KR102111814B1 - 원자로 격납체 통기 시스템용 필터 - Google Patents

원자로 격납체 통기 시스템용 필터 Download PDF

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Abstract

원자로 1차 격납체 통기를 위한 습식 필터는 압력 용기로 밀폐된 물의 풀에 잠긴 제 1 세트의 금속 섬유 필터를 통해 연통하는 복수의 유출구를 구비하는 경사진 매니폴드를 채용한다. 데미스터는 물의 풀 위에 매달려서, 대기로의 배출 통로에 연결되는 압력 용기 상의 유출구와 연통하는 제 2 매니폴드에 연결된 보다 높은 밀도의 건식 금속 섬유 필터의 제 2 단계를 통과하기 전에, 필터링된 유출물 내의 임의의 혼입된 수분을 제거한다.

Description

원자로 격납체 통기 시스템용 필터{FILTER FOR A NUCLEAR REACTOR CONTAINMENT VENTILATION SYSTEM}
(관련 출원에 대한 교차 참조)
본 특허출원은 미국 특허법 35 U.S.C §119(e) 하에서, "Wet Scrubber Using Fiber Filters for PWR and BWR Containment Venting"이라는 발명의 명칭으로 2012년 7월 6일자로 출원된 미국 가특허출원 제 61/668,585 호에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 원자로 격납체 통기 시스템에 관한 것이며, 특히 이러한 시스템을 위한 습식 필터에 관한 것이다.
많은 관할 구역에 있어서, 원자력 발전소는, 심지어 사고의 경우에도, 방사능 물질 및 비활성 가스의 누출을 방지 또는 최소화하기 위한 기구가 제공될 것임을 보장하도록 설계되어야만 한다. 방사능 방출을 방지하기 위해, 전형적으로 원자로 시스템은 강철 및 철근 콘크리트로 구성되는 1차 격납 구조물 내에 내장된다. 1차 격납체는 다양한 사고 시나리오로부터 생길 수도 있는 큰 압력을 견딜 수 있도록 설계된다. 그러나, 중대 사고에서, 격납 용기 자체는 서서히 증가하는 압력으로 고장날 수 있다고 간주되고 있다. 이러한 사고의 가능성이 매우 작다고 고려되더라도, 주변 주민이 이러한 사고의 방사능 방출에 노출되는 것에 관련된 건강상의 위험으로 인해, 다수의 주민은 격납 용기가 그 압력을 감소시키도록 통기되는 경우에, 가스를 필터링하고 방사능의 방출을 최소화하기 위한 기구가 제공되어야 한다는 생각을 가지게 되었다. 즉, 격납 용기를 위한 압력 방출 장치, 및 임의의 가스가 대기로 방출되기 전에 격납체에 의해 방출될 수도 있는 가스를 필터링하기 위한 기구를 제공하는 것이 바람직하다.
1986년의 우크라이나 체르노빌, 그리고 보다 최근의 2011년의 일본의 후쿠시마 다이이치에서의 원자핵 사고는 긴 붕괴 시간을 갖는 핵분열 생성물의 방출의 결과를 명백하게 보여준다. 손상된 원자력 발전소를 둘러싸는 대규모 면적이 오염되어, 수십년간 사용하기 적합하지 않게 되었다. 비용에 미치는 영향이 엄청나다. 사람에게 보다 유해하지만, 다른 형태의 요오드와 같은 수명이 짧은 핵분열 생성물은, 보다 용이하게 관리된다는 결과를 갖는다. 수명이 긴 작은 에어로졸(aerosol)의 형태의 핵분열 생성물은 기상 상태에 따라 긴 거리에 걸쳐 퍼진다. 이러한 사고의 결과로서, 많은 국가의 정부는 원자력 발전소가 방사능 오염으로 인한 손상으로부터 국민 및 주변 지역을 보호하도록 필터링된 격납체 통기 시스템을 설치해야만 한다고 결정하였다.
