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카드 뉴스 53편 "빌 게이츠는 왜 원자력을 지지하는가?"
가압경수로 주기기제작
<<원자로설비 제작개황>>
우리나라의 가압경수로형 원자로설비 주기기 제작기술과 관련하여 최초 원자력발전소인 고리1호기 상업운전(1978.04) 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 확립하여 한울3,4호기 건설부터 신월성1,2호기까지 국내 원전건설이 이어져 기술 자립도를 완성하였으며, 2001년에는 한국형신형원자력 APR1400을 개발 완료하여 이를 신고리 3,4호기부터 적용하여 후속호기를 건설 중이며 최초 수출 프로젝트인 UAE 바라카 원자력발전소건설에도 적용하여 주기기를 제작 납품 중이다. 국내기업(두산중공업)의 원자로설비 기기제작은 한빛 1,2호기(1981년 6월착공~1987년 5월 준공)부터 참여하였으나 미미하였고, 한빛3,4호기부터 주요기기를 제작하여 납품했으며, 한울 3,4호기부터는 국내기업(두산중공업)이 원자로설비공급 주계약자로 참여하였고 원자로, 증기발생기, 가압기 등의 주기기가 국내기업에 의해 제작 납품되었다. (참고문헌 4)
<<원자로설비 주기기 제작>>
주기기의 소재는 원자로설비 제작의 핵심 기술이다. 원자로설비의 주요기기는 압력용기이므로 대형 주조, 단조, 용접으로 제작한다. 대형 주조로 강괴를 만들며, 이를 대형 프레스로 단조하여 금속특성을 향상시켜 형상을 만들고, 분리 주조 단조된 소재를 용접하여 기기를 제작한다. 원자로설비 같은 대형의 제품을 제작하기 위해서는 대형의 전기로, 열처리로, 프레스, 가공기계 등이 필요하다. 가압경수로의 주요기기는 원자로용기, 증기발생기, 원자로내부구조물, 냉각재주배관, 가압기, 냉각재펌프 등이 있다.
[그림1] 가압경수로 원자로 모형도 (참고문헌 1)
1. CEDM (Control Element Drive Mechanism)
2. 원자로 (Reactor Vessel)
3. 증기발생기 (Steam Generator)
4. 냉각재 펌프 (Reactor Coolant Pump)
5. 가압기 (Pressurizer)
<<원자로 용기 Reactor Vessel>>
원자로는 핵연료를 저장하여 핵반응이 가능하도록 장소를 제공하는 압력용기로서 아주 중요한 핵심기기이다. 한국표준형원전의 원자로의 외형은 약14.6M 높이에 상하가 반구형이고 외경이 약 4.6M인 원통형 용기이다. 제작이 완료된 원통 부위의 두께는 약 20~30CM이며 무게는 내부구조물을 제외하고 약 437 Ton이다. 이런 대형의 압력용기는 주조, 단조를 거쳐 여러 단계의 가공과정과 용접작업으로 제작하며, 냉각재와 접촉하는 원자로 용기 내벽은 스테인레스강 또는 니켈 합금강으로 클래딩이란 피복용접 작업을 수행한다. 또 각 제작단계에서는 구조물의 건전성을 확인하기 위한 매우 엄격한 비파괴검사, 수압시험 등의 검사과정을 수행한다.
[그림2] 원자로 단면 (참고문헌 1)
[그림3] 원자로용기 단조 (참고문헌 5)
[그림4] 원자로용기 노즐 헤드 용접 (참고문헌 1)
[그림5] 원자로용기 헤드 클레딩 용접 (참고문헌 2)
<<원자로 내부구조물 Reactor Internals>>
원자로내부구조물은 핵연료집합체를 지지하며 제어봉을 삽입, 인출 가능하도록 안내 역할을 수행하는 구조물이다. 원자로용기 내부에서 냉각재와 직접 접촉하는 구조물이므로 재질은 부식이 되지 않는 스테인레스강으로 제작된다. 스테인레스강으로 제작 되는 구조물의 특성상 제작 장소가 일반 탄소강으로 제작되는 공정의 장소와 엄격히 분리되어 제작된다. 스테인레스 강판과 배관자재를 절단, 용접하는 제관 작업과 가공작업으로 원자로 내부구조물을 제작한다.
