는 분리형 또는 모듈형 원자로의 안전주입계통에도 적용할 수 있으므로, 그 범위를 일체형 원자로에 한정하지는 않는다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 노심보충탱크 통합형 가압기(110)를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.

도 3에 도시된 완충부(221)는 원자로용기(1)의 내부에 설치될 수 있다.

완충부(221)는 가압기(110) 내부에도 설치될 수 있다. 이 경우 완충부(221)는 압력경계를 형성하지 않으므로, 완충부(221)의 외벽을 얇은 두께로 적용할 수 있다.

기타 구성은 도 2a 및 도 2b의 구성 및 작용과 동일 또는 유사하므로, 명료한 설명을 위해 제세한 설명을 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 노심보충탱크 분리형 가압기(110)(310)를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.

도 4에 도시되는 가압기(310)는 도 2의 노심보충탱크 통합형 가압기(110)와 달리 노심보충탱크(210)와 별개로 분리된다. 예를 들면, 노심보충탱크(210) 2개 및 가압기(110) 2대가 적용될 수 있다.

도 4에 도시된 가압기(310)는 원자로냉각재계통(1)과 동일한 농도의 붕산수를 적용할 수 있다. 제1압력평형배관(315) 및 제1주입배관(316)이 개방됨에 따라, 가압기(310)는 정상 운전 중에 원자로냉각재계통(1)의 온도변화 등에 의한 체적변화를 수용할 수 있고, 사고 시 작동신호 없이도 원자로냉각재계통(1)과의 압력평형이 이루어지면 중력에 의해 붕산수를 안전주입할 수 있다. 또한, 가압기(110)는 가압경수로에서 원자로냉각재계통(1)을 포화온도/압력 이내의 과압상태로 가압하고 원자로냉각재계통(1)의 압력을 제어할 수 있다.

다만, 도 4의 가압기(310)는 노심보충탱크(210)와 분리되므로, 노심보충탱크(210)가 사고 시 원자로용기(1) 내부로 냉각수를 주입하거나 붕산수를 주입하는 기능을 수행한다.

노심보충탱크(210)는 피동안전주입계통(120)의 일부로 구성된다.

노심보충탱크(210)는 내부에 원자로냉각재계통(1)보다 높은 농도의 붕산수를 저장한다. 노심보충탱크(210)는 제2압력평형배관(215) 및 제2주입배관(216)에 의해 원자로냉각재계통(1)과 연결된다.

제2압력평형배관(215)의 일단부는 노심보충탱크(210)의 상단부에 연결되고, 제2압력평형배관(215)의 타단부는 원자로용기(1)의 상단부에 연결되고, 제2압력평형배관(215)은 개방되어, 원자로냉각재계통(1)과 압력평형을 이룬다.

제2주입배관(216)의 일단부는 노심보충탱크(210)의 하단부에 연결되고, 제2주입배관(216)의 타단부는 원자로용기(1)의 내부와 연결되며, 제2주입배관(216)에 격리밸브(211)가 설치되어, 제2주입배관(216)은 격리밸브(211) 및 체크밸브(212)에 의해 닫혀 있다. 이에 의해, 제2압력평형배관(215) 및 제2주입배관(216) 중 제2압력평형배관(215)만 개방된 상태이다.

사고 시 관련신호에 따라 제2주입배관(216)의 격리밸브(5)가 개방되어, 노심보충탱크(210)는 중력에 의해 냉각수 주입 및 붕산수 주입 기능을 수행한다.

도 4에 도시된 원자로용기(1)의 덮개는 반구형 덮개(1b)이고, 원자로용기(1)의 내부공간 절약 효과는 줄어드나, 평판형 덮개(1a) 대비 두께가 감소한다.

