KR20150132510A - 장기간 반응기 냉각을 위한 수동형 기법 - Google Patents

장기간 반응기 냉각을 위한 수동형 기법 Download PDF

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존 디. 3세 말로이
빌리 이. 빙햄
로널드 씨. 왓슨
제이슨 지. 윌리엄
메튜 더블유. 에일스
제임스 비. 인맨
션 엠. 보일
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비더블유엑스티 엠파워, 인크.
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Abstract

가압수형 반응기(PWR)에서, 비상 노심 냉각(ECC)은 저수원으로부터 주입 라인을 통해 압력 용기 안으로 물을 배출시킴으로써 압력 용기의 상부의 용기 관통 파손부로 인한 감압에 대응한다. 배리어가 압력 용기로부터 용기 관통 파손부 밖으로의 액체 물의 유동을 억제하기 위해 ECC와 함께 동작된다. 배리어는 (1) 중심 수직관 안으로 물을 배출시키기 위해 중심 수직관을 통과하는 주입 라인 연장부, (2) 일부 상방 유동을 중심 수직관으로부터 하강관 환체의 하부 안으로 분기시키기 위한 중심 수직관의 하부의 개구, 및 (3) 압력 용기의 상부의 가압기 용적부와 물을 하강관 환체를 향해 바깥쪽으로 지향시키는 압력 용기의 나머지 부분과의 사이에 유체 연통을 제공하는 서지 라인 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

Description

장기간 반응기 냉각을 위한 수동형 기법{PASSIVE TECHNIQUES FOR LONG-TERM REACTOR COOLING}
본 출원은 에너지협력협정과 제DE-NE0000583호에 의해 지원되는 작업 과정에서 착상되었다. 에너지협력협정과는 본 출원에 대한 소정 권리를 가질 수 있다.
본 출원은 2013년 3월 15일에 출원되고 "장기간 반응기 냉각을 위한 수동형 기법"이라는 제목을 갖는 미국가출원번호 61/794,206의 이점을 향유한다. 2013년 3월 15일에 출원되고 "장기간 반응기 냉각을 위한 수동형 기법"이라는 제목을 갖는 미국가출원번호 61/794,206은 그 전체가 본 출원의 명세서에 참조로 통합된다.
이하는 원자력 발전 기술, 원자력 반응기 안전 기술, 원자력 반응기 비상 노심 냉각(ECC) 기술, 및 관련 기술에 관한 것이다.
냉각재 상실 사고(LOCA)에서, 원자력 반응기 노심은 붕괴열(decay heat)의 제거를 제공하고 연료봉이 공기에 노출되는 것-이는 화학적인 반응 및 공기중 방사능의 방출을 초래할 수 있음-을 방지하기 위해 물에 잠긴 상태로 유지된다. 이러한 물 주입을 제공하는 시스템을 비상 노심 냉각(ECC) 시스템이라 칭한다. 통상적인 배치에서, 연료재장전수 저장 탱크(RWST)는 반응기 연료 재장전 동안 사용하기 위한 물을 제공하기 위해 방사성물질 격납고 내측에 원자력 반응기와 함께 위치되며, 이러한 RWST는 또한 ECC 시스템을 위한 물 공급원으로서의 역할을 한다. RWST는 수동형 ECC 시스템이 중력 구동식 물 유동에 의해 작동될 수 있도록 반응기 노심 위에 위치된다.
ECC 시스템에 의해 감압된 압력 용기 안으로 주입된 물은 원자력 반응기 노심으로부터의 붕괴열에 의해 증기로 변환된다. 바람직하게는, 이러한 증기는 폐쇄 루프형 재순환 열교환 시스템을 형성하도록 증기를 응축시킴으로써 RWST 안으로 재포획된다. 실제로는, 일부 증기는 LOCA를 유발시킨 파손부로부터 상실된다. 이러한 상실된 증기는 주위 방사성물질 격납고 내측에서 응축되어 재순환 방식으로는 아니지만 반응기 노심으로부터의 열전달에 기여한다. 일시 실시형태에서, 물은 격납고 섬프(sump)에 모이고, 이 물을 RWST 안으로 다시 재순환시키기 위해 섬프 펌프가 제공된다. 그러나, 이러한 접근법은 섬프 펌프를 구동시키는 디젤 발전기 또는 다른 동력원이 고장나는 경우 실패하기 쉽고, 또한 RWST 안으로 오염물질을 전달할 가능성이 있어, ECC 시스템의 동작을 방해할 수 있다.
