보충수 주입 탱크 및 이를 구비하는 비상노심냉각계통{MAKE-UP WATER INJECTION TANK AND EMERGENCY CORE COOLING SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 원자로의 냉각재 상실 사고시 노심 냉각을 위하여 보충수를 주입하도록 이루어지는 보충수 주입 탱크 및 이를 구비하는 비상노심냉각계통에 관한 것이다.

후쿠시마 원전 사고 이후 피동형 비상노심냉각계통의 중요성이 대두되면서, 기존의 펌프를 이용한 고압안전주입계통(HPSIS: High Pressure Safety Injection System)을 피동형 노심보충수탱크(CMT: Core Make-up Tank)로 대체하는 경향이 나타나고 있다.

기존의 고압안전주입계통에서는 냉각재 상실 사고시 펌프로 전원이 공급되어야만 비상 노심 냉각수(Emergency Core Cooling Water)가 노심으로 주입될 수 있다. 이러한 능동형 고압안전주입계통은 전원이 상실되면 펌프가 작동하지 않아 노심 냉각을 수행할 수 없는 문제가 있다.

반면에, 노심보충수탱크는 원자로 일차냉각계통의 가압기(또는 원자로의 상부 공동)와 배관으로 연결되어 있어서 냉각재 상실 사고시 가압기의 압력과 거의 같은 압력을 유지한다. 따라서, 노심보충수탱크가 원자로보다 높은 위치에 설치되면 내부의 보충수가 중력에 의해 저절로 원자로로 주입되어 노심을 냉각시킬 수 있다.

원자로의 냉각재 상실 사고가 발생하면, 노심 내에서 고온(수백℃)의 증기가 생성되고, 이 증기는 가압기를 거쳐서 노심보충수탱크로 유입된다. 노심보충수탱크 내에는 약 30℃의 보충수가 채워져 있기 때문에, 제트(jet) 형태로 분사되는 고온의 증기는 보충수와 만나 급속하게 응축되게 된다. 이러한 제트 분사 및 응축으로 인하여, 노심보충수탱크 내의 유체의 유동은 매우 불안정하게 되고, 노심보충수탱크 내의 압력 또한 크게 감소하며, 노심보충수탱크가 진동하게 된다. 그 결과, 노심보충수탱크 내의 보충수는 원자로로 쉽게 주입되지 못한다.

본 발명은 원자로의 냉각재 상실 사고시 보충수 주입 탱크 내의 보충수가 원자로로 보다 잘 주입될 수 있도록, 보충수 주입 탱크 내의 유동을 안정화시킬 수 있는 구조를 제안하는 데에 그 목적이 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 보충수 주입 탱크는, 원자로보다 높은 위치에 설치되어 상기 원자로의 냉각재 상실 사고시 증기가 증기 유입구를 통하여 유입되고 내부의 보충수가 중력에 의해 보충수 유출구를 통하여 상기 원자로로 주입되도록 구성되는 바디, 및 상기 증기 유입구를 통하여 유입되는 증기가 보충수로 직접 분사되어 응축되는 것을 방지하도록 상기 바디 내에 보충수를 등지고 상기 증기 유입구와 마주보도록 설치되는 응축억제부재를 포함한다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 응축억제부재는 상기 증기 유입구를 통하여 유입되는 증기를 분산시키도록 형성된다.

상기 응축억제부재는 상기 증기 유입구를 통하여 유입되는 증기의 에너지 소산이 증가될 수 있도록, 상기 증기 유입구를 마주보는 부분이 오목한 형상 또는 주름진 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 응축억제부재는 소정 두께를 갖는 판 형상으로 구성될 수 있다.

본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 응축억제부재는 보충수 상에 떠서 보충수의 주입에 의한 수위 변화에 따라 이동 가능하게 구성된다.

예를 들어, 상기 보충수 주입 탱크는, 상기 바디의 내벽에서 돌출되게 설치되고 상기 바디의 길이 방향을 따라 연장되는 가이드 레일, 및 보충수의 수위 변화시 상기 응축억제부재가 상기 가이드 레일을 따라 이동 가능하게 상기 응축억제부재에 상기 가이드 레일을 수용하도록 리세스되는 가이드 홈을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 보충수 주입 탱크는, 상기 가이드 홈에서 돌출되게 설치되어 상기 가이드 레일과 구름 접촉하는 회전유닛을 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 보충수 주입 탱크는, 상기 바디에 설치되어 상기 응축억제부재를 지지하도록 형성되는 지지대를 더 포함한다.

일 예로, 상기 지지대는 상기 보충수 유출구가 형성되는 상기 바디의 하단부에 설치되어 상기 지지대의 상부에 결합되는 상기 응축억제부재를 지지하도록 구성될 수 있다.

