공부하고 정리하고

증기발생기는 후쿠시마의 원전에 사용되는 BWR발전 방식과 우리나라에서 사용하는 PWR 방식의 차이 중에 가장 큰 차이인 설비라고 할 수 있습니다. 

BWR에는 없고 PWR에 존재하는 설비이기 때문입니다.
이 증기발생기에 대해 알아보겠습니다.

증기발생기

증기발생기는 냉각재가 들어오고 나가는 원자로와 연결된 1차계통과 발전용수가 들어오고 나가는 2차계통의 압력경계를 형성하는 설비입니다.
1차계통의 물(냉각재)이 이동하는 방향은 원자로-가압기-증기발생기-펌프 순으로 순환이 되고 2차계통의 물은 증기발생기-터빈-복수기-펌프 순으로 순환이 됩니다.
즉, 용도는 1차계통의 열을 제거해주어 원자로의 과열상태로 인한 용융을 막기 위해 사용되고 2차계통은 발전용물을 데워 전기를 생산해주는 역할을 합니다.

잠시 BWR을 살펴보죠. BWR은 증기발생기가 없습니다.
단지 1차계통 2차계통의 구분없이 원자로-터빈-복수기-펌프순으로 순환이 됩니다.
이렇게 하면 사실 열전달 효율이 좋아지기 때문에 열손실이 적어 비교적 더 적은 돈으로 더 많은 전기를 생산할 수 있습니다. 즉, 연료대비 손실이 적다는 이야기입니다. 
하지만, 저번에 후쿠시마 사고를 설명할 때도 말했었지만 PWR에 비해 방호시설이 부족한 단점이 있습니다.

그럼 PWR을 살펴보겠습니다.
PWR은 BWR에 비해 압력경계를 통한 간접적 열전달을 하기 때문에 안전에 대해 훨씬 뛰어나지만 열전달 효율이 떨어집니다.
하지만, 최대한 열전달 정도를 올리기 위해 노력하여 설계를 하였습니다. 지금부터 이 구조를 살펴보겠습니다.

증기발생기의 구조

1차계통의 물이 지나는 수직 U-튜브를 가졌으며 2차계통의 물에 열전달을 위해 예열기(Economizer)를 포함하여 예열영역과 증발영역으로 구분이 되는 설계를 가졌습니다.
U-튜브의 구조는 인코넬-690이라는 재질을 보통 사용하여 수천개의 튜브가 관판에 용접전에 관을 확대시켜 조립 용접을 실시하여 부착이 되어 있습니다.

기존에는 인코넬-600을 사용했지만 균열현상이 일어나는 단점이 발견되어 열과 부식에 강한 인코넬-690으로 대체되어 현재 사용되고 있습니다.

이 U-튜브는 수평 관지지대에 지지되며 튜브의 상부가 냉각수가 흐르면서 발생하는 진동으로 진동함을 억제하기 위해 진동방지대를 설치합니다. 그리고 수직분리판을 사용해 출입하는 냉각재를 각각 구분합니다.
그리고 2차계통의 물, 여기서는 급수라고 표현하겠습니다.

급수는 증기발생기 상부에서 들어와 아래방향으로 흐르는 급수와 아래서 예열되어 올라오는 급수로 두개의 출입구를 가집니다.
이렇게 하면 아래방향으로 흐르는 하향수와 예열급수가 만나 과냉비등, 즉 원래 끓어야 하는 온도보다 낮은 온도에서 끓는 장점이 있다고 합니다.
그리고 증기가 된 물은 포함되어 있는 습분을 상부의 습분분리기 및 증기건조기를 지나면서 99.75w%의 건도를 지는 증기로 터빈으로 보내게 됩니다.

터빈의 날개의 입장에서 습분이 많은 증기가 들어오면 수명이 빨리 단축이 됩니다. 왜냐하면 아주 높은 고에너지의 습분이 들어오기 때문에 터빈의 날개에 돌맹이를 던지는것과 같이 강력한 힘이 전달 되어 손상되기 쉽기 때문입니다. 그래서 습분을 최대한 많이 제거해야 합니다.

주요기기

각각의 주요기기에 대해서는 자세히 설명하지는 않고 간단한 용도만 설명하겠습니다.

1차측의 주요기기

관판은 관다발을 용접을 위해 용접이 잘되는 재질로 된 하판입니다.

관다발은 수직 U-튜브의 모양을 하며 균일하게 배열되어 있고 냉각재가 지나가는 통로를 제공합니다. 통으로 큰 관을 사용하지 않고 비교적 얇은 수천개의 관을 사용하여 열전달 표면적을 넓혀 열을 최대한 잘 빼앗기도록 설계되었습니다.

2차측의 주요기기

관지지대(Tube Support) 및 슈라우드(Shroud)는 진동을 억제하기 위해 관다발을 지지하고 급수의 유로의 방향을 만듭니다.
습분분리장치는 원통형 습분분리기(Moisture Separater)의 날개가 돌아가며 물방울을 분리해냅니다. 그리고 증기건조기(Steam Dryer)를 이용해 건도 99.75%를 달성합니다.

유량제한기는 벤투리모양(중간이 좁아지는 관)을 사용해 파열사고시에 급격한 증기손실을 막기 위해 유료면적을 70%정도 감소시켜주는 역할을 합니다.

지금까지의 내용의 핵심은 1차측과 2차측을 구분 짓기 위해 사용되는 설비라는 겁니다. 후쿠시마원전과의 큰 차이점이 되는 것이죠.
이 장치의 존재유무는 정말 큽니다. 만약 원자로에서 누출 사고가 발생했다고 했을 때 사고를 처리해야 하는 범위의 규모가 다르고 열을 식히기 위해 사용하는 해수 냉각계통으로의 유출 가능성이 커지기 때문에 매우 중요한 설비라고 할 수 있겠습니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

지금까지 원자로 내부에 들어가는 연료봉집합체와 제어봉집합체 그리고 중성자선원집합체를 통해 노심이 어떻게 구성되는지 알아보았습니다.
오늘은 이를 제외한 원자로용기 자체의 구조를 간단하게 알아보겠습니다. 

용기는 연료집합체, 제어봉집합체, 중성자선원집합체, 노내핵계측기집합체 등을 지지하는 내부구조물이 안에 위치하고 이를 감싸고 있는 상부헤드, 하부헤드 그리고 용기몸통으로 나누어집니다.

원자로 내부구조물

크게 노심지지통집합체와 상부안내구조물집합체로 구성이 됩니다.
노심지지통집합체는 노심지지통, 하부지지구조물, 노심보호벽, 노내핵계측기노즐뭉치 등으로 구성이 됩니다.
각각에 대해 상세하게 설명은 하지는 않고 각각의 기능 및 용도에 대해서만 간단하게 설명하겠습니다.
노심지지통(Core Support Barrel)은 핵연료집합체를 포함한 노심을 지지하는 역할을 하는 통입니다.
하부지지구조물(Lower Support Structure)은 연료다발과 그 외의 내부 구조물들의 위치를 지정해주는 역할을 합니다.
노심보호벽(Core Shroud)은 냉각재의 유로방향을 정해주는 역할을 수행합니다.
노내핵계측기노즐뭉치(In-core Instrumenation Nozzle)는 노내중성자속감시 및 여러 계측장비를 집어넣기 위한 장치입니다.