과거에, 리치(Leach)에게 허여되고, 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 제 4,610,840 호에 설명된 것과 같은 많은 필터 시스템이 제안되었다. 리치는 원자로를 위한 핵분열 생성물 세정 시스템을 개시한다. 특히, 격납체와 유체 연통하는 제 2 격실은 물로 부분적으로 충전된다. 큰 압력 증가의 경우에, 2차 격실로부터 뻗어나오는 통기 파이프(vent pipe) 내에 배치된 파열판은 압력을 경감시키도록 파열된다. 파열판이 파열될 때, 격납체로부터의 방사성 가스 및 증기는 2차 격실에 충전된 물을 통과하고, 그 다음에 이제 개방된 통기 파이프를 통해 방출된다. 뜨거운 격납체 가스 및 증기가 밀폐된 2차 격실 내에 저장된 물을 통과함에 따라, 핵분열 생성물의 대부분이 격납체 가스로부터 세정될 것이다. 이러한 시스템은 효과적일 수 있지만, 크기를 감소시키고, 이러한 방출이 잠재적으로 야기될 수도 있는 임의의 노출을 최소화하도록, 이러한 시스템의 효과를 향상시키기 위한 개선의 여지가 여전히 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 원자로 1차 격납체로부터의 임의의 가스 방출에 혼입될 수도 있는 임의의 방사능 유출물(radioactive effluent)을 완전히 제거하지는 못하더라도, 최소화시키는 보다 효율적인 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 상당한 공간을 차지하는 일 없이 원자로 1차 격납체 내에, 또는 1차 격납체에 근접하는 기존의 또는 새로운 건물 내에 지지될 수 있는 이러한 필터 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적 및 다른 목적은 원자로를 내장하기 위한 1차 격납체를 구비하는 원자력 발전 시설에 의해 달성된다. 격납체는 원자로로부터 누출된 임의의 방사능의 상당 부분을 한정한다. 1차 격납체는, 그 격납체 내의 대기 유출물의 압력이 구조적 완전성을 손상시킬 우려가 있는 수준으로 증가되는 경우에, 상기 격납체 내의 분위기 압력 증가에 대한 제어된 방출을 제공하기 위한 통기 유출구를 구비한다. 필터는 통기 유출구에 연결되며, 통기 유출구에 연결된 입구 노즐을 구비하는 용기, 및 입구 노즐과 유체 연통하고, 필터 용기의 내부의 저부 부분 내로 연장되는 입구 도관을 포함한다. 매니폴드는 입구 도관에 연결되고, 용기의 저부 부분 내로 연장된다. 매니폴드는 필터 용기 내에 포함된 액체 풀(pool) 아래에 1차 격납 대기 유출물의 일부분을 방출하도록 설계된 복수의 유출구를 포함한다. 매니폴드의 유출구에는, 섬유 필터가 부착된다. 매니폴드에 의해 분배되는 1차 격납체로부터의 유출물은 섬유 필터를 통과한다. 또한, 용기 유출구는 용기의 내부와 유체 연통하여 제공되고, 필터링된 격납체 대기 유출물을 격납 용기 외부의 외측 대기로 배출하도록 작동 가능하다. 일 실시예에 있어서, 매니폴드 및 섬유 필터는, 액체 내에 용해된 티오황산나트륨을 구비할 수도 있는 물과 같은 액체로 덮인다.
제 2 실시예에 있어서, 필터는 필터링된 격납체 대기 유출물의 배출 부분으로부터 임의의 수분을 분리하기 위해 액체 풀 위에 용기 내에 지지된 데미스터(demister)를 포함한다. 선택적으로, 제 2 세트의 복수의 섬유 필터는 용기 유출구에 연결되는 제 2 매니폴드로부터 연장되고, 이러한 용기 유출구는 바람직하게 데미스터 위에 지지된 섬유 필터를 갖는다. 이러한 실시예에 있어서, 제 2 세트의 복수의 섬유 필터는 제 1 세트의 복수의 섬유 필터보다 큰 밀도의 섬유를 갖고, 바람직하게 필터의 양 세트는 금속 섬유를 포함한다. 바람직하게, 용기 내부는 대기압 이상의 압력으로 유지되고, 대기 상태 동안에 질소로 비활성화된다.
