KR20170104473A - 원자력 발전소의 중대 사고시 사용되는 환기 시스템과 관련 작동 방법 - Google Patents

원자력 발전소의 중대 사고시 사용되는 환기 시스템과 관련 작동 방법 Download PDF

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Abstract

원자력 발전소에서 운영자가 출입할 수 있는 운영실, 특히 원자력 발전소(6)의 제어실(4)의 환기 시스템(2)은 방사능의 누출을 수반하는 중대 사고시 적어도 수 시간의 기간 동안 오염이 제거된 청정 공기의 공급이 가능하도록 설계된 것이다. 특히 운영실에 공급되는 청정 공기 내의 방사성 희유가스 성분들은 가능한 한 적어야 한다. 본 발명에 따르면 환기 시스템(2)은 외부 유입구(14)로부터 운영실로 유도되며, 제1 팬(12)과 제1 희유가스 흡착 칼럼(예를 들어 38)이 연결되는 공급 공기 배관(10)과, 운영 실로부터 외부 유출구(72)로 유도되며, 제2 팬(46)과 제2 희유가스 흡착 칼럼(예를 들어 48)이 연결되는 배출 공기 배관(44)과; 그리고 제1 및 제2 희유가스 흡착 칼럼(38, 48)의 역할을 전환시키는 스위칭 수단을 구비한다.

Description

원자력 발전소의 중대 사고시 사용되는 환기 시스템과 관련 작동 방법{VENTILATION SYSTEM AND ASSOCIATED OPERATING METHOD FOR USE DURING A SERIOUS INCIDENT IN A NUCLEAR PLANT}
본 발명은 원자력 발전소에 관한 것으로, 더 상세히는 원자력 발전소의 중대 사고시 사용되는 환기 시스템과 관련 작동 방법에 관한 것이다.
원자력 발전소(nuclear power plant)에 있어서는 사고(accident or incident) 상황에서 특히 요드, 연무(aerosol), 그리고 희유가스(inert gas) 등의 방사성 핵분열 물질(radioactive fission product)의 상당한 방출이 나타날 수 있음을 문제의 사고에 따라 예상하고 어떤 대책을 도입하고 있어야 한다. 여기서, 격납용기(containment)의 누출(leakage)은 발전소 주변 환경(surrounding)으로의 방출 이전에 (예를 들어 보조 시설 건물, 스위칭 설비(switching facility), 제어실(control room) 등의) 발전소 건물에도 방사능(activity)의 누출 및 확산이 발생할 것으로 가정해야 한다. 이 경우 연무에 반송되는(aerosol-bound) 방사능의 누출에 더하여, 특히 희유가스의 누출은 발전소 직원들에게 문제가 된다.
여과된 압력 방출이 도입되는 동안 희유가스의 방대한 방출 역시 발생되어 발전소 지역에 희유가스 구름이 형성된다. 기상 조건에 따라서는 장기적 오염(longer-term pollution)도 완전히 배제될 수 없다.
소위 사고 관리 수단(accident management measures)의 도입을 위해서는, 운영자가 허용치 이상의(unacceptable) 방사능 노출이나 오염을 겪지 않고 남아있도록 하는, 통제소(control station)로도 지칭되는 제어실의 조건이 필수적이다.
발전소 정전(station blackout; SBO)을 수반하는 설계 기준 초과(beyond-design-basis) 사고의 경우, 설계된(intended) 또는 정상적으로 작동해야 할 환기 시스템(ventilation system)과 여과 시스템들은 제어실의 출입 가능성을 유지할 필수적인 환기 관련 인자들을 보장하는 데는 더 이상 소용이 없다.
이와 같은 종류의 시나리오를 극복하기 위해 종래의 설계들은 제어실의 격리(isolation)를 제공했다. 이 공급은 예를 들어 다른 필터들을 구비하는 이동식 환기 시스템을 사용하여 달성되었다. 이런 시스템들을 사용해서는 희유가스를 만족스럽게 포집(retention)할 수 없다.
다른 설계들은 제어실에 저장된 압축공기를 공급한다. 그러나 압력 용기 내의 장기 보관은 상당한 비용(outlay)을 요구하므로 제한적이다. 더 모듈화되고 이동화된 시스템은 현실적으로 불가능하다. 압력 저장기(pressure accumulator) 설계들은 운영 중인 시설을 개장(retrofit)하는 경우 상당한 비용을 추가적으로 요구한다.
본 발명의 목적은 원자력 발전소의 통제소 또는 운영자가 출입할 수 있는(accessible) 유사한 공간을 위한, 방사능(radioactive activity)의 누출이 수반되는 중대 사고시 적어도 수 시간의 기간 동안 오염이 제거된(decontaminated) 청정 공기를 공급하여 통제소 내에 있는 운영자들이 가능한 한 최소로 (방사능) 방사(radiation)에 노출되도록 하는, 가능한 한 단순하고 콤팩트(compact)한 환기 시스템을 제공(specify)하는 것이다. 특히, 통제소에 공급되는 청정 공기 내의 방사성 희유가스 성분은 가능한 한 적어야 한다. 뿐만 아니라, 이 환기 시스템은 가능한 한 수동적(passive)이어서 적은 양의 전력만을 소모해야 한다. 또한 이 종류의 환기 시스템을 작동시키는데 특히 바람직한 방법도 제공되어야 한다.
장치에 관련된 목적은 청구항 1의 특징들에 의해 달성된다. 방법에 관련된 목적은 청구항 10의 특징들에 의해 달성된다.
종속항들은 이하의 상세한 설명에도 기재된 바람직한 실시예들에 관련된다.
본 발명에 따른 환기 시스템은 바람직하기로, 특히(inter alia) 요드 필터 모듈을 구비한다. 여기서, 공급 급기 배관(supply air line)으로의 유입 공기(intake air)는 팬(fan)으로 흡입되어 연무의 분리를 위해 HEPA(high-efficiency particulate air; 고성능 미립자 제거) 필터 상으로 안내된다. 미립자 물질(particulate matter)이 제거되고 나면, 방사성 요드 화합물이 바람직하기로 활성탄(activated carbon) 필터 베드에서 분리된다. 동위원소 교환(isotope exchange)이나 염화(salification)에 의해 방사성 요드화 메틸(methyl iodide)을 제거하기 위해 함침(impregnated) 활성탄이 사용될 수 있다. 미립자(abraded particle)의 포집(retain)을 위해 활성탄 베드의 하류에 바람직하기로 미립자 필터(particle filter)가 연결된다.