상부안내구조물집합체(Upper Guide Structure Assembly)는 연료집합체의 상단에서 이를 지지하며 제어봉의 유동 공간을 제공합니다.

이것은 또한 연로집합체인 핵연료가 튀어 오르는 사고를 예방합니다.

원자로용기(Reactor pressure Vessel)

상부헤드(Reactor Vessel Closure Head)

OPR-1000의 경우 총 84개의 관통구를 가진 원자로용기의 뚜겅입니다.
이 구멍들은 대부분이 제어봉구동장치(CEDM)의 관통구와 원자로 상부헤드 배기구 관통구 그리고 노심 열전대 관통구 마지막으로 사고를 대비한 예비용 관통구가 존재합니다.
즉, 제어봉을 구동하기위해 여러 구멍이 뚫려있고 계측 및 안전을 위한 구멍도 존재한다는 이야기입니다.

하부헤드(Bottom Head)

상부헤드는 볼트에 의해 조립되어 분리가 가능한 반면 하부헤드는 원자로용기 몸통에 용접되어 있습니다. 여기에도 마찬가지로 관통구가 존재하는데 노내핵계측기노즐들이 하부를 통해 관통되어 들어오기 때문입니다.
그리고 여러 개의 완충기들이 존재해 진동을 잡아주는 역할도 하며 유량분배환(Flow Skirt)이라는 장치가 같이 설치되어 냉각재의 유량이 균일하도록 만들어주는 장치가 존재합니다.

원자로 용기몸통

헤드들과 연결이 되며 노심지지통을 지지하는 장치입니다.
그리고 외부로 직경이 70cm정도의 4개의 입구와 약 1m의 직경을 가진 출구가 2개 존재합니다.
이는 냉각재가 들어오고 나가는 통로입니다.
출구와 입구의 개수와 직경이 다른 것은 냉각재가 효율적이고 안정적으로 유량이 조절하도록 설계된 것입니다.
그리고 안전에 있어 하부헤드는 용접으로 하나로 연결되어 있지만 상부헤드는 용접이 아닌 분리형이라는 점 때문에 안전에 조금 더 신경을 써야 합니다.

분리형으로 되어 있는 것은 사용후핵연료를 꺼내고 새로운 연료를 주입하기 위해서입니다.

안전을 신경 쓰기 위해 상부헤드와 몸통사이 접합부위에 두개의 O링을 설치하는데 하나의 O링 만으로도 100%의 누설을 방지할 수 있지만 만약에 상황을 대비해 2개의 O링을 설치합니다.
여기서 O링은 은도금으로 설치된 인코넬 재질의 속이 빈 금속인데 원자로 내부 압력이 증가되면 더더욱 밀착이 되는 현상이 있어 안전성을 높였습니다.
하지만 정상적으로 작동하지 않는 상황이 발생할 수 있기 때문에 이를 확인하기 위해 2개의 O링 장치 사이에 누설 탐지관을 설치해 지속적으로 누설을 감시합니다.
여기서의 누설은 냉각재누설 즉, LOCA와 같은 큰 사고를 야기할 수 있기 때문입니다.

오늘 한 이야기의 요점은 다음과 같습니다. 

원자로 용기라는 존재는 냉각재를 유동하기 위한 설비들이지만 가장 중요한 점은 안전을 보장하는 방향으로 설계가 되어 있어야 하며 그렇게 설계가 되었다는 점이 되겠습니다. 

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저번 시간에 소개한 제어봉집합체가 전원을 끄는 장치였다면 오늘 소개할 중성자선원 집합체는 전원을 키는 장치라고 생각할 수 있습니다.
원자로 시동에 사용되기 때문이죠.
그렇다면 어떻게 시동을 거는지 알아보겠습니다.

중성자 방출

핵분열에는 왜 중성자가 필요한가? 에서 말씀드렸듯이 핵분열을 일으키는 원인은 중성자를 우라늄-235가 흡수하여 핵분열을 하기 때문입니다. 그리고 이 우라늄-235는 핵분열당 2~3개의 중성자가 나옵니다. 이 때문에 우라늄-235는 연쇄반응이 일어나게 되고 원자력발전소에서 운용이 가능한 것입니다.

어쨌든, 이 연쇄반응을 일으키려면 처음에 중성자를 넣어주는 행위를 해주어야 합니다.
즉, 반대로 말하면 중성자를 안 넣어준다면?
중성자를 넣어주지 않으면 연쇄적인 핵분열을 일으킬 수 없습니다. 그저 지구의 나이와 비슷한 반감기를 가지며 방사성물질이지만 비교적 안정적인 핵종으로 존재할 뿐이죠.

그래서 우리는 중성자를 넣어주는 행위를 원자로 안에서 진행해주어야 합니다.
효과적으로 중성자를 공급해주는 방법은 중성자를 방출하는 물질을 넣어주는 방법이 될 겁니다.
여기에는 자발적으로 중성자를 방출해주는 물질인 1차선원과 2차선원이 있습니다.

1차선원

Cf-252의 자발 핵분열

캘리포늄이라는 원소인데 원자번호 98의 초우라늄원소입니다.

초우라늄원소가 뭘까요?
우라늄보다 원자번호가 높은 원소들을 말합니다.
원자번호가 높다는 것은 양성자수가 그만큼 더 많다는 뜻입니다.
대표적으로 NP(넵튜늄), Pu(플루토늄), Am(아메리슘) 이 있습니다.

그런데 이러한 원소들은 전부 다 인공방사성동위원소들입니다.
자연계에 존재하는 원소들 중에 가장 무거운 원소가 우라늄이기 때문에 이보다 무거운 원소들은 다 인공동위원소라고 생각하시면 됩니다.

그래서 요점은 초우라늄물질들은 인위적으로 만들어 내는 물질이라는 겁니다.
만들어내려면 가속기를 사용하던지 혹은 원자로 내에서 생산해내어야 합니다.

원자로의 경우 원자로 안에서 생성되는 알파선이나 중성자에 의해 초우라늄들이 생기게 되고 이 과정에서 캘리포늄도 생기게 됩니다.

캘리포늄-252는 반감기가 2.646년이고 97%의 확률로 알파붕괴를 하여 퀴륨이 되고 3%확률로 자발적 핵분열을 일으키며 이때 2개의 핵분열 생성물과 3~4개의 중성자를 방출합니다.
그러니까, 이 캘리포늄이라는 원소는 중성자를 넣어주지 않더라도 3%의 확률로 중성자를 방출시키게 됩니다.

이 3%의 자발 방출 중성자를 활용해 원자로를 처음에 가동하게 되고 이후 연쇄반응이 이루어지면 Cf-252는 연쇄반응으로 발생하는 고속중성자에 의해 빠르게 고갈됩니다. 그래서 운전 초반에 사용하고 이후에 정상운전시에는 이차선원을 사용하게 됩니다.

2차선원

Sb-Be 혼합물로 안티몬-베릴륨 혼합물이라 합니다. 이는 앞서 소개한 Cf-252와는 달리 자발 핵분열을 통한 중성자 방출을 하지 않습니다.
하지만, 정상운전도중 중성자를 흡수한 Sb는 고에너지의 감마선을 방출하고 베릴륨은 이 감마선에 의해 중성자를 방출하는 (γ,n) 반응을 합니다.