일 개시 양태에서, 장치는, 핵분열 재료를 포함하는 원자력 반응기 노심을 수용하는 압력 용기를 포함하는 가압수형 반응기(PWR); PWR이 배치되는 방사성물질 격납 구조물; 저수원(body of water) 주입 라인을 통해 압력 용기 안으로 물을 배출시킴으로써, 압력 용기의 감압을 초래하는 압력 용기의 상부의 용기 관통 파손부에 응답하도록 구성되는 비상 노심 냉각 시스템; 및 압력 용기로부터 압력 용기의 상부의 용기 관통 파손부 밖으로의 액체 물의 유동을 억제하기 위해 비상 노심 냉각 시스템과 동시에 동작하도록 구성되는 배리어를 포함한다. 배리어는, (1) 압력 용기 내측에 배치되며 저수원으로부터 압력 용기의 중심 수직관 안으로 물을 배출시키기 위해 중심 수직관을 통과하는 주입 라인의 연장부; (2) 중심 수직관의 상방 유동의 일부를 하강관 환체(downcomer annulus)의 하부 안으로 분기(shunt)시키도록 배치되는 중심 수직관의 하부의 개구; 및 (3) 압력 용기의 상부의 가압기 용적부와 압력 용기의 나머지 부분과의 사이에 유체 소통을 제공하도록 구성되는 서지 라인(surge line)으로서, 하강관 환체를 향해 바깥쪽으로 물을 지향시키도록 구성되는 서지 라인 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
다른 개시 양태에서, 방법은, 핵분열 재료를 포함하는 원자력 반응기 노심을 수용하는 압력 용기를 포함하는 가압수형 반응기(PWR)를 동작시키는 단계; 및 이하의 동작, 즉: 물줄기로부터 주입 라인을 통해 압력 용기 안으로 물을 배출시키는 동작, 및 상기 배출 동작 동안 압력 용기로부터 용기 관통 파손부 밖으로의 액체 물의 유동을 억제시키는 동작을 포함하는 동작에 의해, 압력 용기의 감압을 초래하는 압력 용기의 상부의 용기 관통 파손부에 응답하는 단계를 포함한다. 상기 억제 단계는, 예를 들어 저수원으로부터 중심 수직관 안으로 물을 주입함으로써, 상기 가압수형 반응기(PWR)를 동작시키는 단계 시의 압력 용기 내의 냉각수의 유동에 대향하는 방향으로 상기 배출 단계 동안 압력 용기 내에 역류를 발생시키는 단계를 포함할 수 있다. 억제 동작은 추가적으로 또는 대안적으로 중심 수직관의 냉각수의 상방 유동의 일부를 중심 수직관의 구멍을 통해 그리고 하강관 환체의 하부 안으로 분기시키는 단계로서, 분기된 물이 중심 수직관의 상부에 도달하지 않는 단계를 포함할 수 있다. 억제 동작은 추가적으로 또는 대안적으로 가압기 용적부와 압력 용기의 나머지 용적부와의 사이의 서지 유동을 하강관 환체를 향해 바깥쪽으로 지향시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은, 다양한 구성요소 및 구성요소의 배열과, 다양한 공정 동작 및 공정 동작의 배열의 형태를 취할 수 있다. 도면은 단지 바람직한 실시형태를 예시하기 위한 것이며 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 않는다. 본 개시물은 이하의 도면을 포함한다.
도 1은 연료재장전수 저장 탱크(RWST)를 이용하는 비상 노심 냉각(ECC) 시스템을 갖는 RWST와 함께 방사성물질 격납 구조물에 배치되며 또한 LOCA 파손부를 통한 액체 물의 상실을 억제하기 위한 도식적으로 표시된 기구를 더 포함하는 예시적인 소형 모듈형 반응기(SMR)의 도식적인 절취 사시도를 도시한다.
도 2 내지 도 4는 LOCA 파손부를 통한 액체 물의 상실을 억제하기 위한 기구의 예시적인 실시예를 도식적으로 나타낸다.
도 1을 참고하면, 예시적인 소형 모듈형 반응기(SMR)(10) 및 예시적인 연료재장전수 저장 탱크(RWST)(12)(통상적으로, 여유분을 위해 두 개 이상의 RWST가 제공됨)의 절취 사시도가 도시되어 있다. SMR 유닛(10)은 가압수형 반응기(PWR) 종류이며 압력 용기(14) 및 압력 용기(14) 내측에 배치되는 하나 이상의 일체형 증기 발생기(16)를 포함한다[즉, 예시적인 SMR(10)은 일체형 PWR(10)이다]. 대안적으로, 외부 증기 발생기가 채용될 수 있다. SMR(10)은 또한 압력 용기(14)의 상부에 일체형 가압기 용적부(19)를 형성하는 일체형 가압기(18)를 포함하며, 대안적으로는 적절한 배관에 의해 SMR(10)의 상부에 연결되는 외부 가압기가 채용될 수 있다. 압력 용기(14)는 (1차) 냉각수(더 일반적으로는 본원에서는 간단히 "냉각재" 또는 "냉각수")에 잠긴 235U (전형적으로는, 합금, 복합물, 혼합물, 또는 다른 형태)와 같은 핵분열 재료를 포함하는 원자력 반응기 노심(20)을 포함한다. 냉각수에 잠긴 반응기 노심(20)에 있어서, 그리고 제어봉 구동 기구(CRDM)(22)가 중성자 흡수 재료로 만들어진 제어봉을 적어도 부분적으로 인출할 때, 핵연쇄 반응이 (1차) 냉각수를 가열하는 원자력 반응기 노심(20)에서 개시된다. 예시적인 CRDM(22)은 내부 CRDM이고, 여기서는 회전자 및 고정자 모두를 포함하는 모터(22m)를 포함하는 CRDM 유닛은 압력 용기(14)의 내측에 배치되며, 안내 프레임 지지체(23)가 노심 위에 위치되는 제어봉의 부분들을 안내하며, 다른 실시형태에서는 외부 CRDM 유닛이 채용될 수 있다. 예시적인 일체형 PWR(10)에서는, 별도의 물 유동(2차 냉각재)이 각각 급수 입구(24) 및 증기 출구(26)를 통해 증기 발생기(16)로 들어오고 나간다. 2차 냉각재는 증기 발생기 또는 발생기(16)들의 2차 냉각재 채널을 통해 유동하며 (1차) 냉각수에 의해 운반되는 반응기 노심으로부터의 열에 의해 증기로 변환된다. 대안적으로, 외부 증기 발생기가 채용되는 경우, 대직경 폐쇄 루프형 배관이 (1차) 냉각수를 압력 용기로부터 외부 증기 발생기에 공급하며, 외부 증기 발생기에서 1차 냉각재로부터의 열이 외부 증기 발생기의 2차 냉각재 유동을 증기로 변환시킨다. 예시적인 일체형 PWR(10)의 압력 용기(14)는 원자력 반응기 노심(20)을 수용하는 하부(30) 및 증기 발생기(16)를 수용하는 상부(32)를 포함하며, 중간 플랜지(34)가 압력 용기의 상부 및 하부를 연결하지만, 압력 용기는 다르게 건설되거나 다르게 구성될 수 있다.