이와 같이 여과된 공기는 두 번째 공정 단계의 희유가스 모듈로 공급된다. 희유가스 모듈은 기본적으로, 바람직하기로 활성탄인 흡착제가 충전된 쌍둥이 칼럼 구조의 두 흡착 칼럼(adsorber columns)들을 포함한다. 칼럼들의 흡착제는 또한 활성탄 및/또는 제올라이트(zeolite) 및/또는 분자 체(molecular sieves)의 복수의 층으로 구성될 수 있다.
제1 흡착 칼럼에 공급 공기가 도입되면, 크세논과 크립톤 등의 희유가스는 칼럼을 통과하는 동안 동적 흡착에 의해 감속된다. 바람직하기로 흡착제 미립자들을 포집하기 위한 필터가 칼럼 후방에 배치된다.
이와 동시에 공간 영역(spatial region)으로부터의 배출 공기(exhaust air)가 제2 흡착 칼럼으로 유도되어 여기에 이전에 축적된 희유가스 방사능을 역세정(backwashing)함으로써, 이 칼럼이 전환(switching) 후 다시 충전(loading)될 준비가 된다. 이 전환은 방사능이 제1 흡착 칼럼 내로 통과하기 직전 마지막에 수행되어, 그러면 이 칼럼은 배출 공기에 의해 역세정된다. 이 전환은 바람직하기로 타이머나 방사능 측정에 의해 수동적으로(passively) 촉발(trigger)된다.
역세정은 바람직하기로 배출 공기 배관 내의 팬(fan)에 의해 보조되는데, 부압(negative pressure)에 기인하는 배출 공기 흐름(exhaust air stream)의 용적의 증가가 희유가스의 역세정 공정을 촉진시킨다.
제어실의 배출 공기 배관 내에는 바람직하기로 드로틀(throttle)이 구비되는데, 이는 배출 공기의 수동적인 과열(passive superheating)을 조절하여 배출 공기 내에 존재하는 습기를 감소시킨다(팽창 건조). 이는 흡착 칼럼 하류에 연결된 세척될(rinsed) 희유가스의 탈착(desoption) 속도를 향상시킨다.
희유가스 칼럼에 너무 많은 수분이 이송되는 것을 방지하기 위해, 바람직하기로 드로틀 및/또는 공기 건조기가 공급 공기 배관의 희유가스 모듈에 구비된다.
희유가스 모듈은 k 값을 증가시키기 위해 수동적 콜드 트랩(cold accumulator)을 더 구비할 수 있다. 여기서 k 값은 예를 들어 희유가스 단위 cm3 / 흡착제 g으로 표시되는, 희유가스에 대한 흡착제 재질의 흡착 용량을 나타낸다. k 값은 온도, 압력과 가스의 수분 함량에 좌우된다. 이 값은 일반적으로 경험적으로 설정된다.
흡착 칼럼은 바람직하기로 압력 스윙 방법(pressure-swing method)에 따라 작동되는데, 즉 칼럼의 k 값을 향상시키면서 그 크기를 줄이기 위해 (각각 대기압에 대해) 칼럼의 세척을 위한 부압(negative pressure)과 칼럼의 충전을 위한 과압(excess pressure)으로 작동된다. 공급 공기가 통과하는 흡착 칼럼 내의 과압은 공급 공기 배관 내의 조정 밸브로 조정된다.
배출 공기는 역세정된 희유가스들과 함께 공급 공기 유입구와 충분히 이격된 발전소 주변 환경으로 배출된다.
(본 발명) 환기 시스템은 바람직하기로 제어기와 이에 대응하는 흐름과 압력 조정 부재들을 구비한다.
본 발명에 의해 달성되는 이점들은 특히 연무나 (특히 유기 요드 화합물 등의) 요드/요드 화합물 등 공기전파(air-borne) 방사성 물질에 부가하여, 이와 동시에 방사성 희유가스가 제어실의 공기 공급에서 배제(keep out)되는 것이다. 쌍둥이 칼럼들에 대한 압력 스윙 및 세척 방법을 사용하여, 크립톤-85 등의 장수명(long-life) 희유가스 동위원소조차 공급 공기 흐름으로부터 신뢰성 높게 분리될 수 있다. 흡착제(sorbent/adsorbent)로부터 희유가스를 제거하는 데 필요한 조건은 팽창 과열(expansion overheating)에 의해 수동적으로 지원된다. 전기 작동 전류의 요구치는 기본적으로 공급 공기 배관과 배출 공기 배관의 팬들과, 관련된 제어 유닛과 작동 사이클들의 전환을 위한 스위칭 수단들에 제한된 범위만 필요하다. 이 요구치는 (예를 들어 배터리 및/또는 디젤 발전기 세트 등의) 독립형(stand-alone) 에너지 공급 모듈로 적어도 72시간 동안 용이하게 충족시킬 수 있다.
요약하면, 제어실의 출입 가능성을 보장하기 위해서는 다음 기능들이 보장되어야 한다:
- 건물의 나머지 부분들로부터 제어실 환기의 격리,
- 인접 건물 영역들에 비해 (예를 들어 < 1mbar의) 초과 압력,
- 허용 일산화탄소 및 이산화탄소 농도의 유지,
- 요드의 포집,
- 연무의 포집,
- (예를 들어 Kr, Xe 등의) 희유가스의 포집,
- (예를 들어 < 100 mSv/7d의) 방사선량(dose)의 제한,
- 원자력 설비의 계기 및 제어 온도 규정(I&C temperature qualifications)에 부합되는 온도 제한,
- 전술한 기능들을 적어도 72시간 보장.