<<증기발생기 Steam Generator>>
증기발생기는 원자로의 냉각재의 열로 포화증기를 발생시키고 습분을 분리하여 증기를 터빈에 공급하는 압력용기이며 열교환기기이다. 한국표준형원전의 증가발생기 외형높이는 약21M이며 원통의 두께는 약12Cm~18Cm이고 무게는 537Ton에 이른다. 증기발생기 외부용기의 재질은 탄소강이며 원자로용기 제작과 같이 주조, 단조와 여러 단계의 가공과정과 용접작업을 거치며, 냉각재와 접촉하는 용기 내벽은 스테인레스강 또는 니켈 합금강으로 클래딩이란 피복용접 작업을 수행한다. 내부에 조립되는 부품인 세관(튜브), 습분분리기 등은 별도의 청정지역에서 내부용기에 조립된다. 세관은 관다발지지대와 함께 관판에 조립되고 확관작업과 용접으로 관판에 완전하게 조립된다. 내부 조립부품(세관. 세관지지대, 습분분리기 등)이 내부용기에 조립이 완료되면 1차측 헤드를 외부용기에 용접으로 조립한다. 세관과 관판의 밀봉은 원자로 냉각재 구역 즉 1차측과 증기가 발생하는 2차측과 경계 부위이므로 매우 중요한 작업이다. 조립이 완성된 증기발생기는 몇 차례의 수압시험을 수행하여 건전성을 확인한다.
[그림6] 증기발생기 단면 (참고문헌 3)
[ 그림7] 증기발생기 단조 (참고 3) [그림8] 스라우드 조립 (참고 3)
[그림9] 세관 조립(참고 3) [그림10]세관-관판 용접 및 확관(참고 3)
[그림11] 거스심용접 및 열처리 (참고 3) [그림12] 출하(참고 5)
<<가압기 Pressurizer>>
가압기는 1차계통의 압력을 형성하고 유지하는 역할을 하는 압력용기이다. 가압기내의 압력은 상부의 분무관과 하부의 전열기로 조절한다. 가압기 용기의 재질은 탄소합금강이며 주조, 단조를 거쳐 여러 단계의 가공과정과 용접작업으로 제작한다. 냉각재와 접촉하는 가압기 내벽은 스테인레스강 또는 니켈 합금강으로 클래딩이란 피복용접 작업을 수행한다. 한국표준형원전의 가압기 외형높이는 약13M이고 무게는 약108Ton이다. 가압기내부의 전열기 지지판과 전열기를 하부에 설치 조립한 후 수압시험을 실시하여 건전성을 확인한다.
<<냉각재 펌프 Reactor Coolant Pump>>
원자력발전소의 핵심 주기기이며 원자로용기와 증기발생기 사이의 냉각재주배관 라인에 설치되어 핵분열로 발생된 1차계통의 냉각재의 열을 2차계통에 순환시켜 주는 역할을 한다. 신고리 3,4호기까지 해외기술에 의존하여 수입하였으나 신한울 1,2호기부터 국내에서 개발된 기술로 제작된다. 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 중이다. (참고문헌 4)
[그림 12] 냉각재 펌프 외형 (참고문헌 1,5)
<<터빈 Turbine >>
한국표준형 원자력발전의 증기터빈은 1개의 고압터빈과 3개의 저압터빈으로 구성되어 있다. 각 터빈은 고정부위의 케이싱 및 고정익(다이아프램)과 회전부위의 로터와 회전익(버켓)으로 구성되어 있으며, 그 외 주증기배관, 밸브, 유압장치, 베어링, 윤활장치, 증기밀봉장치 등의 보조기기가 있다. 터빈의 회전수는 1800 RPM이고 고압터빈부터 저압터빈까지 연장길이는 약46.5M나 되며 총중량은 약3100 Ton 정도이다. 부품수가 1만종 이상으로 매우 섬세하고 제작이 까다로운 기기이다. 여기서는 주요부품인 고압케이싱, 저압케이싱, 로터 및 고정익과 회전익 제작에 대해 기술한다.
(1) 고압케이싱
증기압을 유지하는 압력용기로서 내부케이싱, 외부케이싱, 밀봉케이싱으로 구성되며 내부식성이 강한 구리함유 탄소강으로 상부와 하부로 나누어 주조하고 가공하여 상하부를 조립한다. 상하부 조립상태에서 수압시험을 실시하여 제품의 건전성을 확인한다. 고압케이싱은 고압부의 내부구성품을 지지하는 구조물이며 회전체를 보호하는 역할을 한다.