압력 용기(14) 내측의 1차 냉각재 유동 회로(F)는 반응기 노심(20) 위에서 상방으로 연장되는 원통형 중심 수직관(36) 및 중심 원통형 수직관(36)과 압력 용기(14)와의 사이에 형성되는 하강관 환체(38)에 의해 형성된다. 유동(F)은, 자연 순환에 의해[즉, 반응기 노심(20)에 의해 가열된 1차 냉각재가 중심 원통형 수직관(36)을 통해 상승하고 상부에서 배출되며 하강관 환체(38)를 통해 하방으로 유동함으로써] 구동될 수 있거나, RCP 모터(42)에 의해 구동되는 임펠러를 수용하는 RCP 케이싱(40)을 포함하는 예시적인 RCP와 같은 반응기 냉각재 펌프(RCP)에 의해 보조 또는 구동될 수 있다. RCP는 1차 냉각재 경로를 따라 어느 곳에나 대안적으로 위치될 수 있거나 자연 순환 반응기에서는 완전히 생략될 수 있다. 또한, 예시적인 SMR(10)은 단지 예시적인 예이며, 개시된 ECC 기법은 실질적으로 어떠한 유형의 경수 원자력 반응기에서도 적절히 채용된다는 것을 유의해야 한다.
도 1을 계속 참고하면, 연료재장전수 저장 탱크(RWST)(12)와 함께 방사성물질 격납 구조물(50)(본원에서는 "방사성물질 격납고" 또는 간단히 "격납고"라 칭함)에 배치되는 SMR(10)의 도식적인 단면도가 도시되어 있다. 단일 RWST(12)가 예시되어 있지만, 여유분을 제공하기 위해 그리고/또는 더 큰 총 물 용적을 제공하기 위해 2개 이상의 RWST가 격납고 내측에 배치될 수 있다는 것을 이해해야 한다. RWST(12)는 다수의 목적에 이용된다. 명칭이 내포하는 바에 따르면 정기적인 연료재장전(즉, 원자력 반응기 노심을 포함하는 소비된 연료의 제거 및 그것을 새로운 연료로 교체하는 것) 동안 사용하기 위한 물을 제공하는 것이다. RWST(12)는 소정 사고 시나리오, 예를 들어 증기 발생기(16) 또는 다른 열 싱킹 경로를 통한 열 싱킹이 중단되어 반응기 압력 용기(14)의 압력 및 온도를 상승시키는 열 싱킹 상실 사고, 또는 압력 용기(14)와 관통 연결되는 (비교적 대직경) 관 또는 용기에서 파손이 발생하는 냉각재 상실 사고(LOCA) 동안 사용하기 위한 물 저장소로서의 역할도 한다.
도 1은 증기(52)[가능하게는 2상 증기/물 혼합물(52) 형태]가 새어 나오는 파손부를 포함하는 LOCA에 대한 응답을 도식적으로 나타낸다. 도 1에서, 이러한 LOCA는 압력 용기(14)의 상부의 일체형 가압기(18) 부근에서 발생하는 것으로 도식적으로 도시되어 있다. 일부 실시형태에서, SMR(10)은 반응기 노심(20)의 상부 이하의 높이에서 발생하는 LOCA 파손의 가능성을 제거하도록 설계된다. 이는, 모든 대직경 용기 관통부들이 반응기 노심(20)의 상부 위에 위치되는 상태로 압력 용기(14)를 설계함으로써 행해질 수 있다[예를 들어, 도 1의 실시형태에서 증기 발생기 커플링(24, 26)이 그렇게 위치된다]. 본원에서 사용될 때, "대직경" 용기 관통부는 1.8인치 이상의 직경의 용기 관통부로서 규정된다. 부가적으로 또는 선택적으로, 수동형 일체형 차단 밸브가 대직경 용기 관통부를 위해 채용될 수 있으므로, 용기 관통부에서의 임의의 관 파손부가 일체형 차단 밸브에 의해 즉시 그리고 수동적으로 밀봉된다. 예를 들어, 보충 라인 또는 다른 물 입력 라인의 경우에, 수동형 일체형 차단 밸브는 일체형 밸브를 갖는 플랜지로부터의 냉각재 유출을 방지하기 위해 수동적으로 작동하는 마운팅 플랜지에 내장되는(파손되기 쉬운 외부 배관 내에 있거나 그러한 외부 배관에 의해 연결되지 않음) 체크 밸브로서 구성될 수 있다. 렛다운 라인(letdown line)의 경우에, 수동형 일체형 차단 밸브는 렛다운 라인을 통해 유출되는 유체의 압력에 대해 개방 상태로 밸브를 유지시키는 스프링 바이어스로 구성될 수 있으며, 스프링 바이어스는 임계값을 넘는 (격차) 외부 압력의 증가가 스프링 바이어스를 극복하여 밸브를 수동적으로 폐쇄시키도록 선택된다. 또한, 일체형 차단 밸브는 바람직하게는 마운팅 플랜지에 내장된다.