중요한 것을 요약하면, 추가적 이점들은;
- 더욱 모듈화되고 이동화된 시스템 설계,
- (기존의) 운영중인 시스템에 통합할 때 낮은 비용과 높은 유연성,
- 더 낮은 유지비용.
- 현저한 비용을 요구하는 호흡 가능한 공기 저장의 생략,
- 더 큰 공기 용적(공기 교환)과 공간 영역의 포괄 가능.
본 발명의 한 실시예가 다음 도면들을 참조하여 상세히 설명된다.
도 1은 원자력 발전소의 통제소 환기 시스템의 개략적이고 매우 간략화된 개요를 보이는 블록 흐름도.
도 2는 도 1에 도시된 시스템의 변형(확장)을 보이는 블록 흐름도.
도 1에 도시되고 약칭하여 환기 시스템(2)으로 지칭되는 사고 환기 시스템(accident ventilation system)은 사고(accident or incident) 상황, 특히 발전소 건물과 가능하기로 주변 환경에도 핵분열 물질(nuclear fission product)들의 방출(release)을 수반하는 중대 사고의 초기 국면(initial phase)에서 (제어실 또는 주제어실(main control room; MCR)로도 지칭되는) 원자력 발전소(6)의 통제소(control station; 4)에 청정 공기를 공급하는 데 사용된다.
일반적으로 원자력 발전소(6)의 자체적(autonomous) 전원 공급의 중단이 수반되어 통제실(4)에 대한 정상적으로 작동해야 할 환기 시스템(도시 안 됨)도 작동 못 하는 이런 종류의 시나리오에서는, 초기 대책을 도입하고 이를 감시할 수 있도록 운영자를 위험에 빠뜨리지 않으면서 소정시간 - 예를 들어 사고 개시후 약 72시간 - 동안 통제실(4)을 계속 점유할 수 있도록 하는 것이 특히 중요하다. 운영자는 주변 환경에 최대인 초기 방사능이 감쇠(decay)된 다음 안전한 철수(secure evacuation)가 가능할 때까지 통제실(4)에 남아있어야 할 수도 있다.
이를 위해 통제실(4)의 환기 시스템(2)이 구성되는데, 한편으로 통제실(4)이나 발전소 건물의 주변 환경으로부터 오염이 제거되고 산소가 풍부한 청정 공기(공급 공기로도 지칭됨)를 공급하도록 설계되어 관련된 여과 및 세정 단계들을 구비한다. 또한, 환기 시스템(2)은 사용된 이산화탄소가 풍부한 공기(배출 공기로도 지칭됨)를 통제실(4)로부터 주변 환경으로 배출시킨다. 여기서, 지금까지의 다른 종래의 설계들과 대조적으로 관련 압축공기 저장 시스템으로부터 청정 공기의 공급이나 통제실(4)의 내부에서의 어떤 특별한 공기의 재순환 또는 재처리는 본 발명에서 제공되지 않는다.
구체적으로, 신선한 공급 공기 배관 또는 약칭하여 청정 공기 배관으로도 지칭되는 공급 공기 배관(10)은 환기 시스템(2)의 작동 동안 이를 통해 주변 환경으로부터 청정 공기가 팬(12)에 의해 주변 환경으로부터 흡인되어 내부 공간(8)으로 이송되는 배관을 통해, 적어도 외부 환경에 대해 대략 밀폐된 통제실(4)의 내부 공간(8)에 연결된다. 공급 공기 배관(10)의 흡입 유입구 또는 약칭하여 유입구(14)는 통제실(4)로부터 어떤 거리를 이격하여, 특히 발전소 건물의 외부에 배치될 수 있다. 그러나 사고의 진행에 따라, 유입구(14)를 통해 흡인되는 청정 공기는 특히 연무(aerosol), 요드 및 요드 화합물과 함께 희유가스 형태의 방사성 핵분열 물질로 심각히 오염될 수 있다. 이 물질들은 통제실(4) 내부 공간(8)으로의 둘레벽(enclosing wall; 18)(일부만 도시됨)의 관통관(lead-through; 16)을 통해 상기 공기 흐름이 도입되기 전에 청정 공기 흐름(공기 공급 흐름으로도 지칭됨)으로부터 가능한 한 완전하고 신뢰성 높게 제거될 필요가 있다.
이를 위해, 예를 들어 흐름에 대해 병렬로 연결된 두 HEPA 필터(22)로 구성된 연무 필터(20) 형태의 제1 여과 단(filter stage)이 공급 공기의 흐름 방향에서 보았을 때 유입구(14)의 하류의 공급 공기 배관(10)에 연결된다. 이에 따라 HEPA 필터(22)는 청정 공기 흐름으로부터 특히 Te, Cs, Ba, Ru, Ce, La 동위원소에 대한 연무 미립자(부유 미립자(floating particle)로도 지칭함)를 고효율로 분리하게 된다.
더 하류에는 요드 필터(24)와 입자 필터(26)를 구비하는 제2 여과 단이 공급 공기 배관(10)에 연결된다. 요드 필터(24)는 바람직하기로 예를 들어 0.1 내지 0.5m의 층 두께를 가지는 활성탄 필터 베드(activated carbon filter bed)의 형태로 구성된다. 연무 필터(20)에서 미립자 물질의 분리가 먼저 수행된 다음, 예를 들어 0.1 내지 0.5s의 접촉시간에 대해 k 값 > 8을 가지는 방사성 요드 화합물과 원소 요드는 요드 필터(24)에 의해 분리된다. 방사성 요드화 메틸을 동위원소 치환 또는 염화에 의해 분리하기 위해 (예를 들어 요드화 칼륨을 함침제로 포함하는) 함침 활성탄이 사용될 수 있다. 요드 필터(24) 하류에 연결된 미립자 필터(26)가 활성탄 베드로부터 미립자들을 포집하도록 구비된다.
청정 공기를 이송시키는 이송 팬(conveyor fan), 약칭하여 팬(12)이 제2 여과 단 하류의 공급 공기 배관(10)에 연결된다. 바람직하기로 이 전기 구동 팬(12)은 예를 들어 100 내지 6000 m3/h 범위의 흡입 용량을 가진다.