여기서, 노심보충탱크 통합형 가압기(110)와 노심보충탱크 분리형 가압기(310)는 둘 중 어느 하나가 더 낫다고 판단할 것이 아니라, 발전소의 특성 및 효율성에 따른 선택의 문제일 뿐이다. 예를 들어, 노심보충탱크 분리형 가압기(310)의 경우 노심보충탱크(210)에는 히터(111) 등이 포함되어 있지 않으므로, 노심보충탱크 통합형 가압기(110) 대비 히터(111)의 갯수를 감소시킬 수 있다.

기타 구성은 도 2a의 구성 및 작용과 동일 또는 유사하므로, 자세한 설명을 생략하기로 한다.

도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 노심보충탱크 분리형 가압기(310)를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.

도 5에 도시된 원자로용기(1)의 덮개는 평판형 덮개(1a)이고, 반구형 덮개(1b) 대비 두께가 증가하나, 원자로용기(1)의 체적을 감소시킬 수 있다.

기타 구성은 도 4의 구성 및 작용과 동일 또는 유사하므로, 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 노심보충탱크 분리형 가압기(310)를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.

도 6에 도시된 가압기(110)는 도 5에 도시된 가압기(110) 대비 용량 또는 체적이 증가된 모습을 보여준다. 또한, 도 6의 가압기(110)는 기타 피동안전주입계통(130)의 안전주입배관(131)과 별개로 형성되는 제1주입배관(116)(밀림관)을 통해 원자로용기(1)와 연결된다.

기타 구성은 도 5의 구성 및 작용과 동일 또는 유사하므로, 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 7은 본 발명의 제6실시예에 따른 노심보충탱크 분리형 가압기(310)를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.

도 7에 도시된 가압기(310)는 화학 및 체적제어계통과 연결될 수 있다.

화학 및 체적제어계통(330)(Chemical and Volume Control System)은 가압수형 원자로에서 1차냉각재의 일부를 1차냉각재 저온측 배관에서 추출하여 충전관을 거쳐 다른 1차냉각재 저온측 배관으로 되돌아가는 회로를 구성할 수 있다.

일반적으로 화학 및 체적제어계통은 재생열교환기, 체적제어탱크, 붕소탱크 등의 기기, 배관, 밸브류 등으로 구성되어, (1) 1차냉각재의 보유량을 적정하게 조정하고, (2) 반응도제어를 위해 1차냉각재 중의 붕소농도를 조정한다. (3) 1차냉각재 중의 핵분열생성물, 불순물을 제거하고 1차냉각재로서의 수질을 유지한다. (4) 1차냉각재 중에 부식억제제를 첨가하여 그 농도를 적정하게 유지한다.

가압기(310)와 원자로냉각재계통(1)이 동일한 붕산농도를 적용하는 경우 화학 및 체적제어계통을 도 7의 가압기(310)에 연결시킬 수 있으며, 이 경우 원자로용기(1)의 연결배관을 단순화하고 원자로냉각재계통(1)과 가압기(310)의 수질 조건을 보다 유사하게 유지할 수 있다.

도 8은 본 발명의 제7실시예에 따른 노심보충탱크 통합형 가압기(110)를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.

도 8에 도시된 가압기(110)는 노심보충탱크 통합형 가압기(110)로 구성된다. 이 경우 가압기(110)는 사고 시 냉각수(저농축 붕산수) 주입 기능만을 수행한다.

도 8에 도시된 원자로용기(1)는 내부에 고농축붕산수저장부(341)를 구비한다.

고농축붕산수저장부(341)는 내부에 고농축 붕산수로 채워지며, 원자로용기(1) 내부에 설치되므로 고온조건에서 냉각수에 용해되는 붕산의 농도를 크게 높일 수 있다(상온의 5배 정도).

고농축붕산수저장부(341)는 노심보충탱크 통합형 가압기(110)의 붕산 농도가 충분하지 않은 경우 붕산수를 보충하는 기능을 수행한다.

고농축붕산수저장부(341)는 안전주입계통의 일부로 구성되거나 독립적으로 구성될 수 있다.