다른 실시예에 있어서, 매니폴드는 용기의 저부 부분 내로 용기의 중심축에 대해 예각으로 연장되고, 바람직하게, 아펙스(apex)의 각 측부로부터 연장되는 하향 레그를 구비하는 역 "V"로 구성되며, 이러한 아펙스는 하향 레그 중 적어도 하나로부터 연장되는 유출구를 구비한다. 이러한 구성에 있어서, 입구 도관은 바람직하게 아펙스에서 매니폴드에 결합되고, 각각의 하향 연장 레그는 그들로부터 연장되는 유출구를 구비한다. 바람직하게, 유출구는 연장 레그로부터 상향으로 연장된다.
이하에 청구된 본 발명의 추가적인 이해는 첨부된 도면과 함께 읽을 때, 바람직한 실시예의 이하의 설명으로부터 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 수도 있는 도시된 가압수형 원자로의 주요 요소를 갖는 격납체 건물의 개략적인 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예의 개략도.
도 1을 참조하면, 원자로 용기(12), 증기 발생기(14), 원자로 냉각재 펌프(16), 어큐뮬레이터 탱크(accumulator tank)(18) 및 오버헤드 폴라 크레인(overhead polar crane)(20)과 같은 원자로 시스템의 요소를 내장하는 [일반적으로 강철 라이너(steel liner) 위에 비교적 두꺼운 외측 콘크리트 층을 구비하는] 격납 건물(10)을 포함하는 가압수형 원자력 발전 시스템이 개략적으로 도시된다. 모든 이러한 요소 및 그들의 관계가 잘 알려져 있으므로, 또한, 그들은 특히 본 발명과 구조적으로 또는 기능적으로 협력하지 않으므로, 매우 상세하게 설명되거나 도시되지 않는다. 본 발명의 바람직한 실시예가 가압수형 원자로와 관련하여 설명되지만, 이하에 청구되는 바와 같이 본 발명에 따른 시스템은, 예를 들면, 비등수형 원자로 또는 가스 원자로와 같은 임의의 다른 설계의 원자로에 동일하게 적용할 수 있다는 것이 이해된다.
원자로 1차 격납체 적용에서 필터 유닛은, 중대 사고의 경우에 방사능의 방출을 현저히 감소시키기 위해, 격납체의 감압 동안에 방출된 가스로부터 방사성 물질을 분리하는 일을 한다. 본 발명의 필터는 이미 설치된 통기 시스템, 또는 이러한 시스템의 새로운 설치 동안에 연결된다. 필터는 격납체에 근접한 격리 밸브 및/또는 파열판(rupture disc) 뒤에, 그리고 발전소 배기관으로 이어지는 파열판 앞에 위치된다. 대기 상태에서, 필터는 바람직하게 질소로 비활성화되어, 필터수(filter water) 및 탱크 내부의 수소 연소 및 열화를 방지한다.
본 발명의 원리를 포함하는 필터 유닛의 일 실시예가 도 2에 도시된다. 필터(22)의 주요 부분은, 자체 크기를 감소시키도록 가압될 수도 있는 탱크 또는 압력 용기(24)에 내장된다. 가압은, 필터 탱크 유출구(26)의 바로 하류측에 위치된 오리피스(28)를 통해 달성된다. 탱크(24)의 저부 부분은 물 유입구(32)를 통해 물(30)로 충전된다. 물(30)은, 포착된 핵분열 생성물로부터 붕괴열을 제거하고, 필터 효율을 향상시키는 2가지 기능을 갖는다. 티오황산나트륨과 같은 화학 물질은 물(30)에 첨가되고, 그에 따라 기체 및 에어로졸 형태의 요오드가 포착 및 수용될 수 있다.