필요한 작동 전류를 공급하기 위해, 정상적으로 작동하는 자체적(autonomous) 전원과도 독립적이고 바람직하기로 종래의 (시설 전체의) 비상 전원과도 독립적인, 예를 들어 전기 배터리/축적기 및/또는 디젤 발전기 세트를 기반으로 하는 독립형(stand-alone) 전력 공급 모듈(28)이 구비된다. 이 전력 공급 모듈은 필요하다면, 바람직하기로 무정전 전원(uninterruptible power supply)으로 작동하든가, 이와는 달리 관련 제어 유닛(3)에 의해 작동된다.
더 하류에는, 콜드 트랩(cold trap)으로도 지칭되는 공기 건조기(32)가 공급 공기 배관(10)에 선택적으로 연결되는데, 이에 의해 응축 가능한 성분들이 청정 공기 흐름에서 분리될 수 있다. 이는 예를 들어, 실리카겔 및/또는 얼음을 건조제(desiccant)로 구비하는 수동적(passive) 콜드 트랩이 될 수 있다. 이에 따라 하류에 연결된 (후술할) 기능 유닛들로 흐르는 청정 공기 흐름의 수분이 제거된다. 이를 대체하는 또는 추가적인 드로틀(34)이 청정 공기의 흐름 방향에서 공기 건조기(32)의 하류에 배치되어, 팽창 건조의 원리에 따라 청정 공기 흐름에 동일한 목적을 충족하도록 작용한다. 이 드로틀은 특히 제어 가능한 드로틀 밸브가 될 수 있다.
여과 및 건조된 다음, (후술할) 관련 조정 부재들이 이에 따라 조정되고, 청정 공기 흐름은 예를 들어 희유가스 흡착 칼럼, 약칭하여 흡착 칼럼(38)이 연결된 배관부(36)를 통해 흐르게 된다. 이 공정에서 청정 공기 흐름에 포함된 희유가스, 특히 크세논과 크립톤은 물리적 및/또는 화학적 흡착에 의해 동적으로 발생되는 평형의 맥락에서 흡착 칼럼(38) 내의 흡착제의 흡착 용량(adsorption capacity)이 다 차지 않는 한 흡착 칼럼(38) 내에 존재하는 흡착제에 포집되어, 결과적으로 상기 가스들은 배관부(36) 내에서 감속된다. 특히 활성탄 및/또는 제올라이트 및/또는 분자 체(molecular sieve)의 하나 이상의 층이 흡착제로 구비될 수 있다.
통제소(4)로 향하는 배관부는 흡착제 칼럼(38)의 하류에 연결되는데, 이 배관부에는 분리된(detached) 흡착제 미립자를 포집하기 위한 미립자 필터(40)가 연결된다.
최종적으로, 전술한 방법으로 오염이 제거된 청정 공기가 통제소 둘레벽(18)의 관통관(16)을 통해 통제소(4) 내부 공간(8)으로 도입됨으로써 이 사용되지 않고 산소가 풍부하여 호흡 가능한 공기가 운영자에게 허용 가능한 방사능 수준으로 공급된다.
이산화탄소가 풍부한 호흡 가능한 공기가 상기 통제소의 내부 공간(8)에 연결된 배출 공간(44)을 통해 통제소(4)로부터 제거되어 둘레벽(18)의 관통관(lead-through; 42)을 통해 주변 환경으로 유도되어 공기 교환이 완료되는데, 이 배관에는 가스 이송을 지원하기 위한 팬(46)이 연결된다. 상기 팬(46)은 바람직하기로 팬(12)과 유사하게 전원 모듈(28)로부터 전력을 공급받는 전기 구동 팬이다.
실현 가능한(feasible) 설치 크기 때문에 청정 공기 흐름에 작용하는 흡착 칼럼(38)의 흡착 용량은 일반적으로 비교적 짧은 시간 동안에 바로 소진되는데, 환기 시스템(2)은 작동 동안 흡착된 희유가스를 주변 환경으로 역세정(backwashing)시키도록 설계되어 있다. 이를 위해 구조적으로 거의 동일한 두 흡착 칼럼(38, 48)이 구비되고, 이 칼럼들에 관련 배관 분기구(line branch)들과 여기서는 3방 밸브(3-way valve) 형태의 연결 및 조정 부재들을 통해 청정 공기와 배출 공기가 인가되는데, 두 흡착 칼럼(38, 48) 중의 하나가 전술한 흡착 모드로 청정 공기에 작용하는 한편, 다른 칼럼은 이와 동시에 탈착(desorption) 또는 세척(rinsing) 모드로 배출 공기를 역세정함으로써 다음 흡착 사이클을 준비하게 된다. 조정 부재들의 전환(switching)에 의해 흡착 칼럼(38, 48)의 기능이 교대(interchange)될 수 있고, 이에 따라 각 칼럼에 대해 흡착 모드와 탈착 모드 간의 주기적인 교대(swap)가 가능하다.
도면들에 도시된 실시예에서, 이 기능은 흐름에 대해 서로 역평행(antiparallel)으로 연결된 배관부(36)에 배치된 한 흡착 칼럼(38)과 배관부(50)에 배치된 다른 흡착 칼럼(48)에 의해 달성된다. 두 배관부(36, 50)는 일단에서 3방 밸브(52)로, 팬(46)의 흡입 측에 배치된 타단에서 합류 연결부(confluence; 54)로 통합된다. 또한 3방 밸브(52)와 두 흡착 칼럼(38, 48) 사이의 일측에는 두 3방 밸브(56, 58)에 의해 전환될 수 있으며 T 연결부(62)에 의해 미립자 필터(particular filter; 40)를 향하는 공급 공기 배관(10)의 일부에 연결되는 횡 연결관(cross connection; 60)이 두 배관부(36, 50) 사이에 연결된다. 흡수 칼럼(38, 48)과 합류 연결부(54) 사이의 타측에는 유사한 구조로 두 3방 밸브(64, 66)에 의해 전환되며 T 연결부(70)를 통해 드로틀(34)로부터의 공급 공기 배관(10)의 일부에 연결되는 횡 연결관(68)이 연결된다.
