KR20240061996A - 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는, 원자력 발전소에서 원자로 노심이 손상되는 중대사고 발생 시, 격납건물 내부로 주입되어 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물을 냉각하는 냉각수를, 펌프를 통한 배수라인과 연결되는 복수 개의 외부 냉각수 탱크를 이용하여 격납건물 외부로 순환시켜 살수장치를 통해 격납건물 내부로 재주입하되, 그 순환과정에서, 외부 냉각수 탱크를 통해 격납건물 내에서 과열된 냉각수를 일정 온도 이하로 냉각시켜 격납건물 내부로 재주입하도록 구성함으로써, 노심 손상으로 인해 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물로부터 발생되는 붕괴열을 지속적으로 제거하는 과정에서 발생되는 냉각수의 과열 및 그로 인한 증기 발생으로 야기되는 격납건물 내부 압력 상승 및/또는 증기 폭발을 효과적으로 방지하여 격납건물의 장기 건전성을 유지할 수 있도록 지원하는 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템을 제공한다.

Description

외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템{Long-term inside-containment cooling system of nuclear power plant using external cooling water tanks}
본 발명은 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원자로 노심이 손상되는 중대사고 발생 시, 격납건물 내부로 주입되어 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물을 냉각하는 냉각수를, 펌프를 통한 배수라인과 연결되는 복수 개의 외부 냉각수 탱크를 이용하여 격납건물 외부로 순환시켜 살수장치를 통해 격납건물 내부로 재주입하되, 그 순환과정에서, 외부 냉각수 탱크를 통해 격납건물 내에서 과열된 냉각수를 일정 온도 이하로 냉각시켜 격납건물 내부로 재주입하도록 구성함으로써, 노심 손상으로 인해 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물로부터 발생되는 붕괴열을 지속적으로 제거하는 과정에서 발생되는 냉각수의 과열 및 그로 인한 증기 발생으로 야기되는 격납건물 내부 압력 상승 및/또는 증기 폭발을 효과적으로 방지하여 격납건물의 장기 건전성을 유지할 수 있도록 지원하는 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 원자력발전소에는, 원자로에서의 핵분열이 중단되는 경우에도 핵분열 생성물의 지속적인 방사성 붕괴로 인해 붕괴열(decay heat)이 발생하게 되므로 원자력발전소의 안전 확보를 위해 원자로 노심의 냉각과 함께 붕괴열을 외부로 제거할 수 있는 다양한 안전설비가 설치되어 있다.
그런데, 이와 같은 안전설비가 정상적으로 작동되지 않을 경우, 원자로의 냉각수 상실 또는 냉각수 유량 감소로 인해 노심의 냉각 기능이 상실되어, 이에 따라 원자로 노심이 과열되어 핵연료가 녹아내리는 노심용융이 발생되는 중대사고가 일어날 수 있으며, 이와 같이 원자로 노심이 손상되는 중대사고가 발생되는 경우, 핵연료, 원자료용기 구조물 등이 혼합된 고온의 노심용융물로 인해 원자로용기 또는 원자력발전소 격납건물의 건전성까지 위협하게 되며, 그로 인하여 다량의 방사성 물질이 외부로 방출될 수 있다.
이에 따라 최근에는 상술한 바와 같은 중대사고로 인해 노심이 손상될 경우, 노심용융물로부터 발생되는 붕괴열을 제거하여 원자로용기의 파손을 방지하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있는데, 일례로, 한국등록특허 제10-1303481호 등에서와 같이, 원자로 냉각재상실사고 또는 주증기관 파단사고 발생 시 원자로가 정상적으로 냉각되지 않는 경우, 외부의 수원으로부터 냉각수를 공급받아 원자로 내에 고압분사하는 분무 헤더를 통해 원자로의 용기 하부의 외벽을 냉각시킴으로써, 노심용융물로 인한 원자로용기 파손을 방지하는 기술 등이 시도되고 있다.
그럼에도 불구하고, 노심용융물로부터 방출되는 붕괴열로 인해 원자로용기가 파손되는 경우, 핵연료 및 원자로용기 구조물 등이 혼합된 노심용융물은 격납건물 저면으로 침적되어 지속적으로 붕괴열을 방출하게 되는데, 이때 이와 같이 격납건물 내에 침적되어 잔존하는 노심용융물은, 사고 수습을 위해 격납건물 내부로 주입된 다량의 냉각수에 잠겨 냉각되게 된다.