고농축붕산수저장부(341)는 제4압력평형배관(342) 및 제4주입배관(343)에 의해 원자로용기(1)의 내부와 연통된다. 여기서, 제4압력평형배관(342) 및 제4주입배관(343)의 '제4'는 청구항에 기재되는 안전주입탱크(410)의 제3압력평형배관(415) 및 제3주입배관(416)과 구분하기 위해 기재된 것이고, 설명의 편의상 안전주입탱크(410)의 제3압력평형배관(415) 및 제3주입배관(416)에 대한 설명은 후술하기로 한다.

제4압력평형배관(342)의 일단부는 고농축붕산수저장부(341)의 상단에 연통되게 연결되고, 제4압력평형배관(342)의 타단부는 고농축붕산수저장부(341)의 상단에서 "∩" 형상의 굽은 관 형태로 원자로용기(1)의 내부로 연장되어 원자로용기(1)의 내부와 연통되어, 원자로냉각재계통(1)과 압력평형을 유지한다. 제4압력평형배관(342)이 "∩" 형상으로 굽어지게 형성된 이유는 원자로용기(1) 내부의 유체가 제4압력평형배관(342)을 통해 고농축붕산수저장부(341) 내부로 유입되는 것을 방지하기 위함이고, 고농축붕산수저장부(341)의 중력에 의한 안전주입을 위해 원자로용기(1)의 내부와 고농축붕산수저장부(341) 사이의 압력평형이 이루어질 수 있으면 되므로, "∩" 형상에 한정되지 않는다.

제4주입배관(343)의 일단부는 고농축붕산수저장부(341)의 하단부 측면에 연통되게 연결되고, 제4주입배관(343)의 타단부는 원자로용기(1)를 관통하여 외부로 연장되고, 안전주입배관(131)과 연결되어 원자로용기(1)의 내부와 연결된다.

고농축붕산수저장부(341)의 제4주입배관(343)은 안전주입배관(131)과 별개로 원자로용기(1)와 연결되거나 기타 피동안전주입계통(130)과 함께 안전주입배관(131)을 공유할 수 있다. 도 8에 도시된 제3주입배관(416)은 안전주입배관(131)을 공유한다.

제4주입배관(343)에 다중 격리밸브(344)가 설치되고, 사고 시 관련계통의 작동신호에 의해 격리밸브(344)가 개방되어, 압력평형식으로 중력에 의해 고농축 붕산수를 주입한다.

도 9는 본 발명의 제8실시예에 따른 노심보충탱크 분리형 가압기(310)를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.

도 9에 도시된 가압기(310)는 노심보충탱크 분리형 가압기(310)다.

기타 구성은 도 8의 구성 및 작용과 동일 또는 유사하므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 10은 본 발명의 제9실시예에 따른 가압기(310)를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.

도 10에 도시되는 가압기(310)는 노심보충탱크(210)를 제거하고 가압기(310) 전용으로 구성될 수 있다. 원자로냉각재계통(1)의 붕산농도가 낮아지는 경우에 고농축붕산수저장부(341)의 고농축 붕산수가 원자로용기(1)로 주입될 수 있다.

도 10에 도시되는 원자로용기(1)의 외부에 안전주입탱크(410)가 이격 배치된다. 안전주입탱크(410)는 내부에 비상냉각수(붕산수)를 저장한다.

안전주입탱크(410)는 중력식 또는 가압식 일 수 있다. 도 10의 안전주입탱크(410)는 중력식 안전주입탱크(410)이다.

중력식 안전주입탱크(410)는 제3압력평형배관(415) 및 제3주입배관(416)에 의해 원자로냉각재계통(1)과 연통된다.

제3압력평형배관(415)의 일단부는 안전주입탱크(410)의 상단부에 연결되고, 제3압력평형배관(415)의 타단부는 원자로용기(1)의 상부에 연결되어, 안전주입탱크(410)와 원자로냉각재계통(1)이 서로 압력평형을 이룰 수 있다.