전술한 바와 같이 이에 따라 선택된 밸브 설정에서, 드로틀(34)로부터의 공급 공기가 T 연결부(70)와 3방 밸브(66), 도면 하부의 흡착 칼럼(38), 3방 밸브(58), 그리고 T 연결부(62)를 통해 미립자 필터(40)로 흐르고, 거기서부터 통제소(4)로 공급된다, 다른 배관 유로(strand)로는 통제실(4)로부터의 배출 공기가 3방 밸브(52), 3방 밸브(56), 도면 상부의 흡착 칼럼(48), 그리고 3방 밸브(64)를 통해 팬(46)의 흡입 연결부로 흐르고, 거기서부터 바람직하기로 청정 공기의 유입구(14)와 이격되어 위치하는 배출 공기 연통(flue)이나 다른 유출구(72)로 배출된다.
달리 말하면, 이 작동 모드에서는 거의 희유가스가 없는 통제실(8) 내부 공간(8)으로부터의 배출 공기에 의해 이전 사이클에서 흡착에 의해 흡착 칼럼(48)에 축적되었던 희유가스들이 탈착되고 배출 공기 흐름과 함께 주변 환경으로의 배출 공기에 의해 역세정(backwashing)된다. 이 역세정은 역세정되는 흡착 칼럼(48) 하류에 배치된 팬(46)에 의해 지원되는데, 희유가스들에 대한 역세정 공정의 부압에 의한 배출 가스 흐름의 용적 증가가 강화된다.
바람직하기로 조정 가능한 드로틀 밸브의 형태인 드로틀(74)이 배출 공기 흐름의 방향으로 보아 3방 밸브(52)의 상류, 이에 따라 현재 세척 모드인 흡착 칼럼(48)의 상류의 제어실의 배출 공기 배관(44)에 배치되는데, 이 드로틀은 배출 공기의 수동적 과열을 일으킴으로써 배출 공기 내의 수분을 감소시킨다(팽창 건조). 이는 하류에 연결된 흡착 칼럼(48)에서 희유가스의 탈착 속도(desorption speed)를 향상시킨다.
스위칭 이후에는 흡착 칼럼(38, 48)들의 기능이 교대(interchange)된다. 이제 청정 공기는 드로틀(34)로부터 3방 밸브(64), 흡착 칼럼(48), 그리고 3방 밸브(56)를 통해 미립자 필터(40)로 흘러, 거기서 통제소(4)로 공급된다. 반면, 통제소(4)로부터의 배출 공기는 드로틀(74)로부터 3방 밸브(52), 3방 밸브(58), 흡착 칼럼(38), 그리고 3방 밸브(66)를 통해 팬(46)으로 흐르고, 거기서 유출구(72)로 배출된다. 이전에 충전(loading)된 흡착 칼럼(38)은 이제 배출 공기에 의해 역세정되는 반면, 흡착 칼럼(48)은 청정 공기의 정화에 사용가능하며 이에 따라 다시 충전될 수 있다.
3방 밸브들(52, 56, 58, 64, 66)에 의한 스위칭 공정들을 제어하기 위한 제어 유닛(30)이 구비되는데, 이 제어 유닛은 바람직하기로 두 팬(12, 46)들과 ,선택적으로, 유량(through-flow)과 압력의 추가적인 다른 조정 부재들도 함께 작동시킨다. 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게는 이 스위칭 기능을 동등한 방식으로 수행할 수 있는 다른 배관 구성들과 조정 부재들이 자명할 것이다.
점선의 경계선으로 도시한 바와 같이, 환기 시스템(2)은 바람직하기로 희유가스 모듈(inert gas module; 76), 요드 및 연무 모듈(iodine and aerosol module; 78), 그리고 전원 모듈(power supply module; 28)로 된 모듈 방식으로 구성된다. 모듈들 간의 경계는 물론 상세가 달라지게 선택될 수 있지만 추가적 모듈이나 서브 모듈이 존재할 수 있다. 각 개별적 모듈들은 예를 들어 표준 컨테이너 내에 수송 가능하도록 수납되어, 사용 현장까지 용이하게 수송되고 표준화된 관련 배관 연결부들의 연결로 현장에서 용이하게 설치될 수 있다.
도 2에 도시된 환기 시스템(2)의 변형예는 도 1에 보인 구성요소들에 부가하여, 바람직하기로 주로 화학적 흡착(chemisorption) 또는 (물리적) 흡착에 기반하는 CO2 흡착 칼럼(82)을 가지는 이산화탄소(CO2) 포집 유닛(retaining unit)을 구비한다. 이에 따라 통제소(4)는 외부로부터의 (여과된) 호흡 가능한 공기의 공급 없이도 통제소(4) 내의 CO2 농도가 운영자의 거주성(well-being)에 대한 임계값을 초과하지 않고 소정의 시간 동안 공기 순환 모드(circulating-air mode)로 작동될 수 있다. 공기 순환 모드에서는 격납용기(containment) 외부에 극단적인 방사능 부하가 발생된 경우에도 방사능이 침투하지 않아 유용하다.
CO2 흡착 칼럼(82)은 바람직하기로 도 1에 도시된 시스템에 통합되어 순환 배관 또는 순환 공기 배관(80)이 구비되는데, 이 배관들은 배출 공기 배관(44)에서 분기되어 공급 공기 배관(10)으로 연장되고 거기에 CO2 흡착 칼럼(82)이 연결된다. 이에 따라 공기 순환 모드에서는, 순환 공기 배관(80)에 연결된 공기 순환 팬(84)이 통제소(4)에서 제거된 CO2가 풍부한 배출 공기를 CO2 흡착 칼럼(82)으로 이송하고 CO2 함량이 감소된 호흡 가능한 공기로서 통제소(4)로 복귀시킨다. CO2 흡착은 거의 통제소(4) 내의 지배적인 압력, 즉 대기압 또는 약간 높은 압력(내부누설(inleakage)의 방지; 후술함)에서 수행된다. 결과적으로 공기 순환 팬(84)은 어떤 현저한 압축을 수행하지 않는다.