그런데, 이 과정에서 격납건물 내부에 주입되어, 노심용융물로부터 방출되는 붕괴열을 제거하는 냉각수에 대한 순환이나 보충이 적절하게 후속되지 않는 경우, 결국 노심용융물로부터 지속적으로 방출되는 붕괴열에 의해 격납건물 내부로 주입된 냉각수가 과열되게 되고, 그에 따른 증기 발생으로 인해 격납건물 내부 압력 상승 및/또는 증기 폭발 등에 의해 격납건물의 손상이 초래되어 다량의 방사성 물질이 격납건물 외부로 방출될 수 있다는 위험이 여전히 존재하게 된다는 문제가 있다.
1. 한국등록특허공보 제10-1303481호(등록일 : 2013.08.28.) "원자로 냉각용 살수 시스템"
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 원자로 노심이 손상되는 중대사고 발생 시, 격납건물 내부로 주입되어 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물을 냉각하는 냉각수를, 펌프를 통한 배수라인과 연결되는 복수 개의 외부 냉각수 탱크를 이용하여 격납건물 외부로 순환시켜 살수장치를 통해 격납건물 내부로 재주입하되, 그 순환과정에서, 외부 냉각수 탱크를 통해 격납건물 내에서 과열된 냉각수를 일정 온도 이하로 냉각시켜 격납건물 내부로 재주입하도록 구성함으로써, 노심 손상으로 인해 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물로부터 발생되는 붕괴열을 지속적으로 제거하는 과정에서 발생되는 냉각수의 과열 및 그로 인한 증기 발생으로 야기되는 격납건물 내부 압력 상승 및/또는 증기 폭발을 효과적으로 방지하여 격납건물의 장기 건전성을 유지할 수 있도록 지원하는 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는, 노심손상이 야기되는 중대사고 발생 시, 원자력발전소 격납건물 내부를 냉각하기 위한 시스템에 있어서, 격납건물 내부에 주입되어, 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물을 냉각시키는 냉각수를 회수하여 저장 및 냉각시키는 다수개의 외부 냉각수 탱크; 상기 격납건물과 외부 냉각수 탱크 사이의 냉각수 순환 경로를 형성하는 배수라인; 상기 배수라인 상에 구비되어 격납건물 내부에 수용된 냉각수를 상기 외부 냉각수 탱크로 회수하는 회수펌프; 상기 배수라인 상에 구비되어 상기 외부 냉각수 탱크 내에서 냉각된 냉각수를 다시 상기 격납건물 내부로 재주입하는 주입펌프; 및 상기 격납건물의 내부에 구비되어, 상기 주입펌프와 연결된 배수라인을 통해 격납건물 내부로 재주입되는 냉각수를 격납건물의 내부 상부에서 살수하는 살수장치;를 포함하여 구성되어, 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물로부터 방출되는 방사성 붕괴열을 지속적으로 제거할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템은, 원자로 노심이 손상되는 중대사고 발생 시, 격납건물 내부에 주입되어 고온의 노심용융물을 냉각시키는 과정에서 붕괴열 제거에 의해 과열된 냉각수를, 격납건물 외부에 구비되는 복수개의 외부 냉각수 탱크를 이용하여 순환시키되, 그 순환과정에서 외부 냉각수 탱크를 통해, 격납건물 내부에서 과열된 냉각수를 일정 온도 이하로 다시 냉각시킨 후, 격납건물 내부로 재주입하도록 구성하여, 복수개의 외부 냉각수 탱크를 이용한 냉각수의 냉각 및 순환 프로세스를 통해, 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물의 붕괴열을 지속적으로 제거하여, 격납건물 내부의 압력 상승 및 증기 발생을 효과적으로 억제함으로써, 중대사고 발생 시, 원자력 발전소 격납건물의 장기 건정성을 공고하게 유지할 수 있다.
