원자로압력용기

원자로 압력용기[Reactor Vessel]

원자로압력용기는 원자력발전소에서 가장 핵심적인 기기로서 노심을 안전하게 지지·보호하고, 적절한 열 제거를 위한 냉각유로를 형성하며, 핵분열을 제어하거나 정지시키는 제어봉을 안내하고 보호하고, 다중보호벽을 제2방벽 역할을 한다. 원자로 압력용기는 연료집합체, 제어봉집합체 및 노심지지에 필요한 내부구조물들을 내장하며, 중성자와 감마선에 견디고 높은 강도를 유지할 수 있는 탄소강 재질로 제작되었으며 내면은 부식방지를 위해 오스테나이트 스틸강으로 피복되어 있다. OPR1000 및 APR1400 원자로 압력용기는 높이 약 15m, 외경 약 4.6m, 두께 21~23cm 정도이며 원전의 다른 기기나 부품과는 달리 원자력발전소의 설계수명(법적 운전허용 기간) 동안 교체가 불가능한 유일한 기기로, 상부헤드(Upper Head), 하부헤드(Lower Head) 2개의 반구형헤드와 용기몸통(Reactor Vessel Body)으로 구성되어 있다. 아래의 원자로 압력용기와 관련된 기기 및 구조물은 APR1400 원자로에 대한 것이다.

원자로냉각재는 저온관(cold leg)과 입구노즐을 통해 원자로 내부로 들어와서 원자로 압력용기와 노심지지원통 사이의 환형 공간을 따라 아래로 내려간 후 하부 지지구조물 아래에서 상부로 방향을 바꾸어 노심을 통과한 한 후 출구노즐을 통하여 고온관(hot leg)으로 공급된다.

원자로 압력용기와 덮개는 스터드 볼트에 의해 체결되고 서로 맞대는 플랜지 면에는 고온·고압의 냉각재가 새지 않도록 두 개의 금속 링으로 밀봉된다.

원자로 압력용기 덮개 상부에 설치되는 제어봉 구동장치는 상대적으로 가늘고 긴 구조물이기 때문에 횡방향으로 적절히 지지되어야 지진하중에 견딜 수 있다. 제어봉 구동장치를 구동시키는 권선은 원자로 운전 중에는 항상 전류가 공급되어 작동상태에 있어서 열이 발생하므로 지속적인 냉각이 필요하다. 핵연료를 교체하기 위해서는 원자로 압력용기 덮개와 상부의 제어봉 구동장치들을 일체로 이동하여 저장한다.

가. 상부헤드(Upper Head) 원자로 압력용기 상부헤드는 총 84개의 관통구가 있는데, 이는 73개의 제어봉 구동장치(CEDM) 하우징, 사고시 기포제거로 자연순환에 의한 노심냉각능력을 제공하기 위한 1개의 원자로 압력용기 헤드 배기구, 2개의 가열접점 열전대(HJTC)용 관통부 및 8개의 예비용으로 되어있다. 제어봉 구동장치 하우징과 배기관은 상부헤드 내면에 용접되고, 상부헤드는 54개의 스터드볼트에 의해 원자로 압력용기 플랜지에 고정된다.

나. 하부헤드(Lower Head) 하부헤드는 원자로 압력용기 몸통에 용접되어 있으며 노내 핵계측용 관통관 노즐이 45개 설치되어 있다. 원자로 압력용기 뚜껑은 제어봉 구동계통 및 열전대 노즐과 원자로 압력용기의 증기 및 비응축 기체 제거용 노즐을 포함하며, 운전중에서는 54개의 스터트 볼트로 체결되는 플랜지로써 원자로 압력용기에 부착되고, 원자로 내장품 취급시에는 용기 뚜껑제거가 가능하도록 되어 있다.

하부헤드에는 유량분배를 위해 유량분배판이 둘러져 있으며 그 안으로 노내 핵계측설비들이 이동할수 있는 노즐들이 용접되어 있다. 원자로 압력용기 내면의 노심 부분에는 감시시편 캡슐 홀더가 설치되어 있고, 인코넬 유량 분배판은 원통형으로 노심내로 유입되는 유량을 균일하게 분배하여 하부 공동(Lower Plenum)에서의 큰 와류형성을 방지해 준다.

다 원자로용기 몸통(Reactor Vessel Body) 원자로용기 플랜지는 노심지지통을 지지하고 노심지지통은 노심과 내장설비를 지지하도록 되어 있으며, 또한 원자로용기 플랜지에는 스터드 볼트를 이용해 원자로 용기 뚜껑을 체결할 수 있도록 되어 있다. 원자로 용기 몸통에는 6개의 입·출구 노즐이 있다.

원자로용기와 헤드 플랜지 사이에는 2개의 은도금된 인코넬 재질의 “O"링이 설치되어 누설을 방지하며, 이는 속이 빈 “O"링 노심측 내면의 클립(Clip) 구멍을 통한 냉각재계통 압력이 증가함에 따라 더욱 밀착되는 원리(Self-Energized)에 의해 밀봉이 더욱 강화된다. “O"링을 하나만 사용하더라도 100% 누설을 방지할 수 있으나, 보통 내측 링이 밀봉을 수행하고, 외측 링은 보조역할을 하며 두 “O" 링 사이의 공간에는 누설 탐지용 관이 설치되어 있다.