KR20120038638A

KR20120038638A - 감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크

Info

Publication number: KR20120038638A
Application number: KR1020100100192A
Authority: KR
Inventors: 하상준; 김요한; 양창근
Original assignee: 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2012-04-24

Abstract

본 발명은 상부는 상부가스로 채워지고, 하부는 비상노심 냉각수로 채워지는 탱크(1); 탱크(1)의 상단에 설치된 배기장치(9)와 안전밸브(15); 탱크(1)의 상부에 설치된 상부가스 공급장치(8); 탱크(1)의 하단에 설치된 냉각수 공급장치(11); 일측이 탱크(1)의 하단에 연결되고, 타측이 1차 계통에 연결되며, 밸브(14)를 구비하는 1차 계통 연결배관(13); 및 탱크(1)에 연결되어 비상노심 냉각수(2)의 온도를 조절하는 온도조절장치(4);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크를 제공하는 것이다.

Description

감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크{Safety injection tank using flashing process under depressurization for pressurized water reactors}

본 발명은 가압경수형 원전의 냉각재상실사고시 노심의 냉각에 필요한 비상노심 냉각수를 공급하는 안전주입탱크에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 안전주입탱크내의 상부가스의 량을 줄이고, 감압에 의한 플래싱 증발로 안전주입수가 주입되게 하고, 냉각수 주입시간을 길게 연장시켜 안전주입수 공급에 따른 원자로내의 이상유체 수위를 방지하도록 고안된 온도조절장치를 구비한 안전주입탱크에 관한 것이다.

가압경수형 원자로는 매우 엄격한 안전기준에 따라 설계, 시공 및 운전되어 야한다. 특히, 저온관 파단 사고에 따른 대형냉각재상실사고(LBLOCA: Large Break Loss-of-Coolant Accident)에 대비하는 원자로 냉각계통에서의 비상노심 냉각수 주입계통이 중요한 항목으로 평가된다. 가압경수형 원전에 있어서 안전주입탱크는 냉각재상실사고시 노심의 냉각에 필요한 비상노심 냉각수를 공급하여 노심의 용융을 방지하는 장치이다. 일반적으로, 가압경수형 원전에는 안전주입탱크가 3~4개 설치된다. 종래 탱크의 내부는 약 2000ppm의 농도와 302°K정도의 온도를 갖는 붕산수가 탱크의 전체부피의 70~80%정도로 하부에 채워지고, 약 42기압을 갖는 질소(N₂)가스가 탱크의 전체부피의 20~30%정도로 상부에 채워진다. 냉각재상실사고 등으로 인해 1차 계통의 압력이 약 42기압 이하로 내려가면 밸브가 열리고, 질소가스의 압력에 의해 탱크로부터 원자로 1차 계통 내로 붕산수가 주입된다. 그러나, 종래의 안전주입탱크는 대형냉각재상실사고(LBLOCA)시에 안전주입탱크로부터 1차 계통으로 비상노심 냉각수를 주입하기 위한 구동력을 얻기 위해, 탱크의 전체부피의 약 1/3을 질소로 채움에 따라, 노심의 냉각에 필요한 충분한 붕산수를 확보하기 위하여 탱크의 부피가 커지게 되거나, 원전에 설치되는 안전주입탱크의 갯수가 증가하여 안전주입탱크의 제작 및 설치 비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 안전주입탱크는 대형냉각재상실사고 초기에 안전주입탱크가 작동할 경우, 안전주입탱크 내부에 채워진 낮은 온도를 갖는 붕산수가 원자로 내부로 다량으로 공급되면서, 기포들이 응축되어 원자로 내부의 이상유체 수위를 낮추게 되고, 이에 따라 핵연료의 노출이 발생하여 핵연료 온도를 일시적으로 상승시키는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 안전주입탱크는 대형냉각재상실사고시에 탱크로부터 1차 계통으로 붕산수가 주입된 후에, 탱크 내부의 전체부피의 1/3을 차지하는 질소가 1차 계통 내부로 다량으로 유입되어 1차 계통 내부의 파단 부위로 누출되거나, 1차 계통 및 원전의 열전달률을 감소시켜 원전의 안전성을 감소시키는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 안전주입탱크는 대형냉각재상실사고 초기에는 탱크로부터 1차 계통으로 주입되는 붕산수의 량을 많게 조절하고, 후기에는 1차 계통으로 주입되는 붕산수의 량을 적게 조절할 수 있는 별도의 유량제어기를 안전주입탱크에 구비하여, 탱크로부터 방출되는 비상노심 냉각수의 방출되는 유량을 조절한다. 따라서, 이러한 별도의 유량제어기의 제작하고, 안전주입탱크에 설치하며, 유지하고 보수하는 비용이 증가하는 문제점이 있었다.