[그림13] 고압케이싱 가공 (참고문헌 5)
[그림14] 고압케이싱 내부 (참고문헌 4)
(2) 저압케이싱
저압케이싱은 외부케이싱과 내부케이싱으로 구성되며 상부와 하부를 나누어 제관 제작으로 구조물을 제작하고 필요한 부위에 가공한 후 상하부를 조립한다. 저압케이싱은 저압부의 내부구성품을 지지하는 구조물이며 회전체를 보호하는 역할을 한다.
(3) 로터
회전축인 로터는 주조, 단조로 제작되며, 회전익이 조립될 외곽은 도버테일(dove-tail)형으로 가공한다. 회전익을 조립 후 발란싱시험 및 120% 과속도시험을 수행하여 회전체의 건전성을 평가한다.
[그림15] 터빈 로터 (참고문헌 5)
(4) 고정익
고정익은 소재는 특수강이며 매우 정밀하게 가공된 후 상부 하부로 된 외곽링에 특수용접으로 조립된다. 상하부 조립 후 정삭가공하고 씰링, 키, 볼트 등 부품을 최종 조립한다.
(5) 회전익
회전익은 형단조 소재로 제작되며 날개부위는 3차원 형상모델링하여 정밀가공기계로 가공한다.
[그림16] 터빈 회전익 (참고문헌4)
<<발전기 Generator>>
발전기는 전기가 생성되는 기기이므로 절연재가 조립되며 많은 부품이 협소한 공간에 조립되는 전기기기이며 회전하는 동적기기이다. 발전기의 고정부위에는 고정자프레임, 고정자철심, 고정자코일, 엔드실드가 있고, 회전부위에는 회전자, 회전자코일이 있으며 보조기기로 수소냉각기, 고정자코일 냉각장치, 오일실링장치가 있으며 그리고 여자기로 구성된다.
(1) 고정자프레임 고정자프레임은 내외부 조립부품을 수용 및 지지하는 기능을 하며 제관 구조물로 제작하여 가공하며 건전성을 확인하기위한 수압시험을 실시한다. 또한 고정자철심을 고정자프레임에 적층하여 자로를 형성하게 하며 고정자코일이 조립되는 곳이다.
[그림17] 발전기 고정자프레임 (참고문헌 4)
(2) 고정자철심
규소강판을 금형으로 펀칭하여 형상을 만들고 에나멜코팅으로 절연작업을 수행한다. 제작된 철심을 고정자프레임에 적층하여 자속의 통로를 제공하며 철심의 슬롯에 고정자코일이 조립될 수 있게 한다.
(3) 고정자코일
나동선을 절연재로 절연하고 성형, 경화작업으로 원하는 형상을 만들고, 운전전압의 3배로 고전압시험을 하여 건전성을 확인한다. 아래는 고정자철심에 고정자 코일이 권선 완료된 그림이다.
[그림18] 고정자코일 조립완료 (참고문헌 4)
(4)엔드실드
제관으로 제작되고 가공되며 고정자프레임 양쪽에 조립되어 회전자를 지지한다.
(5) 회전자
발전기회전자는 주조 단조 가공으로 제작된다. 회전자외곽은 회전자코일을 권선할 수 있도록 슬롯을 가공한다.
(6) 회전자코일
순동의 바 형상 소재를 절단, 성형, 가공 및 절연작업으로 제작한다.
[그림 18] 회전자코일 조립 (참고문헌 5)
참고문헌
1. 두산중공업 Brochure : Integrated solution for a better life- Nuclear Business
page 10, 12, 13, 16, 17
2. 두산중공업 Brochure : creating value for the world / NUCLEAR POWER PLANTS
page 13, 16
3. 두산중공업 Brochure : STEAM GENERATOR
page 6, 15, 16
4. 2015 전기연감/대한전기협회 발간
제3편 원자력발전사업 제4장 원자력발전설비 제작기술
5. 두산중공업 인터넷 홈페이지 : http://www.doosanheavy.com/kr/
작성자 : 전 두산중공업 부장 김 도선