격납체의 내부로부터 통기된 가스는 이 가스를 탱크(24)의 저부 부분의 매니폴드(36) 내로 안내하는 중앙 유입 파이프(34) 내로 안내된다. 저부 매니폴드(36)는 역 "V"를 형성하도록 아펙스(apex)(39)로부터 예각으로 아래로 연장되는 2개의 하향 연장 레그(38 및 40)를 구비한다. 각각의 레그(38 및 40)는 물(30)의 풀(pool) 내로 상향으로 연장되는 복수의 유출구(42)를 구비한다. 금속 섬유 필터(44)의 카트리지는 각각의 매니폴드 유출구(42)로부터 연장되고 유체 연통한다. 금속 섬유 필터(44)는 에어로졸을 필터링하고, 통기된 가스를 작은 버블로 미립화시켜, 가스가 물 풀(30) 내에서 보다 효율적으로 세정될 수 있게 하는 2가지의 기능을 갖는다. 금속 섬유, 및 바람직하게는 소결된 금속 섬유 필터가 바람직하지만, 다른 필터 매체가 또한 본 발명의 원리로부터 일탈하는 일 없이 사용될 수도 있다. 필터 카트리지(44) 내의 포착된 핵분열 생성물은 붕괴열을 발생시킬 것이지만, 필터수 내에 위치되기 때문에 손상시키기에 충분히 높은 온도를 발생시킬 수 없다. 에어로졸이 각 카트리지의 금속 섬유 필터 영역에 분포되므로, 필터가 막힐 위험이 없다. 매니폴드 레그(38 및 40)가 경사지고, 그에 따라 체적 유동으로 인한 동압력 손실에 대응하는 많은 카트리지가 사용될 것이다. 이러한 방식으로, 시스템은 넓은 유동 범위 내에서, 심지어 매우 낮은 유동 및 격납체 압력에서 사용될 수 있다. 습식 필터(22)에서의 총 압력 손실은 탱크(24) 내의 수위(46)와 동일할 것이고, 수위가 비교적 낮으므로, 필터 시스템은 1차 격납체의 조기 통기를 허용할 것이며, 압력이 낮은 경우, 1차 격납체 압력을 매우 낮게 유지하면 일부 사고 시나리오에서 이점을 갖는다.
데미스터(48)는 유출구(26) 아래에서 탱크(24)의 상부 부분에 지지된다. 데미스터는 필터 탱크를 나오는 스팀에 의해 혼입될 수 있는 물방울을 제거한다. 바람직하게, 시스템(22)은 또한, 물에 잠긴 금속 섬유 필터에 의해 그리고 물에 의해 필터링될 수 없는 매우 작은 에어로졸을 제거하는 2차 필터를 포함한다. 2차 필터는 탱크 유출구(26) 바로 아래에 있고 이와 유체 연통하는 제 2의 상부 매니폴드(50)를 포함한다. 2차 매니폴드는 금속 섬유 필터(54)의 2차 세트에 연결되고 이와 유체 연통하는 복수의, 바람직하게 하향 연장되는 유입구(52)를 포함하고, 각 유입구(52)를 위한 금속 섬유 필터(54)는 데미스터(48) 위에 지지된다. 또한, 2차 금속 섬유 필터 카트리지(54)는 전형적으로, 카트리지(44)와 동일한 종류이지만, 더 작은 에어로졸을 포착하는 미세하고, 보다 밀집된 메쉬(mesh)를 갖는 카트리지로 제조된다. 제 2 세트의 필터는 매우 작은 양의 에어로졸을 경험할 것이므로, 과열되지 않을 것이다. 드레인(56)은 유지보수의 목적을 위해, 탱크(24)의 하부에 제공된다. 또한, 물 유입구(32) 및 드레인(56)은 대기 상태에서, 그리고 작동 후에 물을 추출하기 위해 사용된다. 바람직하게, 필터 탱크(24)는 방사선 차폐물 뒤에 설치되고, 차폐 제어 패널은 탱크에 근접하게 위치된다. 바람직하게, 탱크는 통기 시스템 유출구 내의 격리 밸브(58) 및 파열판(60)의 하류측의 구조물 내에 위치된다. 바람직하게, 수동 작동이 요구되는 경우, 밸브(68)가 필요하게 되고, 밸브(70) 및 파열판(60)은 선택적이다. 제 2 파열판(62)은 대기로의 유출구로 안내하는 탱크 유출 파이프(64) 내에 위치설정될 수도 있다. 파열판(62)은 탱크(24)를 질소로 비활성화시키는데 용이하고, 바람직하게 낮은 파열 압력, 예를 들면, 약 1.3bar(a)를 갖는다.
