주기기제작

주기기( 원자로 및 터빈 설비 ) 제작

가. 제작 개황

1. 국내현황

우리나라 원자력발전소 건설은 1971년 11월에 착공되어 1978년 4월에 상업운전을 시작한 고리 1호기가 효시입니다. 그 이후 1980년대 말 한빛 3,4호기(1989년 12월 건설허가~1996년 1월 준공) 건설과정 중 미국 CE사로부터 습득한 설계 및 제작기술을 토대로 우리 실정에 맞는 한국표준형 원자력발전(OPR 1000)의 기기제작 기술을 확립하였고, 한울3,4호기 건설부터 신월성1,2호기까지 국내 원전건설이 이어져 기술  자립도를 95%까지 완성하였으며, 2001년에는 한국형신형원자력 APR1400을 개발 완료하였고 이를 적용한 신고리 3호기가 2016년 12월부터 가동 중이며 신고리 4호기는 2017년 중에 완공될 예정이며 신고리 5,6호기가 건설 중이다. 

국내기업(두산중공업)의 원자로설비 기기제작은 한빛 1,2호기(1981년 6월착공~1987년 5월 준공)부터 참여하였으나 미미하였고, 한빛3,4호기부터 주요기기를 제작 납품하기 시작했으며, 한울 3,4호기부터는 국내기업(두산중공업)이 원자로설비공급 주계약자로 참여하였고 원자로, 증기발생기, 가압기 등의 주기기가 국내기업에 의해 제작 납품 되었다. 한편 두산중공업은 원자력발전소 주기기 교체공사에 참여하여 증기발생기, 원자로헤드 등의 주기기를 제작 납품하였다.

2. 해외현황

원자력발전소 주기기제작 관련 국내기업(두산중공업)의 해외경쟁국은 프랑스(아레바), 일본(MHI), 스페인(ENSA), 중국, 이탈리아, 러시아 등이며 유수업체와 수주경쟁을 하고 있다. 두산중공업은 해외의 신규원전건설 시장에서 중국의 진산, 하이양, 산먼 원자력발전소 건설에 주요 핵심 기자자재를 공급하였고, 미국의 V.C.Summer, Vogtle, Levy County 등의 원자력발전소 건설에 원자로와 증기발생기등 주기기를 제작 납품 중이며, 한국형신형원자력 APR1400의 최초 수출 프로젝트인 UAE 바라카 원자력발전소 건설에 주기기를 제작 납품 중입니다. 한편 기기 교체 시장에도 진출하여 미국의 세코야 원전 교체용 증기발생기(1호기:2002년, 2호기:2010년 납품) 및 와츠바 원전 교체용 증기발생기를 제작 공급(2005년)하였고, ANO 원전, 워트포드 원전, 팔로버디 원전의 교체용 원자로헤드를  제작 납품(2010년) 하였다.

나. 원자로설비 제작

주기기의 소재는 원자로설비 제작의 핵심 기술입니다. 원자로설비의 주요기기는 압력 용기이므로 대형 주조, 단조 용접으로 제작합니다. 대형 주조로 강괴를 만들며, 이를 대형 프레스로 단조하여 금속특성을 향상시키고 형상을 만들고, 분리 주조 단조된 소재를 용접하여 기기를 제작합니다.  원자로설비 같은 대형의 제품을 제작하기 위해서는 대형의 전기로, 열처리로, 프레스, 가공기계 등이 필요합니다.  가압경수로의 주요기기는 원자로, 증기발생기, 원자로 내부구조물, 원자로주배관, 가압기, 냉각재펌프 등이 있습니다.

                 1. CEDM (Control Element Drive Mechanism)
                 2. 원자로
                     3. 증기발생기
                     4. 냉각재 펌프
                     5. 가압기
     

1. 원자로

원자로는 핵연료를 저장하여 핵반응이 가능하도록 장소를 제공하는 압력용기로서 아주 중요한 핵심기기입니다. 한국표준형원전의 원자로의 외형은 약14.6M 높이에 상하가 반구형이고 외경이 약 4.6M인 원통형 용기입니다. 제작이 완료된 원통 부위의 두께는 약 20~30CM이며 무게는 내부구조물를 제외하고 약 437 Ton입니다. 