이러한 대책에 의해, 임의의 LOCA 파손부가 반응기 노심(20)의 상부보다 훨씬 위의 높이에서 발생하는 것이 보장될 수 있다. 예시적인 압력 용기(14)에서, LOCA를 구성하는 파손부가 되기 쉬운 유일한 대직경 용기 관통부는 압력 용기(14)의 상부의 일체형 가압기(18)에 위치된다. 이러한 LOCA에서, 압력 용기(14)의 일체형 가압기(18)로부터 새어 나오는 증기/물(52)은 방사성물질 격납고(50)에 의해 수용되며, 방출된 에너지는 적절한 전달 메커니즘을 통해 최종 열 싱크(UHS)(54)에 배출된다. 예시적인 도 1에서, 이러한 열전달은 격납고(50)의 상부에 위치되며 격납고의 상부와 열 접촉하는 큰 저수원을 포함하는 UHS(54) 사이의 집적적인 열 접촉에 의해 (적어도 부분적으로) 달성된다. 추가적으로, 압력 용기(14)를 RWST(12)에 연통시키기 위해 (도 1의 예시적인 예에서 또는 그밖에 다른 반응기 설계에서) 가압기(18)에 연결되는 밸브를 사용하여 반응기(10)를 감압시키는 수동형 비상 노심 냉각(ECC)이 가동된다. 이 동작은 RWST(12)에서 재응축되도록 가압기(18)로부터 증기(또는 2상 증기/물 혼합물)를 운반하는 증기 경로(60)에 의해 도식적으로 나타나 있다. RWST에의 압력 용기의 연통으로부터 발생하는 RWST(12)에서의 임의의 과도한 압력은 RWST로부터 증기 배출구(62)를 통해 배출된다. 반응기를 감압시키는 동안, 반응기 노심(20)을 감압 동안 냉각수에 잠긴 상태로 유지시키는 것을 보장하기 위해 물이 처음에는 2개(여유분을 위해, 또는 추가의 여유분을 위해 2개 초과)의 질소 가압 중간 압력 주입 탱크[IPIT, 이것의 하나의 예시적인 IPIT(64)가 도 1에 도시되어 있음]로부터 반응기 용기 안으로 주입된다. IPIT(64)의 물은 핵 연쇄 반응의 급속 중단을 용이하게 하기 위해 붕소 또는 다른 중성자독(neutron poison)을 선택적으로 포함한다. 일단 반응기(10)가 감압되면, RWST(12)(또는, 2개 이상의 여유분 RWST 유닛이 격납고 내측에 제공되는 경우에는, RWST들)의 물은 RWST(12)로부터 반응기 압력 용기로 연장되는 주입 라인(66)을 통해 반응기 용기(14) 안으로 배출되고, 따라서 용기(14)를 재충전한다. (예시적인 도 1에서는, 주입 라인(66)의 하류 부분은 또한 IPIT(64)로부터의 물을 위한 입력 경로를 제공하며, 이 경우 초기 감압이 완료된 후 IPIT(64)를 밸브 차단하기 위해 적절한 밸브조절(valving)이 제공된다는 것을 유의하라. 밸브조절은 선택적 수동형인데, 예를 들어 압력 용기(14)의 압력이 설정점 아래로 떨어질 때는 자동적으로 폐쇄된다. 또한, 주입 라인(66)으로부터의 별도의 라인을 통해 IPIT를 반응기 압력 용기와 연결시키는 것이 고려된다.) RWST(들)(12)의 물은 반응기 노심(20)을 위한 장기간 냉각을 제공한다.
RWST(12)는 편리하게는 방사성물질 격납 구조물(50) 내측에 위치되는 큰 저수원이며 그러므로 ECC 시스템에 의한 사용을 위한 매력적인 저수원이지만, 비상 노심 냉각(ECC)을 제공하기 위해 압력 용기(14) 안으로 배출되도록 반응기 노심(20)에 대해 각각의 상승된 위치에 위치되는 다른 적절하게 큰 저수원에 주입 라인(66)을 연결하는 것이 선택적으로 고려된다.
감압 동안, 증기 형태의 실질적인 1차 냉각재는 LOCA를 유발한 파손부를 통해 압력 용기(14)에서 배출될 것이다. ECC 시스템의 시동 후에, 증기는 초기 감압 동안 보다는 낮은 질량 유량이지만 파손부를 통해 압력 용기(14)에서 계속해서 배출될 것이다. 일부 실시형태에서, RWST(들)(12)의 체적 용량은, 섬프 펌프를 사용하여 격납고 섬프로부터 물을 재순환시킬 필요 없이, 설계 시간 간격, 예를 들어 일부 실시형태에서 72시간 또는 다른 실시형태에서는 14일 동안 붕괴열을 제거하기에 충분하도록 설계된다. 이는 섬프로부터 RWST 안으로 오염물질을 전달할 가능성을 회피한다.
ECC 시스템은 RWST(12)로부터 압력 용기(14) 안으로의 물의 중력식 공급에 의존하기 때문에, RWST(12)의 물 레벨은 ECC가 동작하도록 하기 위해 압력 용기(14)의 물 레벨보다 높을 필요가 있다. 일부 실시형태에서, RWST(12)의 초기 물 레벨은 압력 용기(14)의 상부보다 더 높다-이러한 실시형태에서는, 반응기 용기(14) 내의 물 레벨이 가압기(18)의 상부까지 상승할 것이고 액체 물은 LOCA 파손부를 통해 유출될 것으로 예상된다. 그러나, 일단 RWST(12)의 물 레벨이 가압기(18)의 상부 아래로 떨어지면, 파손부로부터의 유출은 대부분 물로부터 본질적으로 모두 증기로 전환될 것으로 예상될 수 있다. 이러한 전환은 RWST 물 재고의 효율적인 이용을 가능케 한다. 물의 열용량은 물을 증기로 변환시키기 위한 잠열을 포함하기 때문이다.
그러나, 장기간 냉각의 RELAP(Reactor Excursion and Leak Analysis Program) 분석에 따르면, 반드시 상기 경우가 되는 것은 아니며, 오히려 RWST(12)의 물 레벨이 LOCA 파손부의 레벨 아래로 배출된 후에도 상당한 물 함량을 갖는 2-상 증기/물 혼합물이 LOCA 파손부에서 계속해서 배출된다는 것을 나타낸다. 임의의 특정 동작 이론으로 제한되지 않고, 이러한 효과는 이하와 같이 유발되는 것으로 생각된다. 반응기 노심(20)으로부터의 붕괴열은 증기를 발생시켜 반응기 노심(20) 위의 물의 밀도를 감소시킨다. 이 효과는 반응기 용기(14)의 물/증기 기둥과 RWST(12)의 물 기둥과의 사이에서 평형상태가 달성되는 것을 방지한다. 따라서 더 높은 RWST 구동 수두가 물을 계속해서 파손부 밖으로 가압한다.