도 1은 원자력 발전소에서 원자로 노심이 손상되는 중대사고 발생 시, 원자로 용기가 파손되어 격납건물 저면에 노심용융물이 침적된 상태를 모식적으로 보여주고 있는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템에 구비되는 외부 냉각수 탱크의 구조 및 냉각 방식을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 원자력 발전소에서 원자로 노심이 손상되는 중대사고 발생 시, 원자로 용기가 파손되어 격납건물 저면에 노심용융물이 침적된 상태를 모식적으로 보여주고 있는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 원자력 발전소에서 원자로의 노심(Reactor Core, 111)은 원자로 용기(Reactor Vessel, 110) 내에 배치되며, 원자로 용기(110)를 포함한 원자로 시스템을 둘러싸는 형태로 콘크리트 구조물로 이루어진 격납건물(100)이 형성된다.
이와 같은 원자력 발전소의 운영에 있어서는, 사고 등의 이유로 원자로의 정상 운전에 문제가 발생하게 되면, 원자로 비상냉각시스템(Emergency Core Cooling System, ECCS) 등의 다양한 공학적 안전설비의 작동을 통해 원자로의 운전을 정지하도록 운영되는데, 이때, 지진, 해일 등의 자연재해 및/또는 인적오류 등의 이유로 공학적 안전설비가 정상적으로 작동되지 않을 경우, 원자로 노심(111)에 대한 냉각이 제대로 이루어지지 않게 되어, 노심(111) 과열로 인해 핵연료가 녹아내리는 노심용융이 발생되는 중대사고가 일어날 수 있다.
상술한 바와 같이, 노심용융이 유발될 수 있는 중대사고 발생 시, 현재 원자력 발전소 시스템에서는, 앞서 설명한 제1303481호 특허에서와 같이, 외부의 수원으로부터 냉각수를 공급받아 원자로 내에 고압분사하는 살수 시스템 등을 통해 원자로 용기 외벽을 냉각시켜 노심용융물로 인해 원자로 용기가 파손되는 것을 방지하는 다양한 설계가 이루어지고 있기는 하나, 이와 같은 안전 설비를 통해서도 원자로 용기(110)의 건전성을 완벽하게 보장할 수는 없으며, 최악의 경우, 노심용융물로부터 방출되는 붕괴열로 인해 원자로 용기(110)가 파손되면, 노심을 구성하던 핵연료 및 원자로용기 구조물 등이 혼합된 노심용융물(120)이 격납건물 내부로 흘러나오게 되고, 이렇게 원자로 용기(110) 외부로 유출된 노심용융물(120)은, 도 1에서 모사하고 있는 바와 같이, 격납건물(100) 저면으로 흘러내려, 사고 수습을 위해 격납건물 내부로 주입된 다량의 냉각수(130)에 잠겨진 상태로 존재하게 된다.
그런데, 이와 같이 격납건물(100) 저면에 침적되는 노심용융물(120)에서는 방사성 붕괴열(decay heat)이 지속적으로 발생하게 되고, 이렇게 노심용융물(120)로부터 발생되는 붕괴열은, 사고 초기에는 사고 수습을 위해 격납건물 내부로 주입된 다량의 냉각수(130)에 의해 안정적으로 냉각될 수 있으나, 시간이 경과함에 따라, 냉각수의 온도가 상승하여 포화(saturation) 상태에 이르게 되면, 붕괴열의 제거 과정에서 지속적으로 수증기가 발생하게 되고, 이러한 지속적인 증기 발생은 결국, 격납건물 내부의 압력 상승 및/또는 증기 폭발 등을 유발하여 격납건물의 구조건전성을 위협하게 된다.
예로써, 1,000 MWe급 상용 원전인 OPR1000의 경우, 노심손상을 초래하는 중대사고 발생 시, 격납건물 내부로 투입되는 냉각수의 총량은 약 3,000톤(ton) 정도로 추정되는데, 사고 초기에는, 이와 같이 사고 수습을 위해 격납건물 내부로 주입되는 다량의 과냉각 냉각수에 의해 노심용융물로부터 발생되는 붕괴열을 어느 정도 효과적으로 제거할 수 있다.
그런데, 사고 발생 이후, 이와 같이 격납건물 내부로 주입된 냉각수에 적절한 보충이나 순환이 이루어지지 않을 경우, 주입된 냉각수는 붕괴열에 의해 지속적으로 온도가 상승하게 되어, 사고 발생 후, 24 ~ 72 시간 이후에는 결국 포화 상태에 이르게 되며, 그 이후부터는 붕괴열에 의해 냉각수가 기화되어 격납건물의 내부 압력이 상승하게 된다.
