안전주입계통 일반

▼ 원자력발전소

► 계측제어계통

► 공학적안전설비

► 발전소배치

► 발전소제어실

► 발전원리

► 방사성폐기물관리계통

► 보조계통

► 전력계통

► 증기 및 동력변환계통

► 핵증기공급계통

기능

안전주입계통은 원자로 냉각재상실 사고시 노심냉각을 위하여 냉각재계통에 붕산수를 공급하고 냉각재 상실사고 후 장기 노심냉각의 수단을 제공한다. 또한 계통의 과잉냉각으로 인한 정반응도 삽입시 붕산수를 주입하여 충분한 정지여유도를 확보하여 노심을 미임계 상태로 유지하도록 한다. 공학적 안전설비계통의 핵심부를 이루는 안전주입계통은 냉각재 상실사고 또는 일차측 과냉사고 등의 설계 기준사고가 발생하면 냉각재계통에 붕산수를 공급하여 노심을 냉각하고 충분한 정지여유도를 확보한다. 또한 냉각재 상실사고후 상당기간 동안 노심의 심각한 변형을 막고, 핵연료 용융을 방지하며, 핵연료 피복재와 냉각재의 반응을 제한한다.

안전주입계통은 이러한 기능요건을 다중의 능동 및 수동주입 계통들을 이용하여 수행한다. 안전주입계통은 고압 안전주입계통과 저압 안전주입계통이 이루는 능동부와 수동부인 안전 주입탱크로 구성된다. 능동부인 고압 안전주입계통과 저압 안전주입계통은 안전주입 작동신호(SIAS)가 발생하면 동시에 자동으로 동작한다. 동작 초기 이들 계통은 붕산수원을 재장전수탱크(RWST 혹은 IRWST)로부터 취하는데 재장전수탱크의 수위가 감소하여 재순환 작동신호(RAS)가 발생되면 고압 안전주입계통은 자동정지하여 저압 안전주입계통만이 안전주입 기능을 수행하게 된다. 수동부인 안전주입탱크는 각 원자로냉각재계통 저온관(4개)에 연결되어있는데 냉각재 계통압력이 탱크압력 이하로 감소하면 탱크내의 붕산수는 압력 차이에 의해 자동 주입된다. 정상시 안전주입탱크는 질소를 이용하여 600 psig 압력으로 가압되어 있다.

주요기기

재장전수탱크(RWST 혹은 IRWST)

재장전수 탱크는 안전주입계통의 1차적 붕산수원이다. 4,000~4,400ppm 의 붕산농도를 유지하는 이 탱크는 모든 제어봉이 인출된 상태에서 저온상태의 발전소를 미임계로 유지시킬 수 있도록 설계되어 있다. 이 재장전수탱크는 모든 공학적 안전설비 계통의 설계용량 운전으로 재순환 작동신호(RAS) 발생까지 최소한 20분이 소요되는 용량이다.

안전주입계통 재순환 집수조

격납건물 내에 위치한 안전주입계통 재순환 집수조는 재순환 작동신호(RAS)발생후 공학적 안전설비계통의 붕산수원으로 기능한다. 이 안전주입계통 재순환 집수조는 격납건물 바닥으로부터 6feet 깊이에 설치돼 있어 원자로를 제외하면 건물내의 가장 깊은 위치에 있다. 이는 냉각재 상실사고(LOCA)가 발생하였을 때 상실된 냉각재가 재순환 집수조에 우선 모이도록 하기 위함이다. 그러나 정상운전중의 일반 배수는 재순환 집수조로 유입되지 못하도록 집수조 입구 주변 바닥을 상대적으로 높게 하였다. 재순환 집수조의 입구는 그래이팅, 트래쉬 랙 및 그물망으로 보호되어 으며, 이는 외부로부터의 이물질 유입을 방지하기 위함이다.

고압 안전주입 펌프

고압 안전주입펌프는 수평형 8단 원심펌프이다. 무누설 기계적 밀봉(Mechanical Seal)의 구조를 갖고 있으며 재장전수탱크(RWST)로 부터 안전주입계통 재순환 집수조로의 흡입유로 변경시 발생할 수 있는 열적 과도를 고려하여 설계되었다.

고압안전주입펌프의 주 기능은 원자로냉각재계통 경계에서 파단이 일어날 경우 원자로냉각재계통으로 붕산수를 주입하는 것이다. 또한, 고압안전주입펌프는 재순환 운전기간 중에 냉각재상실사고 후 장기간동안 붕산수가 노심상부를 덮고 있도록 유지하기 위해 이용된다. 장기 노심 냉각시 고압안전주입펌프는 고온관과 저온관의 동시주입을 위하여 수동으로 재 정렬된다. 이는 파단 위치에 무관하게 노심을 세정하고 종국에는 충분한 냉각상태를 유지하기 위함이다. 소형 파단시 고압안전주입펌프는 정상적인 냉각이 진행되는 중에도 파단부위로부터의 누설을 보충하기 위해 원자로냉각재계통으로 계속 주입을 한다. 또한, 고압안전주입펌프는 증기발생기가 이용 가능하지 않을 때 붕괴열을 제거하기 위해 붕산수를 주입하는 기능을 제공한다. 또한, 안전주입펌프는 2차측 완전 급수 상실 사고시 노심의 잔열제거를 위해 냉각수를 공급한다.