문제의 크기는 도 1에 도시된 것과 실질적으로 유사한 원자력 지대 설계를 위해 실행되는 간단한 계산에 의해 설명되며, 여기서 RWST(또는 복수의 RWST)는 약 350000 갤런의 용량을 갖고, RWST의 초기 물 레벨은 95피트의 높이에 있으며, LOCA 파손부는 높이가 10피트 더 낮은 지점, 즉 85 피트에 있다. 120°F에서, RWST의 물은 61.7 lb/ft3(파운드/입방피트)의 밀도를 갖는다. 15psia에서, 포화된 물은 59.8 lb/ft3의 밀도를 갖고, 증기는 0.038 lb/ft3의 밀도를 갖는다. 용기에 대한 ECC 입구[즉, 예시적인 도 1에서 압력 용기(14)에 대한 주입 라인(66)의 입구]가 31피트의 높이 및 1%의 평균 품위(average quality)(즉, RWST로부터의 물 유입은 증기 함량이 거의 없거나 전혀 없는 거의 순수한 물이다)을 갖는 경우, 반응기 내측의 밀도는 3.58 lb/ft3일 것이다. 이 경우, RWST의 물 레벨은 평형상태의 정수두에 도달하도록 약 34피트의 높이까지 떨어질 필요가 있다(이 높이는 일부 고려된 실시형태에서 RWST의 저부의 7피트 아래이다).
도 1을 다시 참조하면, 이러한 효과를 보상하기 위해서, 본원에서는 중심 수직관(36)(또는 순환하는 1차 냉각재의 다른 상향 유동 경로)의 총 품위는 감소되거나, 추가의 압력 강하가 ECC 주입 시스템에 통합된다. 이를 위해, 도 1에 도식적으로 나타낸 배리어 기구(70)가 중심 수직관(36)(또는 순환하는 1차 냉각재의 다른 상향 유동 경로)의 액체 물의 유동이 LOCA 파손부까지 상방으로 가는 것을 억제하기 위해 실행된다. 배리어(70)는 이하에서 기재되는 바와 같이 다양한 형태로 취해질 수 있다. (도 2를 참고하여 본원에서 기재된) 일부 실시형태에서, 배리어(70)는 중심 수직관(36)에 의해 포함되는 체적을 내부 가압기 용적부(19)와 연결시키는 경로의 변형을 포함한다. 이 접근법은 직접적인 물리적인 배리어, 즉 액체 물이 중심 수직관(36)으로부터 내부 가압기(18) 안으로 유동하는 것을 제한하는 배플 또는 구불구불한 경로로서 배리어(70)를 형성한다. (도 3을 참고하여 본원에서 기재된) 일부 실시형태에서, 배리어(70)는 압력 용기(14) 내측의 1차 냉각재 유동 회로(F)에 대향하는 방향으로 순환시키는 방식으로 ECC 시스템이 물을 RWST(12)로부터 중심 수직관(36) 안으로 주입하도록 ECC 시스템을 변형시키는 단계를 포함한다. 이는 액체 물이 중심 수직관(36)으로부터 내부 가압기(18) 안으로 유동하는 것을 제한하도록 1차 냉각재 유동 회로(F)의 속도를 늦추거나 심지어 역전시킴으로써 간접적으로 배리어(70)를 형성한다. (도 4를 참고하여 본원에서 기재된) 일부 실시형태에서, 배리어(70)는 1차 냉각재 유동 회로(F)의 상방 유동의 일부를 중심 수직관(36)으로부터 하강관 환체(38) 안으로 우회시키는 바이패스 밸브를 제공하는 단계를 포함한다. 이 또한 액체 물이 중심 수직관(36)으로부터 내부 가압기(18) 안으로 유동하는 것을 제한하도록 중심 수직관(36)의 상방 유동의 체적을 감소시킴으로써 간접적으로 배리어(70)를 형성한다. 이러한 메커니즘들은 상호간에 배타적이지 않으며, 배리어(70)는 이들 메커니즘들 또는 그 변형들 중 두 개 이상의 조합을 포함할 수 있는 것으로 인식된다.
일반적으로, LOCA 이후에 반응기 용기(14)에서 발생되는 증기의 양은 노심 붕괴열에 의해 결정된다. 이는 플랜트의 전력 레벨을 변경시키지 않고는 설계자에 의해 변경될 수 없다. 그러나, 수직관(36)의 품위는 물에 증기가 혼입되게 구성되도록 압력 용기(14)를 건설함으로써 수직관 내의 물의 유동을 증가시킴으로써 향상될 수 있다. 이를 위해, 반응기 용기(14)의 상부에서 증기 및 물을 분리시켜 물이 압력 용기(14)의 저부-여기에서 노심의 증기가 다시 물에 혼입될 수 있음-까지 유동할 수 있도록 하기 위해 유동 경로에 배리어(70)가 제공된다.
고품위 자연 순환 경로는 과잉 물이 분리되어 압력 용기(14)의 저부까지 다시 지향될 수 있게 하는 방식으로 가압기(18)와 조화되어야 한다. 그러나, 이는 일체형 가압기의 상황에서는 달성되기가 어려운데, 왜냐하면 유동 경로는 중심 수직관(36)에 수용되는 용적부와 일체형 가압기(18)의 용적부(19)와의 사이에서 비교적 자유로운 유체 소통을 허용하도록 설계되기 때문이다.