구조

봉의 형태로 존재하고 내부에 Cf-252와 Sb-Be이 여러 부분으로 나뉘어 위치해 있습니다.

결론

원자로를 가동할 때 중성자를 통해 핵분열을 유발해야 하므로 중성자를 방출하는 물질을 사용해야 한다. 그러기 위해서는 1차선원인 Cf-252가 필요합니다.
가동중에는 감마선에 의해 중성자를 방출하는 Sb-Be혼합물을 사용합니다.

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핵분열을 잘 일으키는 중성자가 너무 많아지면 핵분열은 많이 일어날 것이고 그럼 더 많은 에너지가 발생하기 때문에 더 많은 열이 발생합니다. 이때 설계기준 한계치 이상의 온도가 발생하면 원자로가 녹아버릴 수도 있습니다. 이러한 사고는 심각한 사고로 연결이 되죠.

그래서 원자로 안에는 이 중성자의 수를 적절하게 제어하기 위한 수단들이 존재합니다.

그런데 우리는 여기서 한가지 생각해보아야만 하는 것이 있습니다.
중성자를 우리가 잡을 수도 볼 수도 없는 데다가 1개 2개 있는 것도 아닙니다.
만약 1몰의 개수만 모여 있어도 6.02ⅹ1023개의 중성자가 있는 겁니다.

이처럼 하나씩 제어가 힘든 중성자들을 가장 효과적으로 제어하는 방법은 핵분열에 사용되기를 막아버리는 방법입니다.
즉, 중성자가 우라늄과 반응 하는 정도인 흡수단면적보다 더 큰 단면적을 중성자에 대해 가지는 물질을 적절히 안에 배치하는 겁니다.

만약 원자로의 출력이 높아서 낮추어야 한다면 이 물질을 더 많이 넣어주는 것이고 출력이 낮다면 이 물질을 줄여주면 될 것입니다.

그리고 전원종료버튼과 같은 역할도 해줍니다. 정지를 해야 할 일이 있으면 이 물질을 훨씬 많이 넣어주면 되고 이 물질에 의해 우라늄-235의 핵분열 연쇄반응은 진행되지 못합니다.

이러한 역할을 해주는 장치가 제어봉집합체입니다.
Shut down(정지)을 유도하고 출력의 증감을 조절하는 장치로 원자로 안정성 유지 측면에서 매우 중요한 장치 중 하나입니다.
그럼 어떤 식으로 구동하고 어떻게 생겼는지를 알아보겠습니다.

제어봉

Control Rod라 합니다.
사용하는 중성자흡수체는 B-10으로 붕소물질을 사용합니다.
그리고 제어봉 자체의 구조는 연로봉과 크게 다르지 않습니다. 다만, 그 안에 들어가는 물질이 우라늄이 아닌 붕소가 들어가는 겁니다.

이 붕소는 중성자를 흡수하고 헬륨가스를 방출하는 반응을 합니다. 그렇기에 지속적인 반응으로 헬륨가스가 증가하게 된다면 압력에 의해 응력이 증가됩니다. 그래서 설계시에 중성자흡수체의 연소정도와 사용하는 재질인 인코넬 625의 허용기준 정도 등을 고려해 10년의 수명을 가지도록 설계됩니다.

제어봉집합체(CEA)

Control Element Assembly라고 합니다.
이 제어봉집합체는 제어봉의 묶음인데 거미발이라고 불리는 장치에 연결되어 여러 제어봉을 한 번에 움직여 제어하게 됩니다.

제어방식은 제어봉구동장치(CEDM)의 자력식인양장치를 사용해 상하 이동합니다.
이 장치는 원자로의 위에서 삽입되는 제어봉집합체의 연장축에 부착되는데 전류의 공급양에 따라 뱐화하는 자기력에 의해 제어봉을 잡고 있는 장치를 운동시켜 이동시키게 됩니다. 그래서 후쿠시마원전과 같은 완전 정전사고가 발생한다면 이 제어봉장치는 전력을 공급을 못 받아 자동으로 잡고 있던 장치가 이 제어봉을 잡을 힘을 못 받게 되고 떨어뜨리는 방식입니다. 즉, 사고가 발생할 경우 원자로가 안전해지는 방향으로 설계된 전원공급장치를 사용합니다.

이 제어봉집합체는 하나의 종류로만 구성되어 있지는 않습니다. Shutdown용 전강도 제어봉집합체와 출력제어 전강도 제어봉집합체 그리고 세로방향의 출력차이를 줄여주는 부분강도 제어봉집합체가 존재합니다.

우선 shutdown용 전강도 제어봉집합체는 정상운전시에는 원자로내부에 삽입을 안하고 대기상태로 유지되는 집합체 입니다.
하나의 제어봉집합체에 12개의 제어봉이 묶음으로 한번에 작동하도록 설계가 되어있습니다.

출력제어용 전강도 제어봉집합체는 원자로의 운전 정상출력에 맞추어 유지되도록 인출과 삽입이 지속적으로 일어나는 제어봉집합체입니다.
이 제어봉집합체는 12개봉 묶음으로 된 제어봉집합체와 4개봉 묶음의 제어봉집합체가 함께 존재하는데 4개봉 묶음이 훨씬 많습니다.
4개봉 묶음은 12개봉 묶음보다 삽입 및 인출 시 변동이 그만큼 작은만큼 세부출력 조절을 위해 사용한다고 생각하시면 되겠습니다.

마지막으로는 부분강도 제어봉집합체입니다.
이 제어봉집합체는 앞서 설명한 제어봉과는 조금 차이가 있습니다.
두가지의 차이가 있는데 사용 중성자흡수체와 생김새의 차이입니다.
중성자흡수체는 B-10보다는 약 흡수체인 인코넬 625 스러그라는 물질을 사용하고 구조는 다 동일한데 제어봉 중간에 구멍이 있어 냉각재가 통과되도록 만들었습니다.
왜 이렇게 만들었을까요?
우선, 전체적으로 제어봉을 흡수하는 정도는 작아졌지만 중간에 구멍이 있는 부분에 냉각재가 지나가면서 중성자흡수율(흡수 단면적)이 더 커지게 되는 구조입니다.

이렇게 하는 이유는 원자로의 출력분포가 세로방향으로 코사인함수를 그리는 분포를 나타내기 때문입니다. 즉, 가운데 부분이 출력이 가장 강합니다. 이 출력 차이를 줄이기 위해 중간에 중성자 흡수율을 높이는 제어봉을 사용한 것입니다.

여기까지가 제어봉집합체에 대한 전체적인 설명입니다.
정리해보자면 중성자를 흡수해 우라늄과 핵반응 하는 중성자의 수를 제어하는 장치다.
상황별로 출력증가, 감소 그리고 정지를 위해 여러 방식으로 구성되어 있다.
정도로 정리가 되겠습니다.

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“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

국민이 내는 전기요금에서 3.7%를 떼 내어 조성하는 전력기금의 대부분이 신재생에너지 발전 사업에 편성되고 원자력 발전 관련 사업비가 크게 줄었다고 한다. 

