공부하고 정리하고

앞서 포스팅한 내용에서 우리나라가 주로 사용하는 가압 경수로인 PWR의 경우는 원자로가 포함된 1차계통과 발전을 하는 2차계통으로 분리되어 운영이 된다고 소개를 했었습니다.
오늘부터 여기서 1차계통에 해당하는 원자로냉각재계통과 관련되는 설비 및 주요 기능들을 소개하고자 합니다.

설명에 앞서 제가 소개하는 원자로는 한국형 표준원전인 OPR-1000을 기준으로 소개하며 참고서적은 (“원자력 발전소 계통”-김재근 저)입니다.
여기서 소개하는 OPR-1000이 최초의 한국형 원자로이며 미국 TMI사고의 후속 조치요건을 모두 반영한 모델입니다.
그리고 OPR-1000보다 뒤에 나온 APR-1400이나 APR+도 전체적인 방식들은 유사하고 스펙이 조금씩 차이가 있습니다. 뒤에 나온 원자로는 더 차세대 개량형이며 제가 소개하는 원자로보다 더 높은 잣대를 적용한 설계를 한다고 생각하시면 되겠습니다.
하지만 한국에서 운전중인 원전중에 10기 정도는 이 OPR-1000으로 운전이 되고 있는 만큼 OPR-1000의 설계기준으로 설명한다고 해도 기준으로 잡을 수 있다고 생각합니다.

원자로냉각재계통

앞서 소개한 원자력 발전소에는 물이 왜 필요할까? 에서 소개하였듯이 원자로 냉각 및 감속을 위해 필수적으로 존재해야 하는 계통입니다.

다시 한번 주요기능에 관해서 이야기하자면
1)원자로의 열을 제거하고 2차측에 증기를 발생시킵니다.

2)노심에서 발생하는 핵분열성물질의 누출을 대기로 방출되는 것을 방지하는 역할을 합니다.

3)발전소의 정상운전시 혹은 과도 상태시에 핵연료가 손상되지 않도록 냉각재를 지속적으로 공급합니다.

4)화학 및 붕산농도 제어를 위해 냉각재를 유출 및 충수시킵니다.

5)설계기준을 초과하는 사고 시에 냉각재의 충수 및 방출운전을 하여 압력을 낮추는 역할을 합니다.
화학 및 붕산농도와 같은 말들은 이해가 안되실 겁니다. 나중에 이 일을 하는 계통이 있는데 그때 설명하도록 하겠습니다. 지금은 아 5개 정도 이런 역할을 하는구나 정도만 짚고 넘어가도록 하겠습니다.

이 계통에 포함된 주요 설비들은 다음과 같습니다.

• 원자로용기
  

• 증기발생기(1차계통측)
  

  

• 냉각재 순환 폐쇠회로(배관)
  

  

• 원자로냉각재펌프
  

  

• 가압기
  

  

그럼 계통의 개략도를 살펴보겠습니다.
원자로용기를 기준으로 냉각수가 유입되는 배관이 4개 배출되는 배관이 2개이며 하나의 원자로 용기에 두 개의 증기발생기가 연결이 되며 통과된 냉각수는 펌프를 통해 다시 원자로에 유입됩니다. 이때 두개의 순환계통이 있는 반면 가압기는 하나만 존재합니다.
그리고 각각의 배관들에 여러 공학적안전설비들과 화학 및 체적제어계통들이 연결되어 있습니다.

이 냉각재계통의 핵심은 원자로의 열을 제거하고 2차계통으로 열을 전달하는데 있습니다. 그렇기에 각각의 설비들의 역할을 다시 적어 보겠습니다.

• 원자로용기 : 2차측으로 전달하는 열을 생산한다.
• 증기발생기(1차계통측) : 보일러와 같은 역할로 발전에 필요한 증기를 생산한다.
• 냉각재 순환 폐쇄회로(배관) : 냉각수를 이동시키고 외부로 유출을 막고 외부와 압력경계를 형성한다. 여기서 압력경계라는 것은 압력의 경계를 이룸을 말합니다. 내부의 압력은 매우 높기 때문에 배관이 이 압력차를 버티지 못한다면 터져버리게 될 것이고 끔찍한 사고가 발생합니다. 그렇기에 설계기준의 압력을 견디도록 설계가 되어 있습니다.
• 원자로냉각재펌프 : 증기발생기를 통과하여 열을 빼앗긴 냉각수를 다시 원자로에 공급하는 역할을 합니다. 여기서 하나 명심해야 하는 것이 증기가 아닌 물이라는 점입니다. 1차계통은 증기가 발생하지않도록 설계가 되어 있습니다.
• 가압기 : 바로 위에서 설명했듯이 증기가 발생하지 않도록 설계가 되어 있다고 했습니다. 그 기능을 수행하는 설비입니다. 압력을 설계기준에 맞추어 보다 높으면 낮게 보다 낮으면 높일 수 있도록 하는 기능을 수행합니다.
• 추가적으로 연결된 설비들… : 원자로에 연결된 설비들은 아주 많습니다.
  이 많은 설비들은 모두 원자로의 안전성을 유지하기 위한 설비들입니다. 앞으로 소개하겠지만 우선 원자로가 돌아가는데 필요한 핵심설비들을 먼저 소개하고 안전을 위한 장치에 대해서 소개하겠습니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

이번에는 원자력 발전소가 물을 사용하는 이유를 알아보겠습니다.
사실 이 부분에 대해서는 제가 체르노빌 사고에 대해서 소개할 때 간단히 언급했었습니다.
하지만 오늘 조금 더 자세히 알아보도록 하죠.
물의 용도는 3가지가 있습니다.