이런 대형의 압력용기는 주조, 단조를 거쳐 여러 단계의 가공과정과 용접작업으로 제작하며, 냉각재와 접촉하는 원자로 용기 내벽은 스테인레스 강 또는 니켈 합금강으로 클래딩이란 피복용접 작업을 수행합니다. 또 각 제작단계에서는 구조물의 건전성을 확인하기 위한 매우 엄격한 비파괴검사, 수압시험 등의 검사과정을 수행합니다.

2. 원자로 내부구조물

원자로내부구조물은 핵연료집합체를 지지하며 제어봉을 삽입, 인출 가능하도록 안내 역할을 수행하는 구조물입니다. 원자로 용기 내부에서 냉각재와 직접 접촉하는 구조물이므로 재질은 부식이 되지 않는 스테인레스 강으로 제작됩니다.  스테인레스 강으로 제작 되는 구조물의 특성상 제작 장소가 일반 탄소강으로 제작되는 공정의 장소와 엄격히 분리되어 제작됩니다. 스테인레스 강판과 배관자재를 절단, 용접하는 제관 작업과 가공작업으로 원자로 내부구조물을 제작합니다.

3. 증기발생기

증기발생기는 원자로의 냉각재의 열로 포화증기를 발생시키고 습분을 분리하여 증기를 터빈에 공급하는 핵심기기입니다. 한국표준형원전의 증가발생기 외부 높이는 약21M이며 외부원통의 두께는 약12Cm~18Cm이고 무게는 537Ton에 이릅니다. 증기발생기 외부동체는 단조와 가공을 거친 구조물이며 재질이 탄소강입니다. 외부동체부위는 원자로 제작과 같이  주조, 단조를 거쳐 여러 단계의 가공과정과 용접작업으로 제작하며, 냉각재와 접촉하는 원자로 용기 내벽은 스테인레스 강 또는 니켈 합금강으로 클래딩이란 피복용접 작업을 수행합니다. 내부에 조립되는 부품인 세관(튜브), 습분분리기 등은  별도의 청정지역에서 중간동체에 조립됩니다. 세관은 관다발지지대와 함께 관판에 조립되고 확관작업과 용접으로 관판에 완전하게 조립됩니다. 내부 조립부품을 중간동체에 조립한 후 상부 1차측헤드를 중간동체에 조립 용접합니다. 세관과 관판의 밀봉은 원자로 냉각재 1차측과 증기가 발생하는 2차측의 경계 부위이므로 매우 중요한 작업입니다. 그래서 조립이 완성된 증기발생기는 몇 차례의 수압시험을 수행하여 건전성을 확인합니다.

4. 가압기 가압기는 1차계통의 압력을 형성 유지하는 역할을 하는 압력용기입니다. 가압기내의 압력은 상부의 분무관과 하부의 전열기로 조절합니다. 가압기 용기의 재질은 탄소합금강이며 주조, 단조를 거쳐 여러 단계의 가공과정과 용접작업으로 제작합니다. 냉각재와 접촉하는 가압기 내벽은 스테인레스 강 또는 니켈 합금강으로 클래딩이란 피복용접 작업을 수행합니다.

한국표준형원전의 가압기 외형 높이는 약13M이고 무게는 약108Ton입니다. 가압기내부의 전열기지지판과 전열기를 하부에 설치 조립한 후 수압시험을 실시하여 가압기 용기를 완성합니다.

5. 냉각재 펌프

원자력발전소의 핵심 주기기이며 원자로와 증기발생기사이에 설치되어 1차계통의 냉각재를 순환시켜 주는 역할을 합니다.  신고리 3,4호기까지 해외기술에 의존하여 수입하였으나 신한울 1,2호기부터 국내에서 개발된 기술로 제작됩니다. 2007년 8월부터 두산중공업(주), 한국전력기술(주), 한국원자력연구원 등 국내 기술진과 해외 협력사 Andritz사와 협력하여 APR1400을 대상으로 냉각재 펌프를 개발 착수하였으며 시제품을 제작하여 2012년말 성능시험을 완료하였고, 신한울 1,2호기 발전소용 제품을 제작 진행 중입니다.