이때, 격납건물 내부의 증기압은, 포화 상태 도달 이후부터, 매 시간당 약 0.3 ~ 0.4 bar 정도의 속도로 증가하게 되고, 결국 포화 상태 도달 이후 12 ~ 18 시간 정도가 경과하면, 통상의 격납건물 설계압력인 4.5 bar를 넘어 파손한계압력인 6 ~7 bar에 도달하게 되어, 격납건물의 손상으로 이어져 다량의 방사성 물질이 격납건물 외부로 방출될 수 있으므로, 이와 같이 노심 용융이 진행된 중대사고 발생 시에는, 사고 발생 초기에 사고 수습을 위해 격납건물 내부로 주입된 냉각수에 대해 적절한 보충이나 순환을 통해, 격납건물(100) 저면에 침적된 노심용융물(120)로부터 지속적으로 방출되는 방사성 붕괴열(decay heat)을 효과적으로 제거하는 시스템을 구축하는 것이 사고 후, 격납건물의 장기건전성을 유지하는 데 있어 대단히 중요한 설계조건으로 작용하게 된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2에 도시된 본 발명의 일실시예에서와 같이, 본 발명에 따른 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템은, 중대사고 발생 시 격납건물(100) 내부로 주입되어 격납건물(100) 내부에 잔존하는 노심용융물(120)을 냉각시키는 냉각수(130)를 순환, 냉각시켜 격납건물(100) 내부로 재공급하는 시스템으로서, 격납건물(100) 외부에 구비되어 노심용융물(120)의 붕괴열로 인해 과열된 냉각수가 저장되는 복수 개의 외부 냉각수 탱크(200), 상기 격납건물(100)과 외부 냉각수 탱크(200) 사이의 냉각수 순환 경로를 형성하는 배수라인(210), 상기 배수라인(210) 상에 구비되어 격납건물(100) 내부에 수용된 냉각수를 상기 외부 냉각수 탱크(200)로 회수하는 회수펌프(211), 상기 배수라인(210) 상에 구비되어 상기 외부 냉각수 탱크(200) 내에서 냉각된 냉각수를 다시 상기 격납건물(100) 내부로 재주입하는 주입펌프(212) 및 상기 격납건물(100)의 내부에 구비되어, 상기 주입펌프(212)와 연결된 배수라인(210)을 통해 격납건물(100) 내부로 재주입되는 냉각수를 격납건물(100)의 내부 상부에서 살수하는 살수장치(300)를 포함하여 구성된다.
이미 앞에서 간략하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템은, 원자로 노심(111)이 손상되는 중대사고 발생 시 사고 발생 초기에 사고 수습을 위해 격납건물(100) 내부로 주입되어 격납건물(100) 내부에 잔존하는 노심용융물(120)을 냉각시키는 과정에서, 노심용융물(120)로부터 방출되는 붕괴열(decay heat)에 의해 과열되는 냉각수(130)를 회수펌프(211)을 이용하여 격납건물(100) 외부에 구비되는 외부 냉각수 탱크(200)로 회수하여, 과열된 냉각수를 외부 냉각수 탱크(200)에서의 냉각 과정을 통해 일정 온도 이하로 냉각시킨 후, 이렇게 냉각된 냉각수를 다시 주입펌프(212)를 통해 격납건물(100) 내부로 재주입하여, 살수장치(300)을 통해 격납건물 내부로 살수하는 과정을 통해, 사고 발생 이후, 격납건물(100) 내부에 잔존하는 노심용융물(120)로부터 지속적으로 방출되는 붕괴열을 효과적으로 제거함으로써, 격납건물 내에서 냉각수의 과열에 따른 증기 발생으로 인한 격납건물 내부의 압력 상승이나 발생가능한 증기 폭발 등을 억제함으로써, 사고 후의 처리에 있어서, 격납건물의 장기적인 구조건전성이 유지될 수 있도록 지원한다.
