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.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”