특히 도시된 예에서, 순환 공기 배관(80)의 유입구 측은 배관 분기구(예를 들어 T 연결부)에 의해 관통관(lead-through; 42)과 드로틀(74) 사이에 위치한 배출 공기 배관(44)의 배관부에 연결된다. 순환 공기 배관(80)의 유출구 측은 배관 분기구에 의해 관통관(16)과 3방 밸브(58) 사이의 배관부, 여기서는 특히 미립자 필터(40)의 상류에 연결된다. 추가적으로 또는 대체적으로, 필터(86)가 순환 공기 배관(80)에 연결될 수 있는데, 여기서는 예를 들어 CO2 흡착 칼럼(82)의 하류에 연결된다(공기 순환 모드에서의 흐름 방향은 칼럼 옆의 화살표로 표시되어 있다).
환기 시스템(2)의 나머지들에 대한 공기 순환 시스템의 연결에 대해서는 물론 변형이 가능하지만, 도시된 변형예는 통제소(4)의 둘레벽(18)/격납용기에 단지 두 관통관(16, 42)만이 필요하므로 특히 유용하다. 또한 공기 순환 모드에서는, 희유가스 흡착 칼럼(38, 48)들과 상류 구성요소들을 포함하는 환기 시스템(2)의 일부가 대응 차단기기 또는 밸브들에 의해 흐름과 매질에 있어 간단하고 신뢰성 높게 분리 및/또는 격리될 수 있는 것이 유용하다.
순환 공기 배관(80) 자체에는 필요시 이 배관을 배관 시스템의 나머지들과 격리시킬 수 있도록 유입구 측과 유출구 측에 차단 밸브(88, 90)들이 구비된다. 바람직하기로 차단 밸브(88, 90)들은 유량(through-flow)에 대해 제어 가능(제어 밸브)하여 부분적 흐름 역시 조정 가능하다. 이는 다른 밸브들, 특히 후술할 차단 밸브(92, 94)에 대해서도 마찬가지로 적용된다.
순환 공기 배관(80)에 대해 개별적인 별도의 공기 순환 팬(84)을 구비할 수 있다. 그러나 도 1에 따른 변형예에서 팬(46)을 공기 순환 모드 동안의 공기 순환 팬(84)의 겸용이란 의미 내에서 배출 공기 배관(44)의 공기 배출 팬으로 전용으로(exclusively) 사용하는 것이 특히 유용하다. 이를 위해, 순환 공기 배관(80)은 적절한 배관 분기구 또는 연결구들에 의해 팬(46)을 포함하는 배출 공기 배관(44)의 배관부에 연결된다. 이 배관부는 차단 밸브((92, 94))에 의해 배출구(72)와 희유가스 흡착 칼럼(38, 48)을 포함하는 환기 시스템(2)의 일부와 격리될 수 있어, 공기 순환 모드의 순환 공기 배관(80)의 일부를 구성한다. 도시된 바와 같이 CO2 흡착 칼럼(82)은 바람직하기로 팬(46)(또는 더 일반적으로 공기 순환 팬(84))의 하류, 그 압력 측에 배치된다.
차단 밸브(94)는 바람직하기로 라인 분기구 상의 제어 가능한 3방 밸브인데, 이 밸브는 희유가스 흡착 칼럼(38 또는 48)의 탈착(역세정) 동안 유출구(72)를 개방하고 순환 공기 배관(80)이 연결된 유로를 차단한다. 이는 탈착 동안 희유가스 흡착 칼럼(38 또는 48)으로부터 누출된 방사성 물질들이 주변 환경으로 방출되고 순환 공기 배관(800을 통해 통제소(4) 내로 이송되지 않도록 보장한다. 그러므로 희유가스 탈착 모드(희유가스 흡착 칼럼(38 또는 48)의 세정)와 CO2 흡착 모드(공기 순환 모드)는 바람직하기로 동시에 작동되지 않는다.
그러나 희유가스 흡착모드(희유가스 흡착 칼럼(38 또는 48)의 충전)와 CO2 흡착 모드(공기 순환 모드)는 어려움 없이 동시에 작동될 수 있다. 이 경우, 여과된 청정 공기는 두 희유가스 흡착 칼럼(38 또는 48) 중의 적어도 어는 하나와 공급 공기 배관(10)에 의해 통제소(4) 내로 이송된다. 차단 밸브(88)가 개방되면 통제소(4)로부터의 배출 공기는 팬(46)에 의해 순환 공기 배관(80)으로 이송된다. 3방 제어 밸브로 설계된 차단 밸브(94)의 설정에 따라 공정에서 더 크거나 더 작은 부분 흐름(선택적으로 0의 값을 가질 수도 있다)이 유출구(72)를 통해 주변 대기로 배출되고, 부분 흐름의 나머지는 CO2 흡착 칼럼(82)을 통해 통제소(4)로 복귀된다. 이 경우, 차단 밸브(94)가 폐쇄되는데 이에 따라 전술한 바와 같이 희유가스 흡착 칼럼(38 또는 48)로부터의 원하지 않는 방사능 물질들의 통제소(4)로의 복귀가 방지된다.
추가적으로 가능한 작동 모드는 희유가스 흡착 칼럼(38 또는 48)들을 도 1에 관련하여 전술한 바와 같이 주기적으로 교번하는 방식의 흡착 및 탈착 모드로 동시에 작동시키는 것이다. 이 작동 모드에서, 공기 순환 모드에서는 바람직하기로 전술한 바와 같이 CO2 흡착은 이뤄지지 않는다.