또한, 정부는 탈원전과는 무관하게 원전 수출은 지원하겠다고 하는 이상한 논리를 펼쳤었는데 이마저도 말뿐인 듯 원전 산업 수출 기반 구축비는 예산이 절반으로 줄어들었고 원전의 안전과 직결되는 부품 연구, 개발 비용을 전액 삭감했다고 한다. 

관련 내용은 링크를 걸어둔다. 

 http://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2018/11/06/2018110600176.html?utm_source=naver&utm_medium=original&utm_campaign=biz

심히 걱정되는 내용이다. 

탈원전한다고 해서 이런 식의 정책이 과연 올바른 것인가라는 의구심이 든다. 

나는 탈원전을 한다고 해서 급격하게 관련 예산을 삭감하고 신재생에너지에 편성하는 것은 잘못되었다고 본다. 

신재생에너지를 개발하는 것이 나쁜 것은 아니다. 당연, 신재생에너지도 개발을 해야 하고 앞으로 늘려가야 할 에너지산업이다. 

하지만, 잘못된 방법이다.  

이번 정부는 탈원전뿐만 아니라 탈석탄을 하겠다고 하였다. 

내 생각에는 탈석탄을 우선 이루어내고 탈원전을 해야 한다고 생각한다. 

물론, 근본적으로 탈원전을 찬성하지는 않지만 한다고 하더라도 순서가 잘 못 되었다. 

신재생에너지와 원자력과 신재생에너지와 화력발전의 관계를 보았을 때 어느 관계가 상반되는 관계인가?

당연, 후자인 신재생에너지와 화력발전이다. 탄소문제에 있어서는 원자력도 친환경적이기 때문이다.

탄소배출에 관해 전 세계적인 감축 노력이 있는 상황에서 먼저 줄여야 하는 것은 화력발전이다. 

화력발전은 우리나라 발전에 적지 않은 부분을 차지하고 있는 만큼 앞으로 줄여나가야 할 에너지 원이다. 

그런데, 이 둘을 동시에 줄이면서 혹은 탈원전을 먼저 하면서 신재생에너지 발전을 급격하게 늘리겠다는 것은 누구의 생각인지 궁금하다. 

신재생에너지의 장점이라고 한다면 친환경적이라는 큰 특징이 있다. 물론, 친환경적이라는 점에 의문을 품는 사람들도 많지만 그 정도로 비교하면 내 생각에는 가장 친환경적이라고 말할 수 있다고 생각한다. 

하지만, 신재생에너지의 가장 큰 단점은 간헐적 발전이라는 것이다. 

지속적인 발전이 안 되는 만큼 예비전력시설과 ESS 기술이 발달해야 한다. 

따라서 결국에는 신재생에너지 출력만큼의 예비전력시설을 지어야 하고 이를 보완하기 위한 ESS 기술이 더욱 발달해야 한다. 

이런 문제점을 해결한 상태라면 이런 급작스런 정책도 인정한다. 

하지만, 아직 신재생에너지는 가야 할 길이 많다. 

물론, 그 길이 많으니 당연 투자를 많이 해야 하는 것이다. 

문제는 그 점이 아니다. 기존의 발전을 급격하게 죽여버리면 무엇으로 전기를 생산한다는 것인가?

원자력의 부품에 관련된 연구비를 전액 삭감한 것은 심려스럽다. 

원자력발전은 고에너지의 방사선이 방출되는 만큼 재료의 건전성에 대한 연구는 지속되어야 한다. 모든 원자력발전이 꺼지는 순간까지 말이다. 

하지만, 부품에 대한 연구비를 삭감했다는 것은 그 부분에 대해 관심이 없다는 뜻으로 느껴진다. 

그렇다는 것은 원자력의 안전에 신경을 안 쓰겠다는 것인데 집에 불이 날까봐 겁이 난다고 요리를 이제 해먹지 말자는 사람들이 가스안쓸껀데 가스점검을 하지 않겠다고 말하는 것처럼 보인다.  

탈원전을 하더라도 안전한 방향으로 진행했으면 좋겠다. 

그리고 천천히 진행했으면 좋겠다. 

모든 에너지 산업은 적절히 분배되어 다양한 산업이 같이 사용되는 것이 최상의 상태이다. 

특히, 우리나라처럼 전기를 수입할 수 없는 구조이면서 자원이 나지 않는 나라라면 더더욱이 최선의 선택을 해야만 할 것이다.  

우리나라도 탈원전을 시작하며 고리 1호기 정지를 시작으로 월성 1호기 조기폐쇄를 하였고 해체, 제염분야에 투자를 하고 

있습니다. 하지만 우리나라는 원자력 설계, 건설 부분에서는 세계 1위의 타이틀을 가지고 있기 때문에 이런 탈원전은 국가의 

먹거리를 통째로 버리는 것이라며 우려의 목소리도 있습니다. 그래서 조금 모순되지만 문재인 정부는 해외 수주를 적극 

지원하겠다는 반응을 하고 있습니다. 

아무튼, 그렇다면 해외 원자력 발전소 운영의 현황은 어떨까요? 

현재 전세계에 운영중인 원자력 발전소는 총 454기이고 건설중인 원자력 발전소는 54기입니다. 

우선, 원자력발전소를 실질적으로 운전하고 있는 나라들을 살펴보겠습니다. 

IAEA PRIS(Power Reactor Information System)의 2017년 12월 데이터를 기준으로 

가장 많은 원자력발전소 수를 운영하고 있는 나라는 미국입니다. 

미국은 99개의 원전을 현재 가동중에 있습니다. 

그리고 그뒤를 프랑스가 58개의 원전 가동으로 두번째로 많은 원전을 가동하고 있습니다. 

그다음은 일본으로 42개, 중국은 39개, 러시아는 35개 그뒤를 우리나라가 24개로 운영중에 있고 그 뒤를 인도가

22개를 운영하고 있습니다. 

이 밑으로도 원자로를 운영중인 나라는 캐나다, 불가리아, 영국, 독일, 우크라이나, 스웨덴, 스페인, 밸기에, 스위스, 

슬로바키아, 아르헨티나, 슬로베니아, 멕시코, 아르메니아 등이 있습니다.  

물론, 이중에는 탈원전을 선언하고 원자로를 순차적으로 줄이고 있는 나라도 포함되어 있습니다. 

탈원전으로 자주 언급되는 독일도 2017년 기준 아직 7기를 운영중에 있습니다. 

그리고 지금 현재 원전을 짓고 있는 나라를 많이 짓는 나라 순으로 살펴보면 우선 당연 중국으로 18기의 신규원전을 

짓고 있습니다. 그 뒤를 인도가 7기, 러시아가 7기, 우리나라가 4기, UAE가 4기, 미국이 2기, 우크라이나 2기, 

슬로바키아 2기, 파키스탄 2기, 일본 2기, 벨라루스 2기 그리고 아르헨티나, 방글라데시, 브라질, 핀란드, 프랑스가 

1기씩의 건설을 하고 있습니다. 

즉, 요약하면 미국은 가장 많은 원전을 보유하고 있고 중국은 가장 많은 원전을 건설하고 있습니다. 