다. 터빈 발전기 제작

1. 터빈

터빈에는 수력터빈, 풍력터빈, 가스터빈, 증기터빈 등 여러 종류가 있습니다. 여기서는 한국표준형원전에 사용된 증기터빈의 제작에 대해 설명합니다. 원전의 증기터빈은 1개의 고압터빈과 3개의 저압터빈으로 구성되어 있습니다. 각 터빈은 고정부위의 케이싱 및 고정익(다이아프램)과 회전부위의 로터와 회전익(버켓)으로 구성되어 있으며, 그 외 주증기 배관,  밸브, 유압장치, 베어링, 윤활장치, 증기밀봉장치 등의 보조기기가 있습니다. 원자력발전소 터빈의 회전수는 1800 RPM이고 고압터빈부터 저압터빈까지 연장길이는 약46.5M나 되며 총중량은 약3100 Ton 정도입니다. 

(1) 고압케이싱

증기압을 유지하는 압력용기로서 내부케이싱, 외부케이싱, 밀봉케이싱으로 구성되며 내부식성이 강한 구리함유 탄소강으로 상부와 하부로 나누어 주조하고 가공하여 상하부를 조립합니다. 상하부를 조립상태에서 수압시험을 실시하여 제품의 건전성을 확인합니다. 고압케이싱은 고압부의 내부구성품을 지지하는 구조물이며 회전체를 보호하는 역할을 합니다.

(2) 저압케이싱

저압케이싱은 외부케이싱과 내부케이싱으로 구성되며  상부와 하부를 나누어 제관 제작으로 구조물을 제작하고 필요한 부위에 가공한 후 상부 하부를 조립합니다. 저압케이싱은 저압부의 내부 구성품을 지지하는 구조물이며 회전체를 보호하는 역할을 합니다. 

(3) 로터 회전축인 로터는 주조 단조로 제작되며, 회전익이 조립될 외곽은 도버-테일형으로 가공합니다. 회전익을 조립 후 발란싱시험 및 120% 과속도시험을 수행하여 회전체의 건전성을 평가합니다. (4) 고정익

고정익은 소재는 특수강이며 매우 정밀하게 가공된 후 상부 하부로 된 외곽링에 특수용접으로 조립됩니다. 상하부 조립 후 정삭가공하고 씰링, 키, 볼트 등 부품을 최종 조립합니다.

(5) 회전익

회전익은 형단조 소재로 제작되며 날개부위는 3차원 형상모델링하여 정밀가공기계로 가공합니다.

2. 발전기

발전기는 전기가 생성되므로 절연재가 조립되는 전기기기이며 많은 부품이 협소한 공간에 조립됩니다. 또한 1800RPM으로 회전하는 동적 기기입니다.  원자력발전소의 발전기는 고정부위에는 고정자프레임, 고정자철심, 고정자코일, 엔드실드가 있고, 회전부위에는 회전자, 회전자코일이 있으며 보조기기로 수소냉각기, 고정자코일 냉각장치, 오일실링장치가 있으며 그리고 여자기로 구성됩니다. 

(1) 고정자프레임

고정자프레임은 내외부 조립부품을 수용 및 지지하는 기능을 하며 제관 구조물로 제작하여 가공하며 건전성을 확인하기위한 수압시험을 실시한 후 고정자철심을 적층합니다.

(2) 고정자철심

규소강판을 금형으로 펀칭하여 형상을 만들고 에나멜코팅으로 절연작업을 수행합니다. 제작된 철심을 고정자프레임에 적층하여 자속의 통로를 제공하며 철심의 슬롯에 고정자코일이 조립될 수 있게 합니다.

(3) 고정자코일

나동선을 절연재로 절연하고 성형, 경화작업으로 원하는 형상으로 제작하며 운전전압의 3배로 고전압시험을 하여 제작합니다. 사진은 고정자철심에 고정자 코일이 권선 완료된 그림입니다.

(4)엔드실드

제관으로 제작되고 가공되며 고정자프레임 양쪽에 조립되어 회전자를 지지합니다. 

(5) 회전자

발전기회전자는 주조 단조 가공으로 제작됩니다. 회전자외곽은 회전자코일을 권선할 수 있도록 슬롯을 가공합니다.

(6) 회전자코일 순동의 바 형상 소재를 절단, 성형, 가공 및 절연작업으로 제작합니다.