고압 안전주입펌프는 두 개의 조작위치(START/STOP)를 갖는 조작스위치에 의해 주제어실에서 제어된다. 조작 스위치는 항상 자동 대기상태에 있으며 안전주입작동신호(SIAS)가 발생하게 되면 고압 안전주입펌프는 자동 기동된다. 이때 정상적 제어스위치에 의한 정지는 불가능해진다. 이는 사고시 안전주입 기능 상실 가능성을 최소화하기 위함이다. 그러나 고압안전주입펌프가 안전주입 작동신호에 따라 자동기동 되었다 하더라도 펌프정지가 필요하다면 다음 두 가지 방법 중 어느 하나의 방법에 의해서 가능해진다. 그 하나는 존재하던 안전주입 신호가 발전소 조건의 회복으로 제거된 후 정상적 조작스위치 정지회로에 따라 정지하는 것이며 또는 조작스위치의 “START(ESF-2)" 누름 버튼을 한번 더 눌러 안전주입신호를 무효화 하면 이후 펌프운전은 운전원의 수동 조작에 의해서만 가능해진다. 그러나 존재하는 안전주입신호가 발전소 조건의 회복으로 제거된 후 또 다른 안전주입신호가 발생하게 된다면 다시 자동기동에 의해 안전주입 기능을 수행하게 된다.

저압 안전주입펌프

저압 안전주입계통은 안전주입 및 정지냉각의 두 가지 목적을 갖고 설계된 계통이다. 저압 안전주입계통은 냉각재계통 온도가 350℉ 이상에서는 대기모드(Stand by mode)에 있게 된다. 즉, 저압 안전주입계통은 흡입수원을 재장전수탱크로 하여 냉각재계통에 주입할 수 있도록 유로가 배열돼 있어야 하고 펌프는 전원가압과 함께 운전 가능상태를 유재해야 하는 것이다.

발전소 냉각이라 함은 냉각재계통을 고온 대기상태로부터 저온정지 상태까지의 일련의 수동 운전과정을 말한다. 발전소가 냉각됨에 따라 계통압력은 필연적으로 감소하게 된다. 냉각재 압력은 계속 감소되어 안전주입 작동신호 설정 압력인 1,762 psia에 도달되어지게 될 것이고 어떤 조치가 취해지지 않는다면 원치 않는 안전주입이 발생하게 될 것이다. 이를 막기 위해 가압기의 압력이 안전주입 작동 압력에 도달하기 전에 운전원의 조치로 불필요한 안전주입신호를 차단한다. 냉각재 계통이 온도 350°F 이하, 압력 400 psia 이하의 조건에 있게 되면 저압 안전주입계통은 정지냉각계통으로 배열하게 된다.

저압안전주입펌프는 두 가지의 기능을 한다. 하나는 배관의 대형파단 사고시 원자로냉각재계통에 다량의 붕산수를 주입하는 기능이다. 저압안전주입펌프의 다른 기능은 정상적인 발전소 정지냉각 운전 중이나 장기 노심 냉각 중에 필요한 원자로 노심과 정지냉각 열교환기를 통하여 정지냉각 유량을 공급하는 것이다. 저압안전주입펌프의 운전은 정지냉각이 개시되는 원자로냉각재의 온도가 보통 약 350 ℉ 에 도달하면 시작할 수 있다.

조작스위치는 "START/STOP"의 두 가지 위치로 되어있는데 자동 대기상태에 있게 된다. 저압 안전주입펌프는 “안전주입 작동신호”(SIAS)와 함께 자동으로 기동 된다. 펌프가 안전주입 작동신호에 의해 자동 기동되면 정상 조작스위치 정지회로에 의해서는 펌프를 정지시킬 수 없다. 이때 펌프를 정지시키기 위해서는 안전주입 작동신호가 제거된 후 이거나 또는 조작스위치의 "START(ESF-2)" 누름 버튼을 한 번 더 눌러 안전주입 작동신호를 무효화시킨 후에 가능하다. 그러나 이후 다시 안전주입 작동신호가 발생하면 펌프는 자동으로 재 기동된다. 또한 저압 안전주입펌프는 “재순환 작동신호(RAS)”가 발생하면 자동 정지된다. 즉 어떠한 원인에 의해 기동되었건 운전 중인 저압 안전주입펌프는 “재순환 작동신호”가 발생하면 자동 정지되는 것이다. 이로부터 펌프를 기동하는 것은 운전원의 판단이다.

안전주입탱크(Safety Injection Tank)

4개의 수직 원통형 탱크인 안전주입탱크는 각각 냉각재 저온관에 연결돼 있다. 재질은 탄소강이며 표면은 스테인레스강으로 피복돼 있다. 냉각재 계통과 분리를 위해 2개의 역지 밸브와 1개의 전동기 구동격리 밸브를 갖고 있다. 안전주입탱크는 대형 냉각재 상실 사고시 안전주입펌프에 의한 유량주입에 앞서 신속한 냉각재 주입을 목적으로 설계되었다. 그리하여 안전주입탱크의 가스/액체의 비율과 가스압, 출구관 크기는 냉각재 상실 사고 후 심각한 피복재 용융이나 지르코늄-냉각재 반응이 일어날 수 있기 전에 노심을 네 개의 탱크 중 세 개로 복구할 수 있도록 선정된다. 탱크의 물 용량은 원자로냉각재계통의 취출이 끝나기 전에 모든 유량 주입이 상실됨을 가정하여 보수적으로 계산된다. 안전주입탱크는 4000~4400 ppm(2.5 W/o)의 붕산농도를 유지하고 있으며 600 psig의 질소로 가압되어 있다. 총 체적은 13,898 gal으로 정상적인 질소압력에서 냉각재계통에 주입될 경우 안전성분석에서 평가된 냉각 기능을 충분히 수행할 수 있는 용량이다.

APR-1400 이후 발전소의 안전주입탱크안에는 수동형 유량조절장치(Fluid Device)가 설치되어 있다. 이 장치는 고유량의 붕산수를 일정시간동안 제공하고 이후에 유량을 점점 줄어들게 한다