다른 일 예로, 상기 지지대는 상기 증기 유입구가 형성되는 상기 바디의 상단부에 설치되어 상기 지지대의 하부에 결합되는 상기 응축억제부재를 지지하도록 구성될 수 있다. 상기 구조에서, 상기 응축억제부재는 상기 증기 유입구로부터 유입되는 증기의 압력을 지지할 수 있도록 상기 증기 유입구를 마주보는 부분이 볼록한 형상으로 형성될 수 있다.

본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 응축억제부재는 용접에 의해 상기 바디의 내벽에 장착되거나 상기 바디의 내벽에 설치되는 지지턱 상에 장착된다.

상기 구조에서, 상기 응축억제부재의 상부와 하부의 압력이 유지될 수 있도록 상기 응축억제부재의 가장자리에는 관통홀이 형성될 수 있다.

아울러, 본 발명은, 냉각재를 구비하는 원자로와, 정상 운전시 냉각재의 비등을 억제하도록 상기 원자로가 포화압력을 넘는 가압상태를 유지하게 하는 가압부, 및 상기 가압부와 상기 원자로에 각각 연결되어 상기 원자로의 냉각재 상실 사고시 내부의 보충수를 상기 원자로로 주입시키도록 형성되는 상기 보충수 주입 탱크를 포함하는 비상노심냉각계통을 제안한다.

본 발명에 의하면, 응축억제부재는 바디 내에 보충수를 등지고 증기 유입구와 마주보도록 설치되어 원자로의 냉각재 상실 사고시 고온의 증기가 보충수로 직접 분사되어 응축되는 것을 억제 또는 방지한다. 따라서, 보충수 주입 탱크 내의 유동이 안정화되어 보충수가 원자로로 보다 잘 주입될 수 있으며, 피동형 비상노심냉각계통의 신뢰성이 한층 향상될 수 있다.

또한, 본 발명은 원자력 발전소의 종류에 관계없이 비상노심냉각계통에 범용적으로 적용될 수 있으며, 기존의 보충수 주입 탱크 내에 응축억제부재만 설치하면 되므로 설치 비용이 적다는 장점이 있다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시 예와 관련된 비상노심냉각계통을 보인 개념도로서, 정상 운전시 및 냉각재 상실 사고시의 유체의 흐름을 각각 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 보충수 주입 탱크의 일 예를 보인 개념도.
도 3은 도 2에 도시된 라인 Ⅲ-Ⅲ을 따라 취한 단면도.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 보충수 주입 탱크의 변형예들을 보인 개념도.

이하, 본 발명에 관련된 보충수 주입 탱크 및 이를 구비하는 비상노심냉각계통에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 명세서에서는 서로 다른 실시 예라도 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 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시 예와 관련된 비상노심냉각계통(100)을 보인 개념도로서, 정상 운전시 및 냉각재 상실 사고시의 유체의 흐름을 각각 나타낸 도면이다.

비상노심냉각계통(ECCS: Emergency Core Cooling System, 100)은 원자로(110)에 냉각재 상실과 같은 사고가 발생할 경우, 대량의 보충수(130a)를 노심에 공급해주어 노심을 안전하게 정지시키는 시스템을 말한다. 비상노심냉각계통(100)은 원자로(110), 가압부(120) 및 보충수 주입 탱크(130)를 포함한다.

원자로(110)는 정상 운전시 노심을 냉각시키는 냉각재를 구비한다.

가압부(120)는 원자로(110)의 정상 운전시 냉각재의 비등을 억제하도록 원자로(110)가 포화압력을 넘는 가압상태를 유지하게 한다. 가압부(120)는 원자로(110)의 상부 공동으로 구성되거나 배관을 통하여 원자로(110)와 연결되는 가압기(pressurizer, 加壓器)로 구성될 수 있다.

보충수 주입 탱크(130)는 상기 가압부(120)와 상기 원자로(110)에 각각 연결되어 상기 원자로(110)의 냉각재 상실 사고시 내부의 보충수(130a)를 상기 원자로(110)로 주입시키도록 형성된다. 보충수 주입 탱크(130)는 배압식 노심보충수탱크(CMT: Core Make-up Tank) 또는 안전주입탱크(SIT: Safety Injection Tank, accumulator)로 구성될 수 있다.