도 2를 참고하면 그리고 특히 도 2의 확대도에서, RWST(12)가 반응기 용기(14)를 충전할 정도로 충분한 구동 수두를 가질 때, 2상 유동이 상승하고 펌프 지지 플레이트(82)를 통해 연장되는 입관(80)을 통해 가압기(18)로 들어간다. 더 일반적으로는, 입관(80)은 압력 용기 용적의 나머지부분으로부터 가압기 공간(19)을 분리시키는 플레이트를 통과한다. 도 2의 확대도에서, 예시적인 RCP(40, 42)는 명확화를 위해 장착 개구(84)를 펌프 지지 플레이트(82)의 그들의 자리에 남겨둔 채로 제거되어 있다. 더 일반적으로는, RCP는 다른 곳에 위치될 수 있거나 자연 순환 반응기에서는 완전히 생략될 수 있다. 서지 관(80)은 반응기 감압 동안 가압기 공간(19) 안으로의 증기 연통을 제공한다. 통상적인 동작 동안, 서지 라인(86)이 제공되며, 물이 예를 들어 배플 등에 의해 제약된 방식으로 이 라인을 통해 지나가서 가압기(18) 및 압력 용기(14)의 나머지 부분의 압력이 평형상태에 도달될 수 있게 한다. 통상적인 동작 동안, 압력 제어 요소(88), 예를 들어 저항형 가열기, 스파저(sparger) 등이 가압기 용적부(19) 내의 압력을 상승 또는 하강시키기 위해 동작될 수 있으며, 이때 서지 라인(86)은 이러한 변화가 압력 용기(14)의 하부 작동부에 전달될 수 있게 한다.
그러나, 감압 동안, 서지 라인(86)은 가압기에 모인 물이 서지 라인(86)을 통해 배출될 수 있게 한다. 이러한 유동은 중심 수직관(36)에서 상승하는 2-상 증기/물 유동으로 보내진다. 이는 물의 자연적인 유동을 막아 수직관 내의 평균 품위를 증가시킨다.
도 2의 배리어(70)의 실시형태에서, 가압기 서지 라인(86)은 물을 반응기 냉각재 펌프를 통과하게 하고 그 후 증기 발생기(16)의 튜브 아래로 가는 경로(90)를 따라 방출하도록 변형된다. 더 일반적으로는, 변형된 서지 라인(90)은 하강관 환체를 향해 바깥쪽으로 물을 보내며 또한 RCP를 채용하지 않거나 RCP를 1차 냉각재 유동 회로를 따라 다른 곳에 위치시키는 실시형태에서 적절히 채용된다. 이러한 변형된 경로(90)는 통상적인 반응기 동작 동안 서지 라인으로서 사용될 수 있거나 과압 조건에 응답하여 수동형 밸브에 의해 개방될 수 있다. 다른 대안적인 실시형태에서, 경로(90)는 생략되며 대신 수동형 과압 차단 밸브가 서지 라인(86)에 설치되어 ECC 동작 동안 이 라인을 폐쇄시켜 단지 입관(80)만이 가압기 용적부(90) 안으로의 증기 운반 경로를 제공한다.
도 3을 참고하면, 배리어(70)의 다른 실시형태에서, 통상적으로 하강관 환체(38) 안으로 급수하는 압력 용기(14)에 대한 주입 라인(66)의 입구는 중심 수직관(36) 안으로 급수되도록 연장 관(100)을 추가함으로써 변형된다. 선택적으로는, 연장 관(100)은 주입된 냉각재를 RWST(12)로부터 하방으로 지향시키도록 하방으로 배향된 출구 꼭지(102)를 갖는다. 도 3에 도식적으로 나타낸 바와 같이, 이는 반응기 노심(20)으로부터의 붕괴열에 의해 구동되는 압력 용기(14) 내측의 1차 냉각재 유동 회로(F)로부터의 방향과 반대로 배향되는 냉각재 순환 유동(-F)을 생성하는 경향이 있다. 일부 실시형태에서, 역류(-F)의 크기는 압력 용기(14)의 순환 방향을 실제로 역전시키기에 충분하며, 다른 실시형태에서는 역류(-F)의 크기는 유동(F)의 크기 미만이지만 유동(F)의 속도를 늦추기에 충분하다. 역류(-F)는 가압기를 통한 물의 방출과 정렬되며 이에 따라 중심 수직관(36)의 유동(F)의 상방 흐름에 의해 구동되는 가압기 용적부(19) 안으로의 물의 유동을 감소시키는 효과를 갖는다. 역류(-F)는, ECC 유동이 충분히 낮을 때 또는 증기 발생기의 교정 동작 모드를 통해 일부 열 제거가 가용한 경우[내부 증기 발생기(16)를 포함하는 실시형태에서]에 차단될 수 있다.
도 4를 참고하면, 배리어(70)의 다른 실시형태에서, 중심 수직관(36)의 상방 유동의 일부가 가압기(18)와 근접하게 상방으로 지나가지 않고 하강관 환체(38)의 하부 안으로 분기되도록 노심 배럴의 개구(110)[또는 용기 중심 주식관(36)의 다른 하부]를 사용하여 순환 패턴(108)이 생성된다. 개구(110)는 통상적인 바이패스 유동을 최소화시키기 위해 바이패스 밸브에 의해 수동적으로 개방되거나 유동 다이오드(즉, 체크 밸브)를 갖는 구멍일 수 있다. 이는 하부 용기에서의 자연적인 순환 유동(108)을 가능케 한다. 유동(108)은 통상적인 방향(도시된 바와 같음) 또는 역 방향에 있을 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하여 기재된 배리어(70)를 실행하기 위한 개시된 기구는 단지 예시이며 다양한 방식으로 조합될 수 있다는 것을 인식해야 한다. 다른 예시적인 예로서, RCP가 ECC 동작 동안 잠기도록 압력 용기의 하부에 위치되는 경우, 및 전기 구동력이 가용한 경우, 활성 방식으로 역류(-F)(도 3 참조)를 제공하도록 역으로 RCP를 동작시킴으로써 적어도 부분적으로 배리어(70)를 실행하는 것이 고려된다[이러한 동작은 임펠러 블레이드가 역행 동작을 하도록 설계되지 않기 때문에 비교적 비효율적이지만, RCP는 그럼에도 불구하고 LOCA 파손부로부터의 물의 유동을 유효하게 감소시키기에 충분한 역류(-F)를 발생시킬 수 있는 것으로 예상된다]. 개시된 배리어(70)는 압력 용기의 상부에서 발생하는 LOCA 파손부의 경우에, 예를 들어 (도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같은) 일체형 가압기 안으로의 용기 관통부 또는 압력 용기의 상부와 외부 가압기와의 사이의 배관 또는 이러한 외부 가압형 용기(도시되지 않은 변형)의 상부에 연결되는 배관에서 가압수형 반응기(PWR)를 위해 유효하다. 본원에서 사용될 때, "압력 용기의 상부"와 같은 표현은 LOCA를 구성하기에 충분히 큰 일체형 가압기(18) 안으로의 용기 관통부의 임의의 파손부(즉, 1.8인치 초과의 직경의 파이프의 임의의 파손부)를 포함하는 것이다. 외부 가압형 용기(즉, 배관을 통해 연결되는 외부 가압기를 사용하여 가압되는 압력 용기)의 경우에, "압력 용기의 상부"는 압력 용기의 1차 냉각재 회로 위에 위치되기에 충분히 높은 높이의 용기 관통부에서 LOCA를 구성하기에 충분히 큰 임의의 파손부를 포함하는 것이다. 또한, 증기 발생기(16)가 압력 용기(14) 내측에 배치되는 일체형 PWR 시스템이 도시되어 있지만, 외부 증기 발생기를 이용하는 PWR 시스템의 배리어(70)의 개시된 실시형태를 채용하는 것이 고려된다.