상기의 문제점들을 해결하기 위해 본 발명에 의한 감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크는 상부가스의 량을 줄이고, 탱크로부터 주입되는 비상노심 냉각수의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 온도조절장치를 구비한 안전주입탱크를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해 감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크는 상부가 상부가스로 채워지고, 하부가 비상노심 냉각수로 채워지는 탱크; 탱크의 상단에 설치된 배기장치와 안전밸브; 탱크의 상부에 설치된 상부가스 공급장치; 탱크의 하단에 설치된 냉각수 공급장치; 일측이 상기 탱크의 하단에 연결되고, 타측이 1차 계통에 연결되며, 밸브를 구비하는 1차 계통 연결배관; 및 탱크에 연결되어 상기 비상노심 냉각수의 온도를 조절하는 온도조절장치;로 이루어진다.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크의 바람직한 다른 실시예에서, 온도조절장치는 비상노심 냉각수를 가열하는 가열기와 가열기를 구동하는 가열기 구동장치로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크의 바람직한 다른 실시예에서, 온도조절장치는 비상노심 냉각수의 온도를 측정할 수 있는 온도측정장치를 추가로 구비할 수 있다.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크의 바람직한 다른 실시예에서, 안전주입탱크는 탱크의 내부에 수위를 측정할 수 있는 수위측정장치를 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 안전주입탱크는 탱크의 전체부피의 20~30%를 차지하는 상부가스가 채워진 공간의 전부나 일부를 비상노심 냉각수로 채울 수 있고, 이에 따라 탱크에 채워지는 비상노심 냉각수의 충전량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 원전에 설치되는 탱크의 크기나 개수를 감소시켜, 안전주입탱크의 제작 및 설치 비용을 감소시키고, 안전주입탱크의 성능을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 대형냉각재상실사고 초기에 안전주입탱크 내부에 채워진 비상노심 냉각수가 온도조절장치에 의해 일정 온도이상으로 유지된 상태로 1차 계통 내부로 주입되기 때문에, 비상노심 냉각수의 온도차에 의한 급격한 기포 응축에 따른 핵연료 노출 가능성을 방지하고 원전의 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 더욱이, 1차 계통 내부로 유입되는 상부가스의 양이 감소되어, 1차 계통의 열전달 특성을 향상시키고, 원전의 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 안전주입탱크 작동 초기에는 1차 계통의 내부로 주입되는 비상노심 냉각수의 양이 상대적으로 많으므로 플래싱 증발량이 많고, 이에 따라 많은 비상노심 냉각수가 주입된다. 시간이 지나면서, 즉 대형냉각재상실사고 후기에는 탱크 내부에 남아있는 비상노심 냉각수의 량과 온도의 감소로 1차 계통 내부로의 주입량이 자동으로 감소한다. 따라서, 안전주입수 유량의 자동조절 기능을 가질 수 있게 되고, 별도의 유량제어기를 구비하지 않아도, 안전주입수의 유량이 자동조절된다.

도 1은 종래의 가압경수형 원전의 안전주입탱크의 개략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 의한 감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크의 개략도를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 안전주입탱크와 종래의 안전주입탱크의 성능을 비교한 그래프를 나타낸다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 부호를 가지도록 하고 있다.