일본은 후쿠시마 사고가 있었음에도 원전을 건설중에 있고 우리나라는 4기라고는 되어 있지만

신고리 5,6호기 건설 재개로 6기가 건설중이고 이중에 4기는 지금 거의 다 지은 상태로써 실질적으로는 2기가 건설중이라고 

볼 수 있겠습니다. 

그렇다면 원자로를 영구정지한 개수를 국가별로 살펴보면 어느 나라가 많을까요?

원자로 수가 많은 만큼 미국이 영구정지한 원자로 수도 34개로 가장 많습니다. 그 뒤를 영국이 30개로 많이 정지시켰고 

헝가리가 29기, 일본이 18기, 독일이 12기, 루마니아 6기, 불가리아 4기 등이고 우리나라는 1기를 영구정지한 상태입니다. 

그리고 월성 1호기 폐쇄 시작으로 올해부터 2기가 영구정지 됩니다. 

사용 이미지는 PRIS에서 가져왔음을 알립니다

반응 단면적

반응 단면적이라 함은 단면적이라는 말에서 느껴지는 기하학적이라는 의미로 생각하기 보다는 그 대상과의 상호작용의 정도를 확률로 나타냅니다. 그러니 확률이라고 생각하시는게 좋습니다. 

그래서 반응할 확률입니다.
표시는 다음과 같이 σ를 사용하고 단위는 cm2를 사용합니다.

보통 핵자 크기에서 반응 단면적을 이야기할때는 barn이라는 단위를 사용하는데 cm2 의 단위로 표현하기에는 그 값이 매우 작기 때문입니다. 

 1barn = 10-24cm2

이 반응 단면적은 산란으로 작용할 수도 흡수를 할 수도 있습니다.

우리는 흡수단면적을 볼것이고 이중에 핵분열을 유도하는 핵분열단면적을 살펴보아야 합니다.

핵분열단면적

핵분열을 일으킴에 있어 그 원인이 되는 입자를 고려할때 핵분열단면적이 큰 물질 즉, 핵분열을 일으킬 확률이 높은 물질을 찾아야 합니다. 핵분열을 일으킬 확률이 낮다면 그만큼 더 많은 입자를 필요로 할 것이고 이것은 경제성을 낮추는 주 원인이기 때문입니다. 
우리가 사용할 수 있는 입자는 원자를 기준으로 중성자, 양성자, 전자가 있겠습니다.
우선, 전자를 보면 전자가 원자핵을 향해 가서 충돌한다고 하였을 때 핵은 분열을 할까요?
원자를 기준으로 원자핵이 원자 안에서 차지하는 질량 비율은 거의 100%입니다. 양성자의 질량은 전자의 질량의 1800배이고 중성자는 양성자와 전자의 질량을 합친것보다 큽니다. 

전자에 비해 핵은 전자의 질량을 무시할만한 큰 질량을 가졌고 크기도 전자가 먼지라면 핵은 축구공만하다고 할 수 있으니깐 핵분열을 일으키기 쉬울 것 같지는 않습니다. 

아인슈타인의 질량 에너지 등가식을 보면 정지질량에 의한 에너지가 상당한 것을 알 수 있습니다. 그럼 적어도 전자는 이 정지질량에 해당하는 에너지만큼은 넘어서야 합니다. 그렇게 하기에는 현실적으로 어려울 겁니다.

양성자는 어떨까요?

핵이 양성자와 중성자의 결합으로 이루어져있으니까 충격이 꽤나 클 겁니다.
지구로 치면 달 같은 게 가속해서 온다고 생각하면 되려나요?
그런데 양성자는 문제가 하나 존재합니다. 반응 단면적이 굉장히 작다고 할 수 있는데요.
그 이유는 전하량을 가졌기 때문입니다.
핵에 존재하는 양성자들은 +전하를 가졌고 이들이 포텐셜 장벽을 형성합니다.
쉽게 말하면 N극이 N극을 밀어내는 것처럼 양성자는 이 핵안으로 들어가는 데에 큰 방해를 받게 됩니다.
제가 저번 시간에 소개해드린

이 반응에서는 양성자가 핵반응을 일으켰다고 했었죠?
해당 입자가 리튬이 아니라 무거운 핵자였다면 이당시 사용한 고전압으로는 어림도 없었을 겁니다. 클롱힘은 무거운 핵자일수록 커지니까요.! (더 많은 양성자에 의해서)

그래서 양성자는 이 클롱장벽에 의해 상당한 에너지를 주어야 장벽을 뛰어넘을 수 있습니다.

물론 터널링현상으로 반응이 가능하기에 반응이 완전 안 일어난다고는 할 수 없습니다.

마지막으로 중성자는 어떨까요?
과연 어떠한 장점을 가졌을까요?
이 중성자는 말 그대로 중성입니다. 전하를 가지고 있지 않습니다.
그런데 양성자와 거의 비슷한 질량을 가집니다.
그리고 이 중성자는 핵에서 생성시킨 클롱 장벽의 방해를 받지 않습니다.
그렇기에 핵분열을 유도해내는데 양성자만큼 큰 힘을 들일 필요가 없게 됩니다.

핵분열을 유발하는데 사용가능한 입자는 양성자와 중성자입니다. 그런데 양성자는 핵분열을 유발하기 위해서는 고에너지를 주어야 하기 때문에 가속기의 사용이 필수적입니다. 하지만 중성자는 전하를 안 띤다는 특성으로 가속기에서 가속은 못 하지만 반응단면적이 큰 특징을 가져서 원자로에서 핵분열을 유발하는 source로 사용이 가능합니다.
또한, 핵분열시에 중성자가 발생하고 이것을 또 핵분열에 사용할 수 있기 때문에 임계구동이 가능한것이 또 그 이유가 되겠습니다. 

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

후쿠시마 사고 이후 전 세계에서 탈원전의 움직임이 불고 있다. 물론, 중국과 몇몇 개발도상국들은 활발하게 원전을 늘리고 있고 사고가 일어난 일본에서도 에너지 비용에 대한 부담으로 원자력을 다시 가동하고 있다. 

이러한 상황에서 우리나라는 이번 정부에 들어서 탈원전을 선언하였고 여기에 대해 많은 찬반 의견이 오고 갔다. 

탈원전을 선호하는 여론이 많지만 현실적인 에너지 수급 상황과 우리나라가 원자력 설계기술이 우수하다는 점 그리고 안전을 위해서는 지속적인 연구 및 개발, 기업의 참여로 건전성이 유지되어야 하는데 탈원전으로 인해 기업의 사업 포기가 늘어날 전망이며 연구 및 개발에 대한 예산이 삭감되고 있음에 우려를 표하고 있다. 거기다, 그리고 탈원전을 위해 핵연료인 고준위 방사성폐기물을 처분하고 원자력 시설을 해체, 제염하는 분야에 많은 연구 및 투자가 일어나고 있는 상황이다. 

이런 현시점에서 핵연료 처분 문제에 대해서 한번 고민해보고 원자력 발전에 대해서 고민을 해보고자 한다. 

탈원전을 하는 가장 큰 이유 두 가지는 사고가 발생하였을 때 그 규모가 상당하다는 것과 지금도 생산되고 있는 고준위 폐기물을 과연 어떻게 처분할 것이며 또한 그 비용을 고려하였을 때 진정 저렴한 에너지원이라고 말할 수 있는가로 설명한다. 