바람직한 실시형태가 도시되고 기재되었다. 명확하게는, 앞선 상세한 설명을 읽고 이해한 사람들에게서 변형 및 변경이 일어날 것이다. 본 발명은 이러한 모든 변형 및 변경이 첨부된 청구항 또는 그 동등물의 범위 내에 있는 한 이러한 모든 변형 및 변경을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (21)

  1. 핵분열 재료를 포함하는 원자력 반응기 노심을 수용하는 압력 용기를 포함하는 가압수형 반응기(PWR),
    내측에 PWR이 배치되는 방사성물질 격납 구조물,
    저수원으로부터 주입 라인을 통해 압력 용기 안으로 물을 배출시킴으로써, 압력 용기의 감압을 초래하는 압력 용기의 상부의 용기 관통 파손부에 응답하도록 구성되는 비상 노심 냉각 시스템, 및
    압력 용기로부터 압력 용기 상부의 용기 관통 파손부 밖으로의 액체 물의 유동을 억제하기 위해 비상 노심 냉각 시스템과 동시에 동작하도록 구성되는 배리어를 포함하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, PWR은 압력 용기 내측에 배치되며 냉각재 순환 경로를 형성하는 중심 수직관을 더 포함하며, 원자력 반응기 노심에 의해 가열되는 냉각수가 중심 수직관 내측에서 상방으로 유동하고 중심 수직관과 압력 용기와의 사이에 형성되는 하강관 환체에서 하방으로 유동하여 원자력 반응기 노심으로 복귀하며, 배리어는,
    압력 용기 내측에 배치되며 저수원으로부터 압력 용기의 중심 수직관 안으로 물을 배출시키기 위해 중심 수직관을 통과하는 주입 라인의 연장부를 포함하는, 장치.
  3. 제2항에 있어서, 주입 라인의 연장부는 중심 수직관의 내측에 배치되는 하방 배향 출구 꼭지를 포함하는, 장치.
  4. 제2항에 있어서, 저수원은 PWR과 함께 방사성물질 격납고 내에 배치되는 연료재장전수 저장 탱크(RWST)를 포함하는, 장치.
  5. 제4항에 있어서, 비상 노심 냉각 시스템은,
    압력 용기의 감압 동안 압력 용기 안으로 가압된 물을 주입하도록 구성되는 가압된 물 주입 탱크를 더 포함하고,
    주입 라인은 압력 용기의 감압 후에 물을 RWST로부터 압력 용기 안으로 배출시키도록 구성되는, 장치.
  6. 제2항에 있어서, PWR은 압력 용기의 상부에 가압기 용적부를 형성하는 일체형 가압기를 더 포함하고, 일체형 가압기는 가압기 용적부의 압력을 제어하도록 동작될 수 있는 압력 제어 요소를 포함하는, 장치.
  7. 제6항에 있어서, 압력 용기는 일체형 가압기 아래에 위치되는 용기 관통부에 수동형 일체형 차단 밸브를 포함하고, 이에 의해 압력 용기의 감압을 초래하는 임의의 용기 관통 파손부는 압력 용기의 상부의 일체형 가압기 안으로 가는 용기 관통부에서 발생하는, 장치.
  8. 제2항에 있어서, 배리어는,
    중심 수직관 내의 상방 유동의 일부를 하강관 환체의 하부 안으로 분기시키도록 배치되는 중심 수직관의 하부에 있는 개구를 더 포함하는, 장치.
  9. 제1항에 있어서, PWR은 압력 용기의 내측에 배치되며 냉각재 순환 경로를 형성하는 중심 수직관을 더 포함하며, 원자력 반응기 노심에 의해 가열되는 냉각수는 중심 수직관 내측에서 상방으로 유동하고 중심 수직관의 상부 개구에서 배출되며 중심 수직관과 압력 용기와의 사이에 형성되는 하강관 환체에서 하방으로 유동하여 원자력 반응기 노심으로 복귀하며, 배리어는,
    중심 수직관 내의 상방 유동의 일부를 하강관 환체의 하부 안으로 분기시키도록 배치되는 중심 수직관의 하부의 개구를 포함하는, 장치.