도 1은 종래의 가압경수형 원전의 안전주입탱크의 개략도를 나타낸다. 탱크(1)의 내부는 붕산수와 같은 비상노심 냉각수(2)가 탱크(1)의 전체부피의 70~80%정도로 하부에 채워지고, 질소(N₂)가스와 같은 상부가스(3)가 탱크(1)의 전체부피의 20~30%정도로 상부에 채워진다. 각각의 안전주입탱크의 상부에 배기장치(9)와 상부가스 공급장치(8)가 연결되어 있다. 안전주입탱크의 하부에는 원자로 저온관 또는 원자로 용기에 비상노심 냉각수(2)의 주입을 유도하는 1차 계통 연결배관(13)이 설치되어 있고, 이러한 1차 계통 연결배관(13)에 밸브(14)가 설치되어 있다. 냉각재상실사고 등으로 인해 1차 계통의 압력이 일정압력(약 42기압) 이하로 내려가면 밸브(14)가 열리고, 상부가스(3)의 압력에 의해 탱크(1)로부터 원자로 1차 계통 내로 비상노심 냉각수(2)가 주입된다. 일반적으로, 가압경수형 원전에는 안전주입탱크가 3~4개 정도 설치된다. 대형냉각재상실사고시에 안전주입탱크로부터 1차 계통으로 비상노심 냉각수(2)를 주입하기 위한 구동력을 얻기 위해, 탱크(1)의 전체부피의 약 1/3을 상부가스(3)로 채움에 따라, 노심의 냉각에 필요한 충분한 비상노심 냉각수(2)를 확보하기 위하여 탱크(1)의 부피가 커지게 되거나, 원전에 설치되는 안전주입탱크의 개수가 증가하여 안전주입탱크의 제작 및 설치 비용이 증가하게 된다.

도 2는 본 발명에 의한 감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크(20)의 개략도를 나타낸다. 본 발명에 의한 감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크(20)의 바람직한 실시예에서, 안전주입탱크(20)는 탱크(1), 배기장치(9)와 안전밸브(15), 상부가스 공급장치(8), 냉각수 공급장치(11), 1차 계통 연결배관(13), 및 온도조절장치(4)로 이루어진다.

탱크(1)는 상부가 상부가스(3)로 채워지고, 하부가 비상노심 냉각수(2)로 채워진다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 탱크(1)의 전체부피의 약 5%정도로 탱크(1)의 상부에 질소가스와 같은 상부가스(3)가 채워지고, 탱크(1)의 전체부피의 약 95%정도로 탱크(1)의 하부에 붕산수와 같은 비상노심 냉각수(2)가 채워진다. 따라서, 탱크(1)에 채워지는 비상노심 냉각수(2)의 충전량을 20% 이상 증가시킬 수 있다. 그리하여 가압경수형 원전에 설치되는 안전주입탱크(20)의 부피나 개수를 감소시켜서, 안전주입탱크(20)의 제작 및 설치 비용을 절감할 수 있다. 배기장치(9)와 안전밸브(15)가 탱크(1)의 상단에 설치된다. 배기장치(9)는 탱크(1)의 상부에 존재하는 기체를 배기하는 기능을 수행한다. 안전밸브(15)는 탱크(1) 내부의 과압을 방지하여 안전주입탱크를 보호하는 기능을 한다. 상부가스 공급장치(8)가 탱크(1)의 상부에 설치된다. 이러한 상부가스 공급장치(8)는 안전주입탱크(20)에 질소나 공기 등과 같은 비응축성가스인 상부가스를 탱크(1) 내부의 상부로 공급하는 역할을 한다. 더욱이, 상부가스 공급장치(8)는 탱크(1) 내부의 하부에 비상노심 냉각수(2)를 충수(充水)할 때, 탱크(1)의 내벽에 작용하는 압력에 의한 충격을 방지하고, 탱크(1)의 내부압력을 유지하며, 대형냉각재상실사고로 안전주입탱크의 초기 작동시부터 비상노심 냉각수(2)의 플래싱 증발이 발생할 때까지 비상노심 냉각수(2)를 1차 계통으로 주입하는 구동력을 제공한다. 냉각수 공급장치(11)가 탱크(1)의 하단에 설치된다. 이러한 냉각수 공급장치(11)는 각각의 원전의 출력 및 안전성 등에 의해 결정된 비상노심 냉각수(2)의 소정의 보유량을 탱크(1) 내부의 하부로 채우는 기능을 수행한다. 바람직하게는, 냉각수 공급장치(11)는 배관 등에 의해 탱크(1)에 연결되고, 이러한 배관에는 밸브(12)가 구비될 수 있다. 1차 계통 연결배관(13)은 일측이 탱크(1)의 하단에 연결되고, 타측이 1차 계통에 연결되며, 밸브(14)를 구비한다. 대형냉각재상실사고시에 압력신호에 의해 밸브(14)가 개방되면 탱크(1)의 내부에 채워진 비상노심 냉각수(2)가 1차 계통 연결배관(13)을 따라 1차 계통으로 주입된다. 온도조절장치(4)가 탱크(1)에 연결되어 비상노심 냉각수(2)의 온도를 조절한다.