여기서, 격납건물(100) 외부에 구비되는 외부 냉각수 탱크(200)로 회수되어, 냉각 이후 재주입되는 냉각수는 격납건물 내부를 채우고 있는 냉각수 총량의 20 ~ 40% 정도의 수량을 지속적으로 순환시킬 수 있도록 설계되고, 이를 위해 본 발명에서는, 도 2에서 도시하고 있는 바와 같이, 격납건물(100) 외부에 다수개의 외부 냉각수 탱크(200)를 구비하여, 격납건물(100) 내부의 과열된 냉각수(130)를, 격납건물(100) 외부에 구비된 다수개의 외부 냉각수 탱크(200)에 순차적으로 회수하여 냉각시킨 후, 재주입하는 배치(batch)타입의 순환구조를 구현하고 있다.
다시 말해서, 원자로 노심(111)이 손상되는 중대사고 발생 후 일정 시간이 경과되면, 본 발명에 따른 격납건물 내부 장기 냉각 시스템이 동작하여, 상기 회수펌프(211)를 통해 격납건물(100) 내부의 과열된 냉각수를 격납건물(100) 외부에 구비되는 제1, 제2, 제3 및 제4 외부 냉각수 탱크(200A, 200B, 200C, 200D)에 순차적으로 채워 회수하고, 일정 시간 동안의 냉각 과정을 거쳐, 격납건물 내부에서 노심용융물(120)로부터 방출되는 붕괴열(decay heat)에 의해 과열된 냉각수(130)를 미리 설정된 일정 기준 온도 이하로 냉각시킨 후, 탱크에 채워져 냉각된 순차적 배치(batch)에 따라, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 외부 냉각수 탱크(200A, 200B, 200C, 200D)에서 냉각된 냉각수를 주입펌프(212)를 통해 순차적으로 다시 격납건물(100) 내부로 재주입하여 살수장치(300)을 통해 격납건물 내부로 살수하는 과정을 연속적으로 반복하여, 사고 이후, 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물(120)로부터 방출되는 방사성 붕괴열을 다수개의 외부 냉각수 탱크(200A, 200B, 200C, 200D)에서의 열교환을 통해 효과적으로 제거함으로써, 격납건물 내의 냉각수 과열로 인한 증기 발생 및 그에 따른 격납건물 내부 압력 상승 및/또는 증기 폭발을 억제하여, 사고 후의 처리에 있어서, 격납건물의 장기적인 구조건전성을 유지할 수 있게 된다.
여기서, 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물(120)로부터 방출되는 방사성 붕괴열을 효과적으로 제거하기 위해서는, 격납건물 외부에 구비되는 외부 냉각수 탱크에서 과열된 냉각수를 신속하게 냉각시켜 다시 순환시키는 구조가 필요하게 되고, 그에 따라 본 발명에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 4개로 이루어지는 복수개의 외부 냉각수 탱크(200A, 200B, 200C, 200D)를 이용하여, 냉각수의 회수 및 냉각이 이루어지도록 구성하고 있으며, 이때, 이들 각각의 외부 냉각수 탱크(200A, 200B, 200C, 200D)들은 해수(海水) 냉각을 위한 이중탱크 구조로 형성되는데, 이와 관련하여서는 후술하는 도 3을 통해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템에 구비되는 외부 냉각수 탱크의 구조 및 냉각 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 실시예는, 1,000 MWe급 상용 원전인 OPR1000을 기준으로 모의 설계한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템의 개략적인 구조를 보여주고 있는 것으로서, 상기 실시예에서는 총 4개의 외부 냉각수 탱크(200A, 200B, 200C, 200D)가 구비되는데, 이때 구비되는 외부 냉각수 탱크는 각각 240ton의 냉각수를 수용할 수 있도록 설계되어, 격납건물 내부를 채우고 있는 약 3,000ton의 냉각수 중, 30% 정도의 수량을 지속적으로 순환, 냉각시킬 수 있도록 설계된다.
그런데, 노심이 용융되는 중대사고 발생 시, 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물(120)로부터는 상당한 양의 방사성 붕괴열이 방출되는데, 예로써, 앞서 예시한 1,000 MWe급 상용 원전인 OPR1000의 경우, 노심용융물로부터 대략 10MW 정도의 열출력이 발생하는 것으로 계산되어, 상술한 외부 냉각수 탱크에서의 자연대류 및 순환 만으로는 노심용융물로부터 방출되는 붕괴열을 제거하는데 한계가 따르게 된다.