고준위 폐기물을 처분하는 방법으로 주로 언급되는 것이 영구처분하는 방법으로 깊은 땅속에 처분시설을 건설하고 이 시설에 폐기물을 처분하여 우리가 사는 환경으로부터 멀리 떨어뜨리는 방법인 심지층 처분을 언급한다. 

이 방법은 실제로 핀란드와 같은 북유럽 국가에서 국민들과 소통을 통해 해당 시설에 대해 공감대를 얻고 시설을 건설하여 앞으로 운영할 계획을 가지고 있다.

하지만, 이 방법은 어디에 건설한 것인지 또 건설한다고 했을 때 국민들과 소통을 통해 해당 시설에 대한 공감대를 얻을 수 있을지의 문제가 있다. 실질적으로 우리나라에서 이 방법의 공감대를 얻고 또 적절한 부지를 선정하는데 까지만 해도 아주 많은 시간이 걸릴것 이라고 생각이 된다. 

다른 방법으로 또 자주 언급되는 것이 파이로프로세싱이다. 파이로프로세싱을 통해 재처리하여 우라늄과 플루토늄을 분리해내어 다시 핵연료로 사용한다. 발생하는 폐기물의 양을 획기적으로 줄일 수 있는 방법이다. 하지만, 이 기술도 말이 많다. 

재처리 후에 발생하는 고농도의 세슘과 스트론튬(핵연료에 원래 포함되어 있는)은 처분의 대상인데 아직 적절한 처분방법을 찾지는 못한 것으로 보인다. 또한, 재처리한 핵연료를 사용하기 위해서는 고속로를 사용해야 하는데 감속재로 사용하는 소듐이 폭발의 위험성이 커 실제로 만드는데 많은 난항이 있을 것으로 보인다. 

따라서 이 두 방법다 문제점을 가지고 있고 정부와 국민은 적절한 해결책을 찾아야만 한다. 

그렇기에 가속기를 사용한 핵 폐기물 처리 방법에 대해 생각해볼 필요가 있다. 

국내에는 방사광가속기, 양성자가속기가 운영 중에 있고 중이온가속기인 라온은 건설중에 있다. 방사광가속기는 전자를 가속하고 저장링에 보관하며 회전할때 발생하는 X선을 이용해 표적에 조사하여 연구를 진행하는 시설이다. 그리고 양성자가속기는 양성자를 가속시켜 이 양성자 빔을 표적에 조사하여 발생하는 입자 및 에너지를 이용하는데 전자와 달리 핵자를 때어낼 수 있기 때문에 핵자를 파쇄시킬 수도 있고 이 보다 낮은 에너지에서는 양성자를 핵자 내부로 조사시킬 수 도 있다. 

이것은 중요한 의미를 지닌다. 

원자력 발전을 통해 발생하는 핵 폐기물들은 우라늄의 딸핵종들로써 핵분열을 통해 발생한다. 이 핵종들은 중성자과잉핵종들인데 중성자과잉이라는 말은 말 그대로 중성자가 많은 핵종이라는 뜻이다. 원래, 핵자가 무거워 질수록 양성자보다 중성자 수가 많아야 안정적이지만 여기서 말하는 중성자과잉핵종들은 중성자가 너무 많아 불안정한 핵종들이다. 따라서 중성자는 음전자를 방출하면서 양성자로 바뀌게 되는데 이것이 베타 마이너스 붕괴이다. 이런 중성자과잉핵종에 양성자를 조사시켜 내부에 주입하면 비교적 안정적인 핵종을 만들 수 있다. 뿐만 아니라 더 고에너지의 양성자 빔을 사용해 조사를 하면 핵 파쇄를 통해 더 가볍고 안정적인 핵종을 생산해내면서 이때 발생하는 고에너지를 사용해 발전을 할 수도 있다. 

(실제로 양성자가속기를 통해 생산하는 의료용 동위원소는 양성자과잉핵종으로 베타 플러스 붕괴를 하는데 대표적으로 진단장치인 PET에 쓰인다.)

이런 원리를 착안한 것이 가속기 구동 미임계로 원자로이다. 

우선, 미임계라는 것은 우라늄이 핵분열을 할 때 핵분열로 중성자가 발생하고 또 여기서 몇몇 중성자는 누설이 되고 다른 곳에 흡수되기도 하고 몇몇 중성자는 다시 핵분열에 쓰이게 된다. 따라서, 임계라는 것은 중성자 세대가 거듭할때 발생하는 중성자 수가 이전 세대와 같음을 말한다. 그렇기에 미임계라는 말은 중성자수가 전세대 보다 적다는 것으로 중성자로 인해 연속적인 핵분열을 유도할 수 없다는 것이다. 

따라서, 우리가 흔히 보고 알고 있는 원자력 발전소는 이 미임계 원자로가 아니다. 임계를 이루어야 지속적인 발전을 할 수 있기 때문이다. 

따라서, 우리가 아는 원자력발전소는 임계 원자로로써 중성자 수를 제어하는 방법으로 임계를 유지한다. 

그런데, 미임계 원자로는 중성자를 따로 넣지 않는 한 발전을 할 수가 없다. 

이런 방식의 원자로에 우리의 골칫거리인 사용후 핵연료를 넣는다면 어떻게 될까? 

사용후 핵연료는 경수로 기준으로 U-235가 3~5% 정도 농축된 핵연료를 원자로에 넣고 운전 후에 더이상 효율적인 중성자 경제를 나타내지 않을 때 원자로에서 인출하게 되는데 그렇다고 해서 핵분열을 안하는 것도 아닐 뿐더라 아주 높은 고에너지의 방사선을 뿜어낸다. 

이런 사용후 핵연료를 미임계 원자로에 넣고 여기에 양성자가속기를 표적에 부딪혀 발생하는 파쇄 중성자를 주입한다고 하면 이 사용후 핵연료에 있는 고준위의 방사성핵종을 붕괴시킬 뿐만 아니라 붕괴에서 발생하는 열을 통해 발전을 하여 전기도 생산해낼 수 있다. 

이때 가속기를 돌리기 위해서는 많은 전기가 소모되는데 미임계 원자로의 가동으로 발생하는 전기의 약 15% 정도를 투자하면 가속기를 구동할 수 있다고 한다. 따라서 약 85%는 상업용 전기로 전환하여 전기를 생산해내는 발전소가 될 수 있다는 것이며 동시에 고준위 방사성 폐기물을 처분함에 따라 반감기를 촉진하고 부피를 줄여 효율적이며 현실적인 처분방법이 될 것이다. 

우리나라는 양성자가속기 1단계 사업을 통해 100MeV 첨두전류 20mA의 대용량 선형가속기를 운영 중이다. 대용량인 만큼 이 미임계 원자로와 연동하기에 적합하다. 하지만, 100MeV의 에너지는 아직 부족하다. 앞으로 2단계 사업을 통해 1GeV에 20mA의 첨두전류를 가진 대용량 선형가속기로 거듭난다면 핵 폐기물을 처분하는 가속기 구동 미임계 원자로에 대한 연구를 활발히 진행할 수 있을 것이다.  