본 발명의 따른 감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크(20)의 바람직한 실시예에서, 온도조절장치(4)는 비상노심 냉각수(2)를 가열하는 가열기(5)와 가열기를 구동하는 가열기 구동장치(7)로 이루어진다. 가열기(5)는 탱크(1)의 내부에 존재하는 비상노심 냉각수(2)를 가열하여 일정한 온도로 유지한다. 가열기 구동장치(7)는 가열기에 공급되는 전원을 인가하거나 차단하는 역할을 하여 가열기(5)를 구동시키는 기능을 한다.

본 발명에 따른 감압플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크(20)의 바람직한 다른 실시예에서, 온도조절장치(4)는 비상노심 냉각수(2)의 온도를 측정할 수 있는 온도측정장치(6)를 추가로 구비할 수 있다. 이러한 온도측정장치(6)는 탱크(1)의 내부에 존재하는 비상노심 냉각수(2)의 온도를 측정하여 온도 신호를 가열기 구동장치(7)에 전송하고, 가열기 구동장치(7)는 전송된 온도 신호에 의해 비상노심 냉각수(2)의 온도가 일정 수준 이하로 내려가면 가열기(5)에 전원을 공급하여 비상노심 냉각수(2)를 가열하고, 온도가 일정수준 이상으로 올라가면 가열기(5)에 전원을 차단하여 가열을 중단한다. 본 발명에 의한 안전주입탱크(20)는 온도조절장치를 구비하여, 대형냉각재상실사고 초기에 일정 온도이상으로 유지된 비상노심 냉각수(2)가 1차 계통 연결배관(13)을 따라 1차 계통 내부로 주입되기 때문에, 비상노심 냉각수(2)의 온도차에 의한 급격한 기포 응축에 따른 핵연료 노출 가능성을 방지하고 원전의 안전성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 감압플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크(20)의 바람직한 다른 실시예에서, 안전주입탱크(20)는 탱크(1)의 내부에 수위를 측정할 수 있는 수위측정장치(10)를 구비할 수 있다. 이러한 수위측정장치(10)는 탱크(1)에 비상노심 냉각수(2)를 충수(充水) 할 때와 안전주입탱크(20)의 정상운전시에 탱크(1)의 내부 수위를 측정하는 기능을 수행한다.