제3주입배관(416)의 일단부는 안전주입탱크(410)의 하단부에 연결되고, 제3주입배관(416)의 타단부는 안전주입배관(131)과 연결되어 원자로용기(1)와 연결될 수 있다. 이때, 제3주입배관(416)은 기타 피동안전주입계통(130)과 함께 안전주입배관(131)을 공유한다.

제3압력평형배관(415)에 격리밸브가 설치되고, 제3주입배관(416)에 체크밸브(412)가 설치된다.

이에 의해, 안전주입탱크(410)는 정상 운전 시에는 원자로냉각재계통(1)과 소통하지 않고, 사고 시, 특히 냉각재상실사고시에만 제3압력평형배관(415)의 격리밸브가 개방되어 중력에 의한 안전주입이 이루어진다.

가압식 안전주입탱크는 압력평형배관을 구비하지 않고 주입배관만을 구비하여 원자로냉각재계통(1)과 연결되며, 탱크의 상부에 가압된 가스가 채워진다. 주입배관에 체크밸브가 설치된다.

이에 의해, 안전주입탱크는 정상 운전 시 원자로냉각재계통(1)과 소통하지 않고, 사고 시에만 원자로냉각재계통(1)의 압력이 감소하면 체크밸브가 개방되어 가스압력에 의한 안전주입이 이루어진다.

도 10에 도시된 가압기(110) 및 안전주입탱크(410)는 각각 기타 피동안전주입계통(420)과 함께 서로 다른 안전주입배관(131)을 공유할 수 있다.

여기서, 도 10에 도시되는 피동안전주입계통(420)의 작동신호에 따라 안전주입탱크(410)의 격리밸브가 개방되고(또는 유체의 유동에 의해 체크밸브(412가 개방되고), 안전주입탱크(410)로부터 중력에 의한 안전주입이 시작되는 등 후속 안전주입계통이 작동하여, 안전주입수(붕산수)가 공급되며 노심(2) 수위를 확보 및 유지한다. 또한, 붕산 농도를 높여준다. 냉각재상실시고의 경우 가압기(310)로부터의 안전주입이 종료되고 안전주입탱크(410)로부터 안전주입수가 지속적으로 주입된다.

기타 구성은 도 9의 구성 및 작용과 동일 또는 유사하므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 11은 본 발명의 제10실시예에 따른 가압기(110)를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.

도 11에 도시된 가압기(110)는 피동안전주입계통(420) 또는 기타 피동안전주입계통(130)의 안전주입배관(131)을 공유하지 않고 제1주입배관(316')(밀림관)에 의해 원자로용기(1)와 연결될 수 있다.

도 11에 도시되는 고농축붕산수저장부(341)는 피동안전주입계통(120) 또는 기타 피동안전주입계통(130)의 안전주입배관(131)을 공유하며, 가압기(310)와 독립적으로 고농축붕산수를 원자로용기(1)로 주입할 수 있다.

기타 구성은 도 10의 구성 및 작용과 동일 또는 유사하므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 12는 본 발명의 제11실시예에 따른 가압기(310)를 적용한 일체형원자로를 보여주는 개념도이다.

도 12에 도시되는 가압기(310)는 피동안전주입계통 또는 기타 피동안전주입계통(130)의 안전주입배관(131)을 공유하지 않고 제1주입배관(316')(밀림관)에 의해 원자로용기(1)와 연결될 수 있다.

도 12에 도시되는 노심보충탱크(210)의 제2주입배관(216)은 피동안전주입계통(120) 또는 기타 피동안전주입계통(130)의 안전주입배관(131)을 공유한다.

도 12에 도시되는 고농축붕산수저장부(341)는 원자로용기(1)의 내부 상단에 위치하고, 노심보충탱크(210)에 선행하여 고농축붕산수를 주입할 수 있다.