그에 따라, 본 발명에서는, 도 3에 도시된 실시예에서와 같이, 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템에 구비되는 외부 냉각수 탱크(200)를, 내부탱크(201)와 외부탱크(202)의 이중탱크 구조로 형성하여, 내부탱크(201)로 회수되어 저장되는 격납건물 내부 냉각수(130)를, 내부탱크(201)와 외부탱크(202) 사이의 공간을 통해 순환되는 해수(海水, 430)를 이용하여 냉각시키는 순환 구조를 통해 붕괴열에 의해 과열된 냉각수를 효과적으로 신속하게 냉각시킬 수 있는 해수 순환 시스템을 제안하고 있다.
즉, 본 실시예에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 회수펌프(211)를 통해 격납건물 내부로부터 회수되는 냉각수(130)가 배수라인(210)을 따라 내부탱크(201)에 저장되어 냉각되는 과정에서, 해양(400)에 연결된 해수라인(410)에 구비되는 해수펌프(411)를 통해 상기 내부탱크(201)와 외부탱크(202) 사이의 공간으로 유도되는 해수(430)를 이용하여 내부탱크(201)의 외벽을 냉각하는 해수 순환 시스템을 구현함으로써, 붕괴열에 의해 과열된 냉각수를 단시간에 신속하게 냉각시킬 수 있는 방법을 제시하고 있다.
럼프트 파라미터(Lumped Parameter) 모델을 이용한 모의 계산 결과에서는, 직경 6M, 높이 8.5M의 240ton급 내부탱크를 적용하는 경우, 상술한 이중탱크 구조의 해수 순환 시스템을 이용하여 회수펌프(211)를 통해 격납건물 내부로부터 회수되는 373K의 냉각수를 290K의 해수를 이용하여 냉각시키면, 약 6시간 이내에 저장된 냉각수를 315K 이하로 냉각시킬 수 있는 것으로 나타나, 이들 각각의 4개의 외부 냉각수 탱크(200)에 순차적으로 회수되어 저장되는 냉각수 배치(batch)별로, 내부탱크(201)에서의 6시간 동안의 저장 및 냉각 과정을 거친 후, 다시 주입펌프(212)를 통해 격납건물 내부로 주입하고, 이와 같은 냉각 순환 프로세스를 거쳐, 저장된 냉각수가 재주입되어 비워진 외부 냉각수 탱크에 다시 격납건물 내부의 냉각수를 회수하여 저장, 냉각하는 순환 과정을 통해, 격납건물 내에서 노심용융물로부터 방출되는 방사성 붕괴열을 모두 실시간으로 효과적 제거할 수 있는 것으로 확인되었다.
또한, 사고 이후 노심용융물로부터 방출되는 방사성 붕괴열은, 시간이 경과함에 따라 점차 감소하므로, 상술한 외부 냉각수 순환 및 냉각 시스템을 통해, 사고 후 처리의 전 과정에 있어서, 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물로부터 방출되는 방사성 붕괴열을 지속적이고 안정적으로 제거할 수 있으며, 이를 통해 원자력 발전소 격납건물의 장기적인 구조건전성을 효과적으로 유지할 수 있다.
이때, 상술한 본 발명의 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템을 구축함에 있어서, 냉각수의 순환 및 냉각을 위해 구비되는 외부 냉각수 탱크의 개수 및/또는 용량이나, 외부 냉각수 탱크를 통한 냉각수의 저장 및 냉각이 진행되는 시간을 포함한 냉각수 배치(batch)의 순환주기 등은 앞서 살펴본 실시예의 사례에 반드시 국한되는 것은 아니며, 상술한 장기 냉각 시스템이 적용되는 원자력 발전소의 발전용량이나 사고 시 격납건물 내부로 주입되는 냉각수의 총량 등을 포함하는 다양한 설계조건에 따라 적절하게 사전 설정될 수 있으며, 사고 후 냉각수의 초기 순환 과정에서 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물로부터 방출되는 방사성 붕괴열을 제거할 수 있는 범위 내에서 설정되면 충분하다.