필터 시스템(22)은 외부 압력을 필요로 하지 않고, 적어도 24시간 동안 완전히 수동 사용되도록 설계될 수 있다. 물은 몇 시간 후에 추가될 수도 있다. 참조 부호(66)로 상징적으로 도시된 수위 알람 및 측정 시스템은 수위가 너무 낮아지지 않는 것을 보장하는데 사용된다. 필터 시스템(22)은 비등수형 원자로용 건식 웰(well) 및 습식 웰 통기 및 가압수형 원자로용 격납체 통기 양자를 취급하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시예가 상세히 기술되었지만, 본 개시내용의 전체 교시에 비추어 이러한 상세사항에 대한 다양한 변경 및 대안이 이루어질 수 있음을 당업자는 인식할 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예는, 단지 예시적인 것이며, 첨부된 특허청구범위의 최대 범위 및 그것의 임의의 그리고 모든 등가물로 주어지는 본 발명의 범위에 대한 제한이 아닌 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 원자로(12)로부터 누출된 임의의 방사능의 상당 부분을 한정하기 위해 상기 원자로를 내장하기 위한 격납체(10)를 구비하는 원자력 발전 시설로서, 상기 원자력 발전 시설은 필터(22)를 포함하고, 상기 격납체는, 상기 격납체 내의 대기 유출물의 압력이 구조적 완전성을 손상시킬 우려가 있는 수준으로 증가되는 경우에, 상기 격납체 내의 분위기 압력 증가에 대한 제어된 방출을 제공하기 위한 통기 유출구(58)를 구비하는, 상기 원자력 발전 시설에 있어서,
    상기 필터(22)는,
    상기 통기 유출구(58)에 연결된 입구 노즐(34)을 구비하는 필터 용기(24),
    상기 필터 용기(24)의 내부 저부를 차지하고, 상기 대기 유출물을 세정하는 기능을 하도록 구성되는 액체(30),
    상기 입구 노즐(34)과 유체 연통하고, 상기 필터 용기(24)의 내부 저부 내로 연장되는 입구 도관,
    상기 입구 도관에 연결되고, 상기 용기(24)의 내부 저부 내로 연장되는 매니폴드(36)로서, 복수의 유출구(42)를 포함하고, 상기 유출구 각각이 상기 용기 내에 포함된 상기 액체(30)의 풀 아래에 상기 대기 유출물의 일부분을 방출하는 작동을 하도록 설계되는, 상기 매니폴드(36),
    제 1 세트의 복수의 섬유 필터(44)로서, 각 섬유 필터는 상기 액체에 잠겨지고, 상기 매니폴드(36) 내의 대응하는 유출구(42)를 통해 배출된 상기 대기 유출물을 필터링하기 위한 실질적으로 제 1 밀도의 섬유를 구비하며, 상기 대기 유출물이 상기 액체와 접촉하기 전에 상기 제 1 세트의 섬유 필터의 적어도 일부를 통과하도록, 상기 제 1 세트의 섬유 필터 각각이 상기 매니폴드의 유출구 중 하나에 유체 연통 상태로 연결되어 있는, 상기 제 1 세트의 복수의 섬유 필터(44), 및
    상기 용기(24)의 내부와 유체 연통하고, 필터링된 상기 대기 유출물을 상기 격납체 외부의 외측 대기로 배출하도록 작동 가능한 용기 유출구(26)를 포함하는
    원자력 발전 시설.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체(30) 내에 용해된 티오황산나트륨을 포함하는
    원자력 발전 시설.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터링된 대기 유출물의 배출 부분으로부터 임의의 수분을 분리하기 위해 액체(30)의 풀 위에 지지된 데미스터(48)를 포함하는
    원자력 발전 시설.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 용기 유출구(26)에 연결되는 제 2 매니폴드(50)로부터 연장되는 제 2 세트의 복수의 섬유 필터(54)를 포함하는
    원자력 발전 시설.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 세트의 복수의 섬유 필터(54)는 상기 제 1 세트의 섬유 필터(44)보다 큰 밀도의 섬유를 갖는