도 1a를 참조하면, 원자로(110)의 정상 운전시 가압부(120)와 보충수 주입 탱크(130) 및 보충수 주입 탱크(130)와 원자로(110) 사이에 각각 설치되는 밸브는 모두 폐쇄된다. 따라서, 보충수 주입 탱크(130)는 원자로(110) 및 가압부(120)와 격리된 상태를 유지한다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 원자로(110)에 냉각재 상실 사고가 발생하게 되면, 상기 밸브가 모두 개방된다. 그 결과, 보충수 주입 탱크(130)는 가압부(120)의 압력과 거의 같은 압력을 유지하며, 원자로(110)보다 높은 위치에 설치되는 보충수 주입 탱크(130) 내의 보충수(130a)는 중력에 의해 저절로 원자로(110)로 주입되어 노심을 냉각시키도록 이루어진다.

이 과정에서, 노심 내에서 생성된 고온의 증기는 가압부(120)를 거쳐서 보충수 주입 탱크(130)로 유입된다. 보충수 주입 탱크(130) 내에 제트 형태로 분사되는 고온의 증기는 보충수(130a)와 만나 급속하게 응축되게 된다. 이러한 제트 분사 및 응축으로 인하여, 보충수 주입 탱크(130) 내의 압력이 크게 감소하고 유체의 유동은 매우 불안정해지며 보충수 주입 탱크(130)가 진동하기도 한다. 그 결과, 보충수 주입 탱크(130) 내의 보충수(130a)는 원자로(110)로 잘 주입되지 못하는 현상이 발생할 수 있다.

이하, 상기 현상을 방지할 수 있는 보충수 주입 탱크(130)에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 보충수 주입 탱크(130)의 일 예를 보인 개념도이고, 도 3은 도 2에 도시된 라인 Ⅲ-Ⅲ을 따라 취한 단면도이다.

도 2 및 3을 참조하면, 보충수 주입 탱크(130)는 보충수(130a)를 구비하는 바디(131) 및 바디(131) 내에 설치되는 응축억제부재(Condensation Suppression Member, 132)를 구비한다.

바디(131)는 원자로(110)보다 높은 위치에 설치되어, 원자로(110)의 냉각재 상실 사고시 증기가 증기 유입구(131a)를 통하여 유입되고 내부의 보충수(130a)가 중력에 의해 보충수 유출구(131b)를 통하여 원자로(110)로 주입되도록 구성된다.

응축억제부재(132)는 바디(131) 내에 보충수(130a)를 등지고 증기 유입구(131a)와 마주보도록 설치되어, 증기 유입구(131a)를 통하여 유입되는 증기가 보충수(130a)로 직접 분사되어 응축되는 것을 방지한다. 구체적으로, 응축억제부재(132)가 없을 경우에는 증기가 보충수 주입 탱크(130) 내부에 곧바로 제트 형태로 분사되어 급속한 응축을 일으키는 등 보충수(130a)를 교란하는 반면에, 응축억제부재(132)가 설치되는 경우에는 증기가 응축억제부재(132)에 부딪혀 분산되게 된다. 분산된 증기는 응축억제부재(132) 상에서 또는 액체 표면 일부에서만 응축되어, 보충수(130a)가 안정된 상태를 유지할 수 있도록 한다. 이에 따라, 원자로(110)의 냉각재 상실 사고시에 보충수(130a)가 원자로(110)로 안정적으로 잘 주입될 수 있다.

응축억제부재(132)는 소정 두께를 갖는 판 형상으로 구성될 수 있다. 본 도면에는 도시되지 않았지만, 응축억제부재(132)는 증기 유입구(131a)를 마주보는 부분이 주름진 형상 또는 오목한 형상으로 형성될 수 있다. 응축억제부재(132)가 이러한 형상을 가질 경우, 응축억제부재(132)에 부딪힌 증기의 분산 속도가 감소하거나 응축억제부재(132)가 증기의 일부를 담게 되어 에너지 소산이 증가될 수 있다. 응축억제부재(132)는 다공질 형상으로 형성될 수도 있다.

본 실시예의 응축억제부재(132)는 보충수(130a) 상에 떠서(floating) 보충수(130a)의 주입에 의한 수위 변화에 따라 이동 가능하게 구성된다. 이를 구현하기 위해, 바디(131)의 내벽과 응축억제부재(132) 사이에는 응축억제부재(132)가 이동 가능한 틈(gap)이 형성될 수 있다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 바디(131)의 내벽에는 가이드 레일(133)이 돌출되게 설치되어 바디(131)의 길이 방향을 따라 연장되게 형성될 수 있으며, 응축억제부재(132)에는 가이드 홈(132a)이 형성되어 가이드 레일(133)을 수용하도록 구성될 수 있다. 상기 구조에 의하면, 응축억제부재(132)는 보충수(130a)의 수위 변화시 가이드 레일(133)을 따라 이동될 수 있다.