또한, 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에서 확인되는 바와 같이, 외부 냉각수 탱크(200), 회수펌프(211), 주입펌프(211) 및 이들을 연결하는 배수라인(210)을 통해 순환되는 냉각수(130)는 노심용융물(120)을 포함한 각종 방사성 물질에 의해 오염된 상태이므로, 상기 설비들이 배치되는 환경에 대한 적절한 차폐수단이 강구되어야 함은 물론이며, 나아가 어떠한 경우에도 이들 설비를 통해 순환되는 냉각수의 누출(leakage)이 발생되지 않도록 냉각수가 순환되는 전 라인에 걸쳐 철저한 차폐 및 밀봉(seal)이 요구됨은 당연하다.
반면에, 도 3에 도시된 실시예에서 확인되는 바와 같이, 배수라인(210)을 따라 순환되는 냉각수(130)의 냉각을 위해 해수라인(410)을 따라 순환되는 해수(430)는, 오염된 냉각수(130)와의 직접적인 접촉 없이 물리적으로 서로 분리된 상태에서 순환되어 방사성 오염으로부터 자유로운 상태이므로, 해수펌프(411)를 통해 외부 냉각수 탱크(200)로 주입되는 해수(430)는 해수라인(410)을 따라 다시 해양으로 방출하거나 또는 경우에 따라, 그대로 야지(野地)에 흘려보내도록 구성해도 무방하다.
또한, 본 발명에 따른 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템을 구동함에 있어서는, 노심손상이 야기되는 중대사고 발생 후, 사고 처리를 위해 구비된 비상냉각 시스템들에 의해 격납건물 내부에 모든 냉각수들이 투입된 후, 투입된 냉각수가 포화(saturation) 상태에 도달하기 전 동작을 시작하도록 운영하는 것이 보다 효과적이며, 사고 발생 후, 48 ~ 72 시간 사이에 냉각수의 순환을 시작하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템은, 원자로 노심이 손상되는 중대사고 발생 시, 격납건물 내부에 주입되어 고온의 노심용융물을 냉각시키는 과정에서 붕괴열 제거에 의해 과열된 냉각수에 대한 격납건물 외부 냉각수 탱크 기반의 지속적인 냉각 및 순환 프로세스를 통해, 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물의 붕괴열을 효과적으로 제거할 수 있도록 지원함으로써, 사고 처리 과정에서의 격납건물 내부 압력 상승 및 증기 발생을 억제하여, 원자력 발전소에서 원자로의 노심 손상이 유발되는 중대사고가 발생하는 경우에도, 원자력 발전소 격납건물의 장기 건정성을 공고하게 유지할 수 있다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.
100 : 격납건물 110 : 원자로용기
111 : 노심 120 : 노심용융물
130 : 냉각수
200, 200A, 200B, 200C, 200D : 외부 냉각수 탱크
201 : 내부탱크 201 : 외부탱크
210 : 배수라인 211 : 회수펌프
212 : 주입펌프 300 : 살수장치
400 : 해양 410 : 해수라인
411 : 해수펌프 430 : 해수

Claims (9)

  1. 중대사고 발생 시, 원자력발전소 격납건물 내부를 냉각하기 위한 시스템에 있어서,
    격납건물 내부에 주입되어, 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물을 냉각시키는 냉각수를 회수하여 저장 및 냉각시키는 다수개의 외부 냉각수 탱크;
    상기 격납건물과 외부 냉각수 탱크 사이의 냉각수 순환 경로를 형성하는 배수라인;
    상기 배수라인 상에 구비되어 격납건물 내부에 수용된 냉각수를 상기 외부 냉각수 탱크로 회수하는 회수펌프;
    상기 배수라인 상에 구비되어 상기 외부 냉각수 탱크 내에서 냉각된 냉각수를 다시 상기 격납건물 내부로 재주입하는 주입펌프; 및
    상기 격납건물의 내부에 구비되어, 상기 주입펌프와 연결된 배수라인을 통해 격납건물 내부로 재주입되는 냉각수를 격납건물의 내부 상부에서 살수하는 살수장치;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템은,