  10. 제9항에 있어서, PWR은,
    압력 용기의 상부의 가압기 용적부를 형성하는 일체형 가압기로서, 가압기 용적부의 압력을 제어하도록 작동될 수 있는 압력 제어 요소를 포함하는, 일체형 압력기, 및
    일체형 가압기 아래에 위치되는 용기 관통부의 수동형 일체형 차단 밸브로서, 압력 용기의 감압을 초래하는 임의의 용기 관통부 파손부가 압력 용기의 상부의 일체형 가압기 안으로 가는 용기 관통부에서 발생하게 하는, 수동형 일체형 차단 밸브를 포함하는, 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    PWR은,
    압력 용기 내측에 배치되며 냉각재 수환 경로를 형성하는 중심 수직관으로서, 원자력 반응기 노심에 의해 가열되는 냉각수가 이 중심 수직관 내측에서 상방으로 유동하고, 중심 수직관의 상부 개구에서 배출되며, 중심 수직관과 압력 용기와의 사이에 형성되는 하강관 환체에서 하방으로 유동하여 원자력 반응기 노심으로 복귀되는, 중심 수직관,
    압력 용기의 상부에 가압기 용적부를 형성하고 압력기 용적부의 압력을 제어하도록 작동될 수 있는 압력 제어 요소를 포함하는 일체형 가압기, 및
    압력 용기의 상부의 가압기 용적부와 압력 용기의 나머지 부분과의 사이의 유체 연통을 제공하도록 구성되는 서지 라인을 포함하는 배리어로서, 서지 라인은 하강관 환체를 향해 바깥쪽으로 물을 지향시키도록 구성되는, 배리어를 더 포함하는, 장치.
  12. 핵분열 재료를 포함하는 원자력 반응기 노심을 수용하는 압력 용기를 포함하는 가압수형 반응기(PWR)를 동작시키는 단계; 및
    이하의 동작, 즉:
    저수원으로부터 주입 라인을 통해 압력 용기 안으로 물을 배출시키는 동작, 및
    상기 배출 동작 동안, 압력 용기로부터 용기 관통 파손부 밖으로의 액체 물의 유동을 억제시키는 동작
    을 포함하는 동작에 의해, 압력 용기의 감압을 초래하는 압력 용기의 상부의 용기 관통 파손부에 응답하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 압력 용기로부터 용기 관통 파손부 밖으로의 액체 물의 유동을 억제시키는 동작은,
    배출 동작 동안, 가압수형 반응기(PWR)를 동작시키는 단계 시의 압력 용기 내의 냉각수의 유동에 대향하는 방향으로 압력 용기 내에 역류를 발생시키는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제12항에 있어서, PWR은 압력 용기 내측에 배치되는 중심 수직관을 더 포함하고, 가압수형 반응기(PWR)를 동작시키는 단계는 중심 수직관 내측에서 상방으로 그리고 중심 수직관과 압력 용기와의 사이에 형성되는 하강관 환체에서 하방으로 냉각수를 순환시키는 단계를 포함하고, 압력 용기로부터 용기 관통 파손부 밖으로의 액체 물의 유동을 억제시키는 동작은,
    저수원으로부터 중심 수직관 안으로 물을 주입하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 주입 단계는 저수원으로부터 대체로 하방으로 중심 수직관 안으로 물을 주입하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제14항에 있어서, 압력 용기로부터 용기 관통 파손부 밖으로의 액체 물의 유동을 억제시키는 동작은,
    중심 수직관 내의 냉각수의 상방 유동의 일부를 중심 수직관의 구멍을 통해 그리고 하강관 환체의 하부 안으로 분기시키는 단계로서, 분기된 물은 중심 수직관의 상부에 도달하지 않는, 분기 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 제12항에 있어서, PWR은 압력 용기 내측에 배치되는 중심 수직관을 더 포함하고, 가압수형 반응기(PWR)를 동작시키는 단계는 중심 수직관 내측에서 상방으로 그리고 중심 수직관과 압력 용기와의 사이에 형성되는 하강관 환체에서 하방으로 냉각수를 순환시키는 단계를 포함하고, 압력 용기로부터 용기 관통 파손부 밖으로의 액체 물의 유동을 억제시키는 동작은,
    중심 수직관 내의 냉각수의 상방 유동의 일부를 중심 수직관 내의 구멍을 통해 그리고 하강관 환체의 하부 안으로 분기시키는 단계로서, 분기된 물은 중심 수직관의 상부에 도달하지 않는, 분기 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제12항에 있어서, PWR은 (i) 중심 수직관 및 (ii) 압력 용기의 상부의 가압기 용적부를 형성하는 일체형 가압기를 더 포함하고,
    가압수형 반응기(PWR)를 동작시키는 단계는, (i) 중심 수직관의 내측에서 상방으로 그리고 중심 수직관과 압력 용기와의 사이에 형성되는 하강관 환체에서 하방으로 냉각수를 순환시키는 단계 및 (ii) 가압기 용적부 내의 압력을 제어하기 위해 일체형 가압기의 압력 제어 요소를 동작시키는 단계를 포함하고,
    압력 용기로부터 용기 관통 파손부 밖으로의 액체 물의 유동을 억제시키는 동작은 가압기 용적부와 압력 용기의 나머지 용적부와의 사이의 서지 유동을 하강관 환체를 향해 바깥쪽으로 지향시키는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제12항에 있어서, 저수원은 PWR과 함께 방사성물질 격납 구조물 내측에 배치되는 연료재장전수 저장 탱크(RWST)를 포함하고, 상기 방법은,
    재장전 동안 압력 용기를 재충전하기 위한 물 공급원으로서의 RWST를 사용하여 PWR을 재장전하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제12항에 있어서, 압력 용기의 감압을 초래하는 압력 용기의 상부의 용기 관통 파손부에 응답하는 단계는 압력 용기의 감압 동안 압력 용기 안으로 가압된 물을 주입하는 동작을 더 포함하는, 방법.
  21. 제12항에 있어서, PWR은 압력 용기의 상부의 가압기 용적부를 형성하는 일체형 가압기를 더 포함하고, 상기 방법은,
    일체형 가압기 아래에 위치되는 용기 관통부에 수동형 일체형 차단 밸브를 제공함으로서 일체형 가압기 아래의 용기 관통부의 파손부에 의해 임의의 냉각재 상실 사고(LOCA)가 발생되는 것을 방지하는 단계를 포함하는, 방법.
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