핵연료 펠렛

저번 포스팅에서 위아래가 접시 모양으로 들어간 형태의 핵연료 펠렛을 만든다고 했었습니다. 이 펠렛은 핵연료인 U-235가 약 2~3% 농축이 되어있고 U-238이 되부분을 이루고 있는 물질입니다. 그런데 이 펠렛을 제작할 때는 한 가지 특징은 평균적인 밀도가 이론밀도인 10.96g/cm3의 95%입니다. 즉, 펠렛안이 빽빽한 상태가 아닌 5% 정도의 기공이 존재한다는 겁니다. 왜 이렇게 만들까요?
이 핵연료 펠렛 자체가 어느 정도의 핵연료물질 밀봉 효과를 가지기 위해서입니다. 핵분열성 물질 중에는 기체의 상태로 존재하는 물질들도 존재하는데 이 발생하는 기체 중에 약 75% 정도는 이 펠렛 내부에 가두어지고 나머지 25% 정도는 펠렛과 연료봉 사이에 가두어지게 됩니다. 그래서 핵연료 펠렛은 원자력 발전소의 3중 방호 시스템 중 첫 번째 방호 시스템 중 하나로 분류가 됩니다.

스페이서 펠렛

뜬금없이 스페이서 펠렛은 뭘까요? 이 펠렛은 연전달율이 낮은 산화알루미늄 재질입니다. 연로봉에서 핵연료 펠렛이 직접적으로 연로봉의 위 아래에 접촉하지 못하게 막는 것이 이 펠렛의 역할입니다. 그래서 연로봉에 펠렛을 장입할 때 핵연료 펠렛을 사이에 두고 위 아래 하나씩 넣습니다.
이 녀석의 핵심은 열전달을 감소시키고 펠렛 조각 이탈 방지 등 안전을 위한 장치라고 생각하시면 되겠습니다.

연료봉

지르칼로이-4의 재질로 된 피복재를 사용한 원통형으로 이루어지며 내부에 아래서부터 스페이서 펠렛을 넣고 핵연료 펠렛을 넣은 후 또다시 스페이서 펠렛을 넣고 그 위에 압축스프링을 넣은 구조입니다. 그리고 압축스프링 및 펠렛들끼리의 사이에 빈공간에 헬룸 기체를 사용해 380psig의 압력으로 가압하여 충전합니다.
여기서 스프링을 사용하는 이유는 충분한 여유 공간을 확보함과 동시에 상부엔드캡에 열응력을 주지 않기 위해서 입니다. 왜냐하면 연료를 넣고 밀봉을 위해서 용접을 하게 되는데 용접 부위가 열에 대해서는 다른 부위보다 취약한 점이 있기 때문에 이를 막기 위해서 이고 충분한 공간 확보는 내부에서 발생되는 기체상태의 핵분열성 물질을 가둬 놓을 공간이 필요하기 때문입니다.
그런데 그 공간을 비워놓는 것은 아니고 헬륨기체를 사용해 충전을 해놓습니다. 이유는 외부응력에 의한 변형을 예방할 수 있어 충전을 하게 됩니다.

독물질봉

자 이제 핵연료봉이 아닌 다른 봉으로 왔습니다. 그 이름은… 독물질봉!
독물질이 들어간 봉이라는 느낌이 듭니다. 그런 느낌이 드시나요?
독물질이 들어간 봉이라는 것이 여기서 기준이 무엇일지 생각해야 합니다.
원자로에 넣는 물질인데 독물질봉이다… 그럼 기준을 원자로? 라고 생각해야겠죠?

그래서 답은 원자로 운전에 있어 독물질이 들어있는 봉이라는 해석이 될 겁니다.
그럼?? 왜 운전에 있어 독이 되는 물질을 사용하지….? 라는 의문이 들겁니다.

하지만 우리를 위험하게 만들려는 존재는 아니고 안전을 위한 장치입니다. 바로 제어를 목적으로 하기 때문입니다.
앞으로도 나오겠지만 중성자를 많이 흡수하는 물질들은 운전을 정지시키는 방향으로 유도하기 때문에 독물질이라는 표현을 사용합니다.

이 독물질봉은 중성자를 많이 흡수하는 물질인 가돌리늄을 사용합니다. 그래서 실제로는 4w%정도의 농축 Gd2O3와 천연우라늄(UO2)의 혼합물을 사용합니다. 이외의 스펙(길이, 밀도, 직경등)은 핵연료봉과 같거나 비슷합니다.
사실, 중성자를 제어하는 목적으로 사용하는 제어봉이 있는데 이 제어봉을 인출할 때 제어봉 인출로 비는 자리에 냉각재가 유입되면서 국부적으로 출력이 증가하는 워터홀피킹이라는 현상이 원자로내에서 발생합니다. 물이 없던 자리에 물이 채워지게 되는것이고 국부적으로 보았을때는 물이 없던 자리에 물이 채워졌으니 국부적으로 더 많은 감속이 일어날 것입니다.

이를 포함한 국부적인 출력변화는 원자로 운전의 안정성을 위협하기 때문에 이를 감소시켜야 합니다. 이러한 역할을 이 독물질봉이 해주게 됩니다.

연료집합체

앞서 소개한 핵연료봉과 독물질을 적절히 배치해서 하나의 묶음으로 만드는데 이를 핵연료집합체라고 합니다. 여기에는 236개의 연료봉과 독물질봉이 16ⅹ16 배열로 배치됩니다.
그리고 집합체마다 차이가 있지만 핵연료봉수가 대부분을 차지합니다.
그런데 여기서 잠깐 16ⅹ16을 해보세요. 얼마가 나옵니까?
256이 나오죠?
그럼 20개는 어디간건가요? 곱하기를 잘못한것도 아니고…
정답은 개수는 236개가 맞습니다. 다만, 빈 공간이 존재합니다.

주사위에 각인된 숫자 5를 떠올려보세요.
이 숫자처럼 구멍이 5개가 나있습니다. 이 구멍은 나중에 소개할 안내관과 계측관이 들어오는 곳입니다.

이제 연료집합체의 구조를 살펴보죠.
위아래로 핵연료들을 지지하는 상부엔드 피팅이라는 누름판이 존재하고 하부엔드피팅이라는 아래에서 지지하는 장치가 있고 사이 사이에 연료봉에서 생기는 진동을 잡아주는 11개의 스페이서그리드와 1개의 하단의 인코넬-625 스페이서 그리드가 존재합니다.
각각에 대해서 자세히 설명하면 논지를 잃어버리실 것 같아서 생략하겠습니다.
핵심은 핵연료봉과 독물질봉 236개를 하나의 집합체로 묶었는데 이를 안정적으로 유지시키기 위해 여러 장치들이 있구나 입니다.