    원자력 발전 시설.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 세트의 섬유 필터(54)는 금속 섬유를 포함하는
    원자력 발전 시설.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 세트의 섬유 필터(44)는 금속 섬유를 포함하는
    원자력 발전 시설.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 용기(24)는 상기 용기 내부를 대기압 이상의 압력으로 유지하기 위한 장치(28)를 포함하는 압력 용기인
    원자력 발전 시설.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 매니폴드(36)는 상기 용기(24)의 내부 저부 내로 상기 용기의 중심축에 대해 예각으로 연장되는
    원자력 발전 시설.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 매니폴드(36)는 상기 용기(24)의 내부 저부 내로 연장되고, 아펙스(39)의 각 측부로부터 연장되는 하향 레그(38, 40)를 구비하는 역 "V"로 구성되며, 상기 유출구(42)는 상기 레그(38, 40) 중 적어도 하나로부터 연장되는
    원자력 발전 시설.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유출구(42)가 각각의 하향 연장 레그(38, 40)로부터 연장되는
    원자력 발전 시설.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 유출구(42)는 연장 레그(38, 40)로부터 상향으로 연장되는
    원자력 발전 시설.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 용기(24)는 질소로 비활성화되는
    원자력 발전 시설.
  15. 원자로(12)로부터 누출된 임의의 방사능의 상당 부분을 한정하기 위해 상기 원자로를 내장하기 위한 격납체(10)를 구비하는 원자력 발전 시설을 위한 필터(22)에 있어서,
    상기 격납체 내의 대기 유출물의 압력이 구조적 완전성을 손상시킬 우려가 있는 수준으로 증가되는 경우에, 상기 격납체 내의 분위기 압력 증가에 대한 제어된 방출을 제공하기 위한 통기 유출구(58)에 연결된 입구 노즐(34)을 구비하는 용기(24),
    상기 용기(24)의 내부 저부를 차지하고, 상기 대기 유출물을 세정하는 기능을 하도록 구성되는 액체(30),
    상기 입구 노즐(34)과 유체 연통하고, 상기 용기(24)의 내부 저부 내로 연장되는 입구 도관,
    상기 입구 도관에 연결되고, 상기 용기(24)의 내부 저부 내로 연장되는 매니폴드(36)로서, 복수의 유출구(42)를 포함하고, 상기 유출구 각각이 상기 용기 내에 포함된 상기 액체(30)의 풀 아래에 상기 대기 유출물의 일부분을 방출하는 작동을 하도록 설계되는, 상기 매니폴드(36),
    제 1 세트의 복수의 섬유 필터(44)로서, 각 섬유 필터는 상기 액체에 잠겨지고, 상기 매니폴드(36) 내의 대응하는 유출구(42)를 통해 배출된 상기 대기 유출물을 필터링하기 위한 실질적으로 제 1 밀도의 섬유를 구비하며, 상기 대기 유출물이 상기 액체와 접촉하기 전에 상기 제 1 세트의 섬유 필터의 적어도 일부를 통과하도록, 상기 제 1 세트의 섬유 필터 각각이 상기 매니폴드의 유출구 중 하나에 유체 연통 상태로 연결되어 있는, 상기 제 1 세트의 복수의 섬유 필터(44), 및
    상기 용기(24)의 내부와 유체 연통하고, 필터링된 상기 대기 유출물을 상기 격납체 외부의 외측 대기로 배출하도록 작동 가능한 용기 유출구(26)를 포함하는
    필터.
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