이를 위해, 고농축붕산수저장부(341)는 피동안전주입계통(120)의 일부로 구성되고, 별도의 작동계통, 예를 들면 격리밸브(5) 등이 없이 후속 안전주입계통의 안전주입배관(131)과 연통되게 연결되고, 고농축붕산수저장부(341)(붕산탱크)의 상단부에서 원자로용기(1)의 내부로 연장되는 "∩" 형상의 제4압력평형배관(342)이 구비된다. 이 경우, 제4주입배관(343)은 생략될 수 있다.

이에 의해, 사고 시 관련계통의 작동신호에 따라 안전주입계통(130)이 작동하면, 안전주입수가 안전주입배관(131)을 따라 고농축붕산수저장부(341)의 내부로 유입되고, 안전주입수의 유입량 만큼 고농축붕산수가 상승하여 제4압력평형배관(342)을 통해 원자로용기(1) 내부로 선행하여 주입된다.

도 13a는 본 발명의 제1실시예에 따른 고농축붕산수저장부(341)의 형상을 보여주는 수평단면도이다.

도 13a에 도시되는 고농축붕산수저장부(341a)는 원자로용기(1)의 내주면을 따라 원주방향으로 간격을 두고 이격 배치되고, 수평 단면 형상이 부채꼴로 이루어질 수 있다. 고농축붕산수저장부(341a)의 탱크의 외측면과 내측면은 서로 반경방향으로 이격되며 마주보게 형성되고, 각각 일정한 곡률로 이루어질 수 있다.

도 13a에 도시되는 안전주입배관(131)에 격리밸브(132) 및 다중 체크밸브(133)가 설치되고, 안전주입배관(131)이 원자로용기(1)를 관통하여 내부로 연통된다. "∩" 형상의 제4압력평형배관(342)은 고농축붕산수저장부(341)의 내측면과 인접하게 배치되고, 원자로용기(1)의 내부 수용공간으로 연장된다.

도 13b는 본 발명의 제2실시예에 따른 고농축붕산수저장부(341b)의 형상을 보여주는 수평단면도이다.

도 13b에 도시되는 고농축붕산수저장부(341b)는 원자로용기(1)의 내주면과 인접하게 배치되고, 원주방향으로 이격 배치될 수 있다. 고농축붕산수저장부(341b)는 원통형으로 이루어지고, 수평단면 형상은 원형일 수 있다.

기타 구성은 도 13a의 구성과 동일 또는 유사하므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 설명된 원전은 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.

1: 원자로냉각재계통(원자로용기)
1a: 평판형 덮개
1b: 반구형 덮개
2: 노심
3: 증기발생기
4: 제어봉구동장치
5: 격리밸브
6: 원자로냉각재펌프
110: 노심보충탱크 통합형 가압기
110a: 붕산수
111: 히터
112: 살수배관
113: 안전밸브
114: 안전감압밸브
115,315: 제1압력평형배관
116,316,316': 제1주입배관
120,340,420: 피동안전주입계통
121,221: 완충부
122: 격실
123: 완충부하우징
124: 칸막이
124a: 연통홀
130: 기타 피동안전주입계통
131: 안전주입배관
132: 격리밸브
133: 체크밸브
210: 노심보충탱크
211: 격리밸브
212: 체크밸브
215: 제2압력평형배관
216: 제2주입배관
310: 가압기(노심보충탱크 분리형)
341,341a,341b: 고농축붕산수저장부
342: 제4압력평형배관
343: 제4주입배관
344: 격리밸브
410: 안전주입탱크
415: 제3압력평형배관
416: 제3주입배관

Claims (15)