그러나 희유가스 흡착 칼럼(38 또는 48)에서의 물리적 흡착이 대기압보다 더 높은 압력(예를 들어 8bar)에서 매우 더 효율적인 반면, 탈착은 바람직하기로 비교적 낮은 압력, 특히 대기압에 비해 약간 부압(negative pressure)에서 발생되는 것이 파악되었다. 결과적으로 전환 공정(스위칭)에 이어 예를 들어 10 내지 30분의 어떤 시간 동안 압축기로 작동하는 팬(12)을 사용하여 압력 증가를 계획해야 한다. 이 압력 증가 국면에서, 희유가스 흡착 칼럼(38 또는 48)의 포집 용량은 그 동안에는 아직 완전히 차지 않아, 통제소(4)는 바람직하기로 공기 순환 모드의 CO2 흡착만에 의해 환기된다. 이 공정에서, 통제소(4) 내의 공기의 산소 함량은 호흡에 의해 점차 감소되지만 CO2 함량은 신뢰성 높게 임계값 밑으로 유지된다. 이후, 유효한 희유가스 포집을 위해 필요한 작동 압력에 도달하면, 바람직하기로 희유가스 흡착 칼럼(38 또는 48)을 통해 여과된 공기 공급으로 전환된다(전술한 바와 같은 희유가스 흡착과 CO2 흡착의 동시 작동). 결과적으로, 강하되었던 통제소(4)의 공기의 산소 함량 갱신된다. 이후, 순환 공기가 차단되었을 때 재생 국면(탈착)이 수행되어 흡착 칼럼(38, 40)이 교대될 수 있다.
달리 말해, 도 2에 따른 환기 시스템(2)의 바람직한 작동 모드는 바람직하기로 흡착 칼럼(38, 48) 내의 압력 증가에 필요한 시간 주기 동안 전적으로 공기 순환 모드로 통제소(4)를 공급하는 모드를 구비한다. 압력 증가 이후에는 바람직하기로 화학적 CO2 흡착 동안/과 함께 흡착 칼럼(38, 48)에 의한 희유가스 포집(hold-up) 배관을 통해 청정 공기가 공급된다. 용적이 증가된 흐름은 바람직하기로 산소 농도를 유지하고 통제소(4) 내의 압력을 증가시키는 데 사용된다. 결과적으로, 외부 주변 환경에 비해 통제소(4) 내에서 과압을 가지는 유도된 흐름이 생성되는데, 이 흐름은 외부로부터 통제소(4) 내로 방사능이 침투하는 것(내부누설; inleakage)을 신뢰성 높게 방지한다. CO2 흡착만에 의해 작동하는 단순한 시스템은 이 기능을 충분히 신뢰성 있는 방식으로 보장하지 못한다.
흡착 칼럼(82)의 CO2 흡착에 사용되는 흡착제는 소다 석회(soda lime), 제올라이트(zeolite)/분자 체(molecular sieve) 또는 재생 가능한 흡착제가 될 수 있다. 특히 산화물, 과산화물(peroxide), 초과산화물(superoxide)(예를 들어 과산화칼륨(potassium superoxide))들도 가능한 흡착제의 다른 예들이 될 수 있다. 재생 가능한 흡착제는 또한 금속 산화물들 또는 그 혼합물로 구성될 수도 있다. 예를 들어 산화은(silver oxide)은 CO2와 반응하여 탄산은(silver carbonate)을 형성한다. 원칙적으로, 전술한 흡착제들의 혼합물도 사용될 수 있으며, 또는 다른 단(stage)들에 같거나 다른 흡착제들을 가지는 다단(multi-stage) 칼럼도 구현될 수 있다.
이에 따라 적절한 흡착제가 사용되면 흡착 칼럼(82)에서 발생되는 화학적 흡착(chemisorption)은 고온에서 가역적(reversible)으로 수행될 수 있어 흡착제는 원칙적으로 재생될 수 있다. 이 목적으로 통제소(4)를 오염시키지 않고 전술한 공기 순환 모드 외의 이 종류의 재생 국면을 수행하기 위해 공기 순환 시스템의 배관 구성의 간단한 변경이 바람직할 것이다.
요약하면, 도 1 및 도 2에 따른 시스템들은 연무와 유기요드의 공기 전파 방사능뿐 아니라 희유가스 역시 제어실의 호흡 가능한 공기로 유입되지 않게 보장한다. 도 2를 따른 확장 시스템에서는, 화학적 흡착/(물리적) 흡착에 의해 호흡 가능한 공기로부터 CO2가 추가적으로 제거된다.
직접적인 CO2 흡착을 통합함으로써 극단적인 사고 상황에서 제어실의 산소 농도가 하한(약 17-19 용적%)로 강하되어 외부로부터 청정 공기 공급이 요구될 때까지 통제소(4)가 운영될 수 있게 된다. 그러면 흡착 칼럼(38, 48)을 구비하는 희유가스 포집 모듈이 특히 산소 함량을 충족 및 증가시키도록 작동된다. 결과적으로, 구동 에너지와 활성탄의 양에 대한 모듈의 요구 용량이 현저히 저감될 수 있다. 압력 스윙 흡착을 생성하기 위해 요구되는 압축 에너지도 최소화될 수 있다. 결과적으로, 자체적으로 전력을 생성하는 데 필요한 모듈도 더 작아질 수 있다.
이상의 설명은 원자력 발전소의 (중앙) 통제소의 환기를 대상으로 하였지만, (본 발명) 환기 시스템(2)은 원자력 발전소나 연료봉 저장소(fuel element stores), 재처리 플랜트, 연료 처리 설비 등 좀 더 일반적인 원자력 발전소 내의 다른 공간 영역 - 예를 들어 보조 시설 건물, 스위칭 설비 공간(switching facility space), 제어실 또는 다른 운영 및 감시 공간의 사고시 환기에 사용될 수 있다. “운영 공간(operating space)”이라는 용어 역시 요약 및 키워드로서 이 종류의 공간에 사용된다.