• 원자로의 열을 제거하여 노심 용융을 방지한다.

• 우라늄이 중성자와 반응이 잘하도록 감속시켜주는 역할을 한다.

• 원자로에서 빼앗은 열을 2차 계통으로 전달해주는 역할을 한다.

이 세 가지 기능을 알아보겠습니다.

원자로의 열 제거

원자로 안에서는 핵분열로 발생한 붕괴 열로 매우 뜨거운 상태입니다.
용광로를 생각해보면 매우 뜨거운 열을 주면 철들이 녹아서 액체처럼 흐르죠?
만약 원자로가 이렇게 녹아버리면 어떻게 될까요? 심각한 사고를 초래하게 됩니다.
그래서 이를 막아야 하죠.
그런 점에서 물은 열 제거에 효율적입니다.

생각을 해보죠. 라면을 끓이기 위해 물을 올리고 불을 켰습니다. 그런데 물이 있는 동안은 절대 냄비가 타지는 않습니다. 하지만 물이 말라버리면 순식간에 타버리죠.
이런 생각으로부터 물이 열 제거에 좋다는 점은 이해하실 겁니다.

2차 계통으로의 열전달

원자로로부터 공급받은 열을 2차 계통으로 전달합니다. 여기에는 증기발생기라는 설비를 이용합니다. 그래서 1차계통입장에서는 원자로에서 제거한 열을 버리는 곳이며 2차계통입장에서는 열을 공급받는 보일러 역할을 합니다.

감속재로의 역할

앞서 설명한 냉각수로의 역할도 중요하지만 이 감속재로의 역할로 원자로는 돌아가게 됩니다. 이 감속재가 없다면 연쇄반응은 불가능합니다.
왜냐하면 우라늄이 반응을 하는 중성자는 에너지가 낮은 영역대의 중성자를 사용하는데 핵분열시 발생하는 중성자는 속중성자라 하여 에너지가 높은 중성자입니다. 이 중성자에 대해서 조금만 더 이야기하죠.
중성자는 핵분열을 야기하는 불씨 같은 역할을 하지만 높은 에너지를 가진 중성자는 비교적 반응을 잘 하지 않습니다. 빠른 야구공일수록 잡기 힘든 것처럼 말이죠.

이렇게 잡히는 정도인 반응하는 정도를 흡수 단면적이라고 합니다. 이 개념은 핵물리, 입자물리에서 정말 중요한 개념입니다.
이 흡수 단면적이 크게 중성자의 3가지 에너지 영역에 따라 다른 특성을 나타냅니다.
높은 에너지 영역에서는 가장 작고 중간 영역에서는 중간중간 높은 흡수 단면적을 가진 공명 영역이라는 부분이 존재합니다.
그리고 가장 에너지가 낮은 열중성자 영역이 흡수 단면적이 큰 영역입니다. 그렇기 때문에 우리는 열중성자 영역으로 중성자를 감속시키기 위해 감속재를 사용합니다.
이 영역에서 우라늄이 중성자를 잘 흡수하기 때문이죠.
사실 이 부분에 대해서는 몇 개의 포스팅으로 나눠서 이야기할 만큼 긴 내용을 담고 있습니다. 그래서 다음에 시스템에 대해 포스팅을 진행한 후에 핵물리에 관한 포스팅을 할 때 더 자세히 다루도록 하겠습니다.

그리고 한 가지 더 설명하자면 1차 계통에 사용하는 물은 우리가 아는 물은 아닙니다. 즉, 순수한 물을 사용하지는 않습니다. 붕산이 함유된 붕산수를 사용하는데 붕산이 흡수 단면적이 정말 큽니다. 그렇기에 중성자를 제어하기 위한 목적으로 사용이 됩니다.

마지막으로

정리하자면, 물의 역할은 한마디로 감속재와 냉각재의 역할을 합니다. 그리고 원자로 안전성에 전적으로 기여를 합니다. 그렇기에 모든 원자력 발전소는 이 감속재이자 냉각수인 물이 유지되도록 모든 설비가 작동합니다.
따라서 물을 왜 사용하는지 이해가 되시는가요? 이 물의 중요성은 추후에 제가 포스팅하는 시스템에 대한 글을 보다 보면 더 이해가 되리라 생각됩니다. 

다음 시간에는 열기관 중 증기발전기에서 사용하는 랭킨사이클에 대해서 알아보겠습니다. 

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”