가이드 홈(132a)에는 가이드 레일(133)과 구름 접촉하는 회전유닛(134)이 설치될 수 있다. 회전유닛(134)은, 예를 들어, 볼(ball), 롤러(roller), 바퀴(wheel) 등으로 구현될 수 있다. 회전유닛(134)이 설치됨으로써, 응축억제부재(132)의 이동 구조가 구조적으로 보다 안정될 수 있다.

상기 구조에 의하면, 가압부(120)에서 유입되는 증기의 응축이 억제 또는 방지되므로, 보충수(130a) 탱크 내부의 압력이 유지될 수 있으며, 보충수 주입 탱크(130) 내의 유동이 안정화되어 보충수(130a)가 원자로(110)로 보다 잘 주입될 수 있다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 보충수 주입 탱크(230, 330, 430)의 변형예들을 보인 개념도이다. 본 변형예에서는 응축억제부재(232, 332, 432)가 바디(231, 331, 431)에 고정식으로 설치되는 것을 예시하고 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 응축억제부재(232, 332)를 바디(231, 331)에 고정시키기 위하여, 바디(231, 331)에는 응축억제부재(232, 332)를 지지하도록 형성되는 지지대(233, 333)가 설치된다. 지지대(233, 333)는 복수 개로 구비되어 응축억제부재(232, 332)의 가장자리를 따라 이격되게 배치될 수 있다.

도 4에서는 지지대(233)가 보충수 유출구(231b)가 형성되는 바디(231)의 하단부에 설치되어, 지지대(233)의 상부에 얹혀져 결합되는 응축억제부재(232)를 지지하도록 구성된 것을 보이고 있다. 상기 구조에 의하면, 증기의 유입시 응축억제부재(232)는 지지대(233)에 의해 지지되도록 이루어지므로, 응축억제부재(232)는 유입되는 증기의 압력을 견딜 수 있다.

상기 구조에서는, 응축억제부재(232)가 증기 유입구(231a)를 마주보는 부분이 오목한 형상(증기의 에너지 소산 효과가 크지만 증기의 압력을 크게 받는 형상)으로 이루어지더라도 견고한 고정 상태를 유지할 수 있다.

도 5를 참조하면, 지지대(333)는 증기 유입구(331a)가 형성되는 바디(331)의 상단부에 설치되어 지지대(333)의 하부에 결합되는 응축억제부재(332)를 지지하도록 구성될 수 있다. 상기 구조는 유입되는 증기의 속도가 크면 응축억제부재(332)가 증기의 압력을 못 이기고 지지대(333)로부터 분리될 수 있는 위험이 있는 반면에, 보충수 주입 탱크(330)의 하부 구조가 단순해지는 장점이 있다.

증기 유입구(331a)로부터 유입되는 증기의 압력을 지지할 수 있도록, 응축억제부재(332)는 증기 유입구(331a)를 마주보는 부분이 볼록한 형상으로 형성될 수 있다. 상기 구조에 의하면, 응축억제부재(332)가 받는 압력이 감소되어 지지대(333)에 고정된 상태가 유지될 수 있다.

도 6을 참조하면, 응축억제부재(432)는 용접에 의해 바디(431)의 내벽에 장착될 수 있다. 또는, 본 도면에서는 도시되지 않았지만, 바디(431)의 내벽에 지지턱(미도시)이 설치되고, 지지턱 상에 응축억제부재(432)가 장착될 수도 있다. 본 실시예의 구조에서는, 응축억제부재(432)의 상부와 하부의 압력이 가압부(420)와 유사하게 유지될 수 있도록, 응축억제부재(432)의 가장자리에는 관통홀(432a)이 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 유입되는 증기의 압력을 효과적으로 지지할 수 있도록, 응축억제부재(432)는 증기 유입구(431a)를 마주보는 부분이 볼록한 형상으로 형성될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 응축억제부재(432)의 표면이 주름져 있다면 증기 에너지의 소산 효과가 보다 커지게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 보충수 주입 탱크 내의 유동이 안정화되어 보충수가 원자로로 보다 잘 주입될 수 있으며, 피동형 비상노심냉각계통의 신뢰성이 한층 향상될 수 있다.

또한, 본 발명은 원자력 발전소의 종류에 관계없이 비상노심냉각계통에 범용적으로 적용될 수 있으며, 기존의 보충수 주입 탱크 내에 응축억제부재만 설치하면 되므로 설치 비용이 적다는 장점이 있다.

이상에서 설명한 보충수 주입 탱크 및 이를 구비하는 비상노심냉각계통은 위에서 설명된 실시예들의 방법과 구성에 한정되지 않는다. 본 발명은 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 다양하게 응용될 수 있다.