2 환기 시스템(ventilation system)
4 통제소(control station)
6 원자력 발전소(nuclear power plant)
8 내부 공간(interior)
10 공급 공기 배관(supply air line)
12 팬(fan)
14 유입구(inlet)
16 관통관(lead-through)
18 둘레벽(enclosing wall)
20 연무 필터(aerosol filter)
22 HEPA 필터(HEPA filter)
24 요드 필터(iodine filter)
26 미립자 필터(particle filter)
28 전원 모듈(power supply module)
30 제어 유닛(control unit)
32 공기 건조기(air dryer)
34 드로틀(throttle)
36 배관부(line portion)
38 흡착 칼럼(adsorber column)
40 미립자 필터(particle filter)
42 관통관(lead-through)
44 배출 공기 배관(exhaust air line)
46 팬(fan)
48 흡착 칼럼(adsorber column)
50 배관부(line portion)
52 3방 밸브(3-way valve)
54 합류 연결부(confluence)
56 3방 밸브(3-way valve)
58 3방 밸브(3-way valve)
60 횡 연결관(cross connection)
62 T 연결부(T-connection)
64 3방 밸브(3-way valve)
66 3방 밸브(3-way valve)
68 횡 연결관(cross connection)
70 T 연결부(T-connection)
72 유출구(outlet)
74 드로틀(throttle)
76 희유가스 모듈(inert gas module)
78 요드 및 연무 모듈(iodine and aerosol module)
80 순환 공기 배관(circulating-air line)
82 CO2 흡착 칼럼(CO2 adsorber column)
84 공기 순환 팬(circulating-air fan)
86 필터(filter)
88 차단 밸브(shut-off valve)
90 차단 밸브(shut-off valve)
92 차단 밸브(shut-off valve)
94 차단 밸브(shut-off valve)

Claims (18)

  1. 원자력 발전소에서 운영자가 출입할 수 있는 운영 공간, 특히 원자력 발전소(6)의 통제소(4)의 환기 시스템(2)으로,
    외부 유입구(14)로부터 운영 공간으로 유도되며, 제1 팬(12)과 제1 희유가스 흡착 칼럼(예를 들어 38)이 연결되는 공급 공기 배관(10)과;
    운영 공간으로부터 외부 유출구(72)로 유도되며, 제2 팬(46)과 제2 희유가스 흡착 칼럼(예를 들어 48)이 연결되는 배출 공기 배관(44)과; 그리고
    제1 및 제2 희유가스 흡착 칼럼(38, 48)의 역할을 전환시키는 스위칭 수단을 구비하는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템.
  2. 청구항 1에서,
    제1 팬(12)이 공급 공기의 흐름 방향으로 보아 제1 희유가스 흡착 칼럼(예를 들어 38)의 상류에 배치되는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템.
  3. 청구항 2에서,
    드로틀(34) 및/또는 공기 건조기(32)가 제1 팬(12)과 제1 희유가스 흡착 칼럼(예를 들어 38) 사이의 공급 공기 배관(10)에 연결되는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템.
  4. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에서,
    제2 팬(46)이 배출 공기의 흐름 방향으로 보아 제2 희유가스 흡착 칼럼(예를 들어 48)의 하류에 배치되는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템.
  5. 청구항 1 내지 4 중의 어느 한 항에서,
    드로틀(74)이 배출 공기의 흐름 방향으로 보아 제2 희유가스 흡착 칼럼(예를 들어 48) 상류의 배출 공기 배관(44)에 연결되는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템.
  6. 청구항 1 내지 5 중의 어느 한 항에서,
    요드 필터(24)와 연무 필터(20)가 공급 공기 배관(10)에 연결되는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템.
  7. 청구항 6에서,
    요드 필터(24)와 연무 필터(20)가 공급 공기의 흐름으로 보아 제1 팬(12)의 상류에 배치되는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템.
  8. 청구항 1 내지 7 중의 어느 한 항에서,
    독립형 전원 모듈(28)을 구비하는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템.
  9. 청구항 1 내지 8 중의 어느 한 항에서,
    스위칭 수단이 복수의 3방 밸브(52, 56, 58, 64, 66)들을 구비하는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템.
  10. 청구항 1 내지 9 중의 어느 한 항에서,
    CO2 흡착 칼럼(82)과 공기 순환 팬(84)이 연결된 순환 공기 배관(80)이 운영 공간에서 연장 및 복귀되는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템.
  11. 청구항 10에서,
    제2 팬(46)이 순환 공기 배관(80)에 공기 순환 팬(84)으로 연결될 수 있는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템.
  12. 청구항 10 또는 11 중의 어느 한 항에서,
    순환 공기 배관(80)의 유입구 측은 배출 공기 배관(44)에 연결되고 순환 공기 배관(80)의 유출구 측은 공급 공기 배관(10)에 연결되는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템.
  13. 청구항 1 내지 12항 중의 어느 하나를 따른 환기 시스템(2)을 작동하는 방법으로,
    공급 공기가 두 희유가스 흡착 칼럼 중의 하나(예를 들어 38)를 흘러 상기 칼럼이 방사성 희유가스로 충전됨과 동시에 배출 가스가 두 희유가스 흡착 칼럼 중의 다른 하나(예를 들어 48)를 흘러 상기 칼럼이 역세정되는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템의 작동 방법.
  14. 청구항 13에서,
    현재 충전되는 희유가스 흡착 칼럼(예를 들어 38)의 충전 용량이 다 차는 대로 두 희유가스 흡착 칼럼(38, 48)의 역할이 스위칭에 의해 교대되는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템의 작동 방법.
  15. 청구항 10 내지 12 중의 어느 한 항에서,
    제1 팬(12)에 의해 두 희유가스 흡착 칼럼(예를 들어 38) 중의 적어도 어느 하나에 압력이 형성되고, 이와 동시에 공기 순환 모드의 CO2 흡착 칼럼(82)에 의해 CO2 저감이 수행되는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템의 작동 방법.
  16. 청구항 15에서,
    압력이 형성되는 동안, 운영 공간이 전적으로 CO2가 제거된 순환 공기만으로 환기되는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템의 작동 방법.
  17. 청구항 15 또는 16 중의 어느 한 항에서,
    두 희유가스 흡착 칼럼(예를 들어 38) 중의 적어도 어느 하나에 의해 운영 공간에 공급 공기가 공급됨과 동시에, 공기 순환 모드의 CO2 흡착 칼럼(82)에 의해 CO2 저감이 수행되는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템의 작동 방법.
  18. 청구항 15 또는 17 중의 어느 한 항에서,
    제1 팬(12)이 공기 순환 팬(84)으로 사용되는
    원자력 발전소의 통제소 환기 시스템의 작동 방법.
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