본 발명에 의한 안전주입탱크(20)는 냉각재상실사로고 인해 1차 계통의 압력이 내려가면 압력신호에 의해 밸브(14)가 개방되고, 1차 계통 연결배관(13)을 통해 1차 계통과 연결되어 안전주입계통의 작동이 시작된다. 안전주입탱크(20)의 작동 초기에는 상부가스(3)의 압력에 의해 비상노심 냉각수(2)가 1차 계통으로 주입되다가 1차 계통의 압력이 감소하여 탱크(1) 내부압력이 비상노심 냉각수(2) 온도에서 포화압력 이하로 떨어지게 되면, 비상노심 냉각수(2)가 보유한 현열(顯熱)의 일부가 잠열로 소비되면서 플래싱 증발이 발생하여 증기가 형성되면서 탱크 상부에 모이에 되고, 이러한 증기의 압력에 의해서 비상노심 냉각수(2)를 1차 계통으로 밀어주게 되어 비상노심 냉각수(2)가 지속적으로 1차 계통으로 주입되게 된다. 또한, 안전주입탱크(20)의 작동 초기에는 탱크(1)로부터 1차 계통 연결배관(13)으로 주입되는 비상노심 냉각수(2)의 량이 많아 다량의 플래싱 증발이 발생한다. 이러한 증기에 의해 다량의 비상노심 냉각수(2)가 1차 계통으로 주입되게 된다. 그러나, 시간이 지나면서 탱크(1)의 내부에 남아있는 비상노심 냉각수(2)의 량과 온도의 감소로 플래싱 증발이 감소되어, 1차 계통 내부로 주입되는 비상노심 냉각수(2)의 유량이 감소하게 된다. 따라서, 별도의 유량제어기를 설치할 필요 없이, 1차 계통으로 주입되는 안전주입수의 유량을 자동으로 조절할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 안전주입탱크(20)와 종래의 안전주입탱크의 성능을 비교한 그래프를 나타낸다. 도 3은 성능비교를 위해 OPR1000 원전의 안전주입탱크의 설계자료와 원자력발전소의 안전해석에 널리 사용되고 있는 RELAP5 코드를 이용하여 냉각재상실사고시 안전주입작동에 따른 핵연료 피복관의 시간에 따른 온도 변화를 분석한 것이다. 일반적으로, 종래 OPR1000 원전의 안전주입탱크의 전체부피는 약 68㎥이고, 상부가스(3)가 차지하는 부피는 약 15.3㎥으로 탱크(1)의 전체부피의 약 22.5%정도를 차지하고 있고, 탱크(1)의 하부에 채워진 비상노심 냉각수의 온도는 약 302°K이다. 본 발명에 따른 안전주입탱크(20)는 종래 OPR1000 원전과 동일한 부피의 탱크(1)를 구비하고 있다. 질소와 같은 상부가스(3)가 차지하는 부피는 2.94㎥로 탱크(1)의 전체부피의 약 4.3%정도를 차지하고, 붕산수와 같은 비상노심 냉각수(2)가 나머지 탱크(1)의 전체부피의 약 95.7%정도 탱크(1)의 내부 하부에 채워지며, 이러한 비상노심 냉각수(2)의 온도는 약 420°K이다. 본 발명에 의한 안전주입탱크(20)를 이용할 경우 핵연료 피복관의 온도(A)가 종래의 안전주입탱크를 이용할 때의 온도(B)보다 빠르게 낮아짐을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 안전주입탱크(20)를 이용할 경우 핵연료의 온도가 빠르게 낮아지게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 변형예에 국한되지 않으며, 첨부된 청구항의 범주내에 속하는 다른 실시예로 확장될 수 있다.

1 ----- 탱크, 2 ----- 비상노심 냉각수,
3 ----- 상부가스, 4 ----- 온도조절장치,
5 ----- 가열기, 6 ----- 온도측정장치,
7 ----- 가열기 구동장치, 8 ----- 상부가스 공급장치,
9 ----- 배기장치, 10 ----- 수위측정장치,
11 ----- 냉각수 공급장치, 12 ----- 밸브,
13 ----- 1차 계통 연결배관, 14 ----- 밸브,
15 ----- 안전밸브, 20 ----- 안전주입탱크.

Claims

상부는 상부가스로 채워지고, 하부는 비상노심 냉각수로 채워지는 탱크;
상기 탱크의 상단에 설치된 배기장치와 안전밸브;
상기 탱크의 상부에 설치된 상부가스 공급장치;
상기 탱크의 하단에 설치된 냉각수 공급장치;
일측이 상기 탱크의 하단에 연결되고, 타측이 1차 계통에 연결되며, 밸브를 구비하는 1차 계통 연결배관; 및
상기 탱크에 연결되어 상기 비상노심 냉각수의 온도를 조절하는 온도조절장치;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크.
제1항에 있어서, 상기 온도조절장치는 상기 비상노심 냉각수를 가열하는 가열기와 가열기를 구동하는 가열기 구동장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크.
제2항에 있어서, 상기 온도조절장치는 비상노심 냉각수의 온도를 측정할 수 있는 온도측정장치를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안전주입탱크는 상기 탱크의 내부에 수위를 측정할 수 있는 수위측정장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 감압 플래싱을 이용한 가압경수형 원전의 안전주입탱크.