노심에서의 연료집합체

우리는 지금까지 봐오면서 하나의 핵연료집합체를 구성했습니다. 원자로에는 이 하나의 핵연료집합체가 들어가면 될까요? 아쉽지만 그건 아닙니다. 여러 개가 필요하죠.. 236개나 넣어놓고는 말이죠…ㅎㅎ

노심에서 이 연료집합체는 제어봉집합체와 함께 노심 안에서 원에 가까운 실린더형으로 배치가 됩니다. OPR-1000의 경우는 약 3m정도의 직경과 4m의 길이를 가지게 됩니다. 여기서 4m의 길이는 연료봉의 길이입니다. 즉, 연료봉 하나하나가 전부 다 4m의 길이를 가진다고 생각하시면 되겠습니다.
하나의 노심 당 핵연료집합체는 177개 정도가 들어가고 운전상황에 따라 농축도와 배치가 달라지게 됩니다. 생각해보면 하나의 핵연료집합체가 236개의 핵연료봉+독물질봉을 가지니까
하나의 노심 당 총 핵연료봉+독물질봉의 개수는 41772개가 되네요. 아 그런데 이것은 OPR-1000에만 해당되는 이야기입니다. 또 원자로마다 조금씩 다르니까 그냥 대충 이 정도 되겠구나 생각하시면 되겠습니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

[김재근 교수님의 저서 원자력발전소계통 정리]

원자력발전소를 운전하다보면 폐기물이 발생하고 이 폐기물이 외부환경으로 나가는 것을 방지하여야 한다. 

따라서 폐기물을 처리하는 계통이 존재한다. 

폐기물처리계통은 상에 따라 액체, 기체, 고체 처리계통이 존재한다. 

액체방사성폐기물처리계통(LRMS)

목적 : 발전소에서 발생하는 액체방사성폐기물을 수집하고 다시사용할 수 있도록 처리.

사용 : 두 호기 공유

폐액 수집 

 - 사용후연료저장조 냉각 및 정화계통 누설 : 해당 계통의 누설은 설계시에 방지하여 예상되지 않지만 만약의 누설이 있는 경우 발생되는 액체를 수집하여 액체방사성폐기물계통으로 이송.

- 방사성폐기물배수계통 : 발전소 1,2차측의 여러 기기의 누설과 발전소 기동 및 정지, 정비를 위한 배수에서 발생된 방사성액체폐기물을 수집하여 액체방사성폐기물계통으로 이송. (단, 터빈계통에서 발생되는 액체폐기물은 외부로 방출하되 방사능 오염여부를 판단하여 오염되었을 경우 처리계통으로 이송)

- 방사성폐기물세탁계통  : 출입통제건물의 세탁수, 바닥 배수 및 저준위방사성 물질 실험실의 바닥배수 등의 폐액을 액체방사성폐기물계통으로 이송하되 시료 분석 결과 방사능이 높은 경우 액체방사성폐기물계통의 화학폐액 탱크로 유입.

- 2차측복수정화계통 복수탈염기 : 복수기의 전열튜브가 누설되는 경우, 핵연료 손상시에 복수 오염 등의 이유로 정상운전 시에는 복수탈염기의 재생으로 발생하는 재생수를 일반화학폐수 처리계통에서 처리하는 반면 방사성물질을 함유하는 경우 액체방사성폐기물계통에서 처리.

액체방사성폐기물계통 

기능 : 방사성물질로 오염되었거나 가능성이 있는 액체 폐기물을 수집하여 발전소에서 다시 사용할 수 있는 순도로 처리. 처리시에 최대한 처리하여 고체방사성폐기물처리계통으로 이송하는 양을 최소화할 것.

구성 : 화학폐액과 고용존고형물폐액, 저용존고형물폐액으로 분리하여 탱크에 수집. 

처리

 - 화학폐액 : 화학폐액탱크 -> 1차 여과처리 -> 증발처리 or 탈염처리

 - 고용존고형폐액 : 여과처리 -> 오일제거 -> 증발기주입탱크 -> 증발기(농축처리) -> 농축폐액 발생 -> 고체방사성폐기물처리계통 내부 농축폐액탱크

    -> 응축폐액 발생 -> 탈염기주입탱크 -> 후단여과기 -> 감시탱크

                (활성탄, 양이온수지, 음이온수지, 혼상수지 이용)

    -> 재처리 하는 경우 재순환탱크 -> 방사능 준위조사 -> 복수저장탱크 or  원자로보충수탱크

            -> 방출 가능 폐액은 희석 -> 방사능 준위 측정 -> 외부로 방출 

 - 저용존고형물폐액 : 여과처리 -> 탈염기주입탱크 -> 탈염처리 -> 후단여과기 -> 감시탱크 -> 재처리 하는 경우 재순환탱크 -> 방사능 준위조사 -> 복수저장탱크 or  원자로보충수탱크

 -> 방출 가능 폐액은 희석 -> 방사능 준위 측정 -> 외부로 방출 

폐기물의 수집은 자동 처리는 운전원의 선택에 의해 진행된다. 

처리된 액체 방출 : 기준치 이하의 오염도 및 방사능의 액체는 기기냉각해수 및 순환수에 의해 약 11000 : 1의 비율로 희석되어 순환수의 배수로를 통해 바다로 배출된다. 

기체방사성폐기물처리계통(GRMS)

목적 : 운전 중인 기기로부터 배기되는 고방사능기체를 수집하고 충분히 지연시킨 후에 방출하여 외부로 기준치 이하의 방사선량만 대기로 배기되도록 함.

사용 : 두 호기가 공유하고 각 호기마다 저준위 방사성기체계통 존재. 

수집 

 화학 및 체적제어계통의 체적제어탱크 및 원자로배수탱크로부터 주로 발생하며 주 성분은 수소 및 질소가 함유되어 있다. 

처리 

 - 활성탄지연대 : 방사성 Xe, Kr 45일, 2.6일 이상 지연 -> 고효율입자여과기 -> 방사능 감시기(측정 기준치가 넘으면 방출관 격리밸브 작동) -> 배기구 -> 배출공기정화기 후단 덕트 -> 희석 -> 배출 

외부 공기가 계통 내부로 유입되는 것을 방지하여야 하기 때문에 일정한 압력 조건에서 운전됨.

방출되는 유량이 적거나 없을 때는 공기의 유입을 차단하기 위해 질소 주입.

고체방사성폐기물처리계통(SRMS)

목적 : 운전시 발생하는 고체방사성폐기물을 저장, 고화처리, 포장 및 취급하고 포장된 폐기물을 발전소 내부의 임시저장고 또는 영구처분장으로 이송할 때까지 일정기간 저장.

사용 : 두 호기가 공용으로 사용.

수집

 - 화학 및 체적제어계통의 붕산농축기에서 발생된 농축폐액, 방사성 이온교환기로부터 발생된 폐수지, 액체방사성폐기물처리계통의 증발기에서 나온 농축폐액, 슬러지 및 발전소 각 계통의 여과기에서 사용되고 나오는 폐여과기, 오염된 건조폐기물 등 

액체처리계통에서 외부 환경으로 버리는 폐액은 농축하고 남은 찌꺼기며 농축된 폐액은 고화를 위해 고체방사성폐기물처리계통으로 이송.

처리 

 - 액체 및 습식 폐기물 : 각 폐액들의 수집탱크 -> 방사성폐기물 고화처리계통(뱃치 방식 사용) -> 저장

 - 건조방사성폐기물 : 청정과 방사성폐기물 분류 -> 방사성폐기물 압축 처리 -> 폐기물드럼에 밀봉 (제염이 곤란한 대형 기기의 경우 적당한 크기의 운반용기에 넣어 포장)