1. 원자로냉각재계통;
   원자로용기의 외부에 배치되고, 내부에 붕산수를 저장하여 상부에 상기 붕산수의 수위를 형성하고, 상기 원자로냉각재계통의 정상 운전 시에 원자로냉각재계통의 압력에 따라 선택적으로 작동하는 히터 및 살수배관을 구비하며 상기 원자로냉각재계통을 가압하여 정상운전 압력을 유지하고, 사고 시 상기 붕산수를 중력에 의해 상기 원자로용기의 내부로 주입하는 가압기;
   상기 가압기의 상부 공간과 상기 원자로용기의 상부를 연결하여, 상기 붕산수의 중력 주입을 위한 압력평형을 유지하는 제1압력평형배관; 및
   상기 가압기의 하부와 상기 원자로용기를 연결하여, 사고 시 상기 붕산수를 중력에 의해 상기 원자로용기의 내부로 주입하는 제1주입배관; 및
   상기 가압기와 원자로용기 사이에 배치되고, 상기 가압기 및 원자로용기의 붕산농도 차이에 의한 붕산농도의 혼합을 완화시키는 완충부를 포함하고,
   상기 완충부는,
   완충부하우징;
   상기 완충부하우징의 내부에 서로 연통되게 형성되는 복수의 격실; 및
   상기 완충부하우징의 내부에 이격 배치되어, 상기 복수의 격실을 형성하는 칸막이를 포함하는 원전.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가압기는 상기 살수배관의 용량을 초과하여 상기 원자로냉각재계통의 압력이 상승하는 경우에 작동하는 감압장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 원전.
3. 제1항에 있어서,
   상기 원자로용기는, 내부에 증기발생기를 구비하는 일체형 원자로로 구성되는 것을 특징으로 하는 원전.
4. 제1항에 있어서,
   상기 가압기와 별개로 배치되도록 상기 원자로용기의 외부에 설치되고, 내부에 붕산수를 저장하는 노심보충탱크;
   상기 노심보충탱크의 상부와 상기 원자로용기의 상부를 연결하여, 상기 붕산수의 중력 주입을 위한 압력평형을 유지하는 제2압력평형배관; 및
   상기 노심보충탱크의 하부와 상기 원자로용기를 연결하여, 사고 시 상기 붕산수를 중력에 의해 상기 원자로용기의 내부로 보충하는 제2주입배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.
5. 제1항에 있어서,
   상기 가압기와 별개로 배치되도록 상기 원자로용기의 외부에 설치되고, 내부에 붕산수를 저장하는 안전주입탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.
6. 제5항에 있어서,
   상기 안전주입탱크의 상부와 상기 원자로용기의 상부를 연결하여, 상기 붕산수의 중력 주입을 위한 압력평형을 유지하는 제3압력평형배관; 및
   상기 안전주입탱크의 하부와 상기 원자로용기를 연결하여, 사고 시 상기 붕산수를 중력에 의해 상기 원자로용기의 내부로 안전 주입하는 제3주입배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 완충부는 상기 원자로용기의 내부 및 외부, 상기 가압기의 내부 중 적어도 한 곳에 설치되는 것을 특징으로 하는 원전.
9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가압기와 별개로 구비되고, 내부에 기설정된 농축도 이상의 붕산수를 저장하여, 사고 시 상기 붕산수를 상기 원자로용기의 내부로 보충하는 고농축붕산수저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.
10. 제9항에 있어서,
    상기 고농축붕산수저장부는 원자로용기의 내부에 구비되는 것을 특징으로 하는 원전.
11. 제9항에 있어서,
    상기 고농축붕산수저장부는 가압기, 노심보충탱크 및 안전주입탱크 중 어느 하나와 연결되어, 안전주입 시 상기 기설정된 농축도 이상의 붕산수를 선행하여 주입하는 것을 특징으로 하는 원전.
12. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가압기는 상기 원자로냉각재계통보다 붕산농도가 높은 붕산수를 저장하는 것을 특징으로 하는 원전.
13. 제1항에 있어서,
    상기 원자로용기는 반구형 또는 평판형 덮개를 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.
14. 제1항에 있어서,
    상기 제1압력평형배관 및 제1주입배관은 개방되고, 상기 가압기의 수위는 원자로용기보다 높게 위치하는 것을 특징으로 하는 원전.
15. 제1항에 있어서,
    상기 제1주입배관은 피동안전주입계통의 안전주입배관과 연결되는 것을 특징으로 하는 원전.

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