    격납건물 내부로 주입된 냉각수를 상기 다수개의 외부 냉각수 탱크 각각으로 순차적으로 회수하여, 각각의 외부 냉각수 탱크에서 미리 설정된 일정 시간동안 저장하여 냉각한 후 격납건물 내부로 순차적으로 재주입하고, 냉각수의 재주입에 의해 비워지는 외부 냉각수 탱크에, 격납건물 내부의 냉각수를 다시 회수하여 순차적으로 저장하는 방식의 배치(batch) 타입 순환 프로세스를 통해 운영되는 것을 특징으로 하는 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 다수개의 외부 냉각수 탱크를 통해 회수되어 순환되는 냉각수는,
    격납건물 내부로 주입된 냉각수 총량의 20% ~ 40% 범위의 수량이, 각 배치별로 지속적으로 순환되는 것을 특징으로 하는 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다수개의 외부 냉각수 탱크는,
    상기 배수라인을 통해 격납건물 내부로부터 회수되는 냉각수가 저장되는 내부탱크와, 상기 내부탱크를 둘러싸는 형태로 형성되는 외부탱크로 이루어지는 이중탱크 구조로 형성되고,
    해수펌프를 통해, 해양으로부터 이송되는 해수를 공급하는 해수라인과 연결되어,
    상기 내부탱크 및 외부탱크 사이에 형성되는 공간으로, 상기 해수라인을 통해 공급되는 해수를 주입하여 순환시킴으로써, 내부탱크 내에 회수, 저장되는 냉각수를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 다수개의 외부 냉각수 탱크 각각으로 순차적으로 회수되는 냉각수가 상기 외부 냉각수 탱크 내에서 저장 및 냉각되는 시간을 포함한, 상기 배치(batch) 타입 순환 프로세스의 시간 주기 설정은,
    상기 격납건물 내부 장기 냉각 시스템이 적용되는 원자력 발전소의 정상운전 시 발전용량을 포함한 발전소 설계 조건에 따라 사전 설정되는 것을 특징으로 하는 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 해수라인을 통해 외부 냉각수 탱크로 주입되는 해수는,
    상기 해수라인을 따라 다시 해양으로 방출하거나 또는 야지로 흘려보내도록 구성되는 것을 특징으로 하는 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 시스템.
  7. 중대사고 발생 시, 원자력 발전소 격납건물 외부에 구비되는 다수개의 외부 냉각수 탱크를 이용하여, 원자력발전소 격납건물 내부로 주입된 냉각수를 냉각시키는 방법에 있어서,
    사고 발생 후, 사고 처리를 위해 격납건물 내부로 주입된 냉각수를 상기 다수개의 외부 냉각수 탱크 각각으로 순차적으로 회수하는 단계;
    상기 회수된 냉각수를 상기 각각의 외부 냉각수 탱크에서 미리 설정된 일정 시간동안 저장하여 냉각시키는 단계;
    상기 외부 냉각수 탱크에서 냉각된 냉각수를, 회수된 순서에 따라 다시 격납건물 내부로 순차적으로 재주입하는 단계;
    상기 재주입되는 냉각수를 살수장치를 통해 격납건물의 내부 상부에서 살수하는 단계; 및
    상기 냉각수의 재주입에 의해 비워지는 외부 냉각수 탱크 각각에, 격납건물 내부의 냉각수를 다시 회수하여 순차적으로 저장하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 배치(batch) 타입의 냉각수 순환 프로세스의 반복을 통해, 노심손상이 야기되는 중대사고 발생 시, 격납건물 내부에 잔존하는 노심용융물로부터 방출되는 방사성 붕괴열을 지속적으로 제거할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 외부 냉각수 탱크는,
    격납건물 내부로부터 회수되는 냉각수가 저장되는 내부탱크와, 상기 내부탱크를 둘러싸는 형태로 형성되는 외부탱크로 이루어지는 이중탱크 구조로 형성하여,
    상기 내부탱크 및 외부탱크 사이에 형성되는 공간으로, 해수라인을 통해 해양으로부터 이송되는 해수를 주입하여 순환시킴으로써, 상기 내부탱크 내에 회수, 저장되는 냉각수를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 배치(batch) 타입의 냉각수 순환 프로세스는,
    노심손상이 야기되는 중대사고 발생 시, 사고 발생 후, 48시간 ~ 72시간 사이에 동작히 시작되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 외부 냉각수 탱크를 이용한 원자력발전소 격납건물 내부 장기 냉각 방법.
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