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카드 뉴스 53편 "빌 게이츠는 왜 원자력을 지지하는가?"
소듐냉각고속로
소듐냉각고속로는 냉각재로 액체 소듐(Na)을 사용하고 고속(고에너지) 중성자에 의한 핵분열 반응으로 발생한 열에너지를 이용하는 원자로다. 전 세계적으로 약 400 원자로·년의 운전경험이 있으며, 2017년 현재 6기가 운전되고 있으며 1기가 시운전 중에 있다. 프랑스의 Phenix (250MWe급 원형로, 2009년 운전종료), 러시아의 BN-800(800MWe급 실증로, 2016년부터 운전)이 대표적인 원자로이다. 2006년부터 제4세대 원자력시스템 국제포럼(Generation IV International Forum)에서 6개 미래원자로 중의 하나로 개발되고 있으며 우리나라는 150 MWe급 원형로를 개발하고 있다.
핵연료 및 집합체
일차열전달계통
플랜트 배치
목차
핵연료 및 핵연료집합체
핵연료로는 우라늄을 기반으로 금속(U-Zr, U-TRU-Zr), 산화물(UO2, UO2+PUO2), 질화물(UN) 연료 등이 있으며 경수로에 비해 높은 10~50%의 핵분열성물질을 포함한다. 5~10 mm 직경의 핵연료 피복관에 펠렛(산화물연료) 또는 핵연료심(금속연료) 형태로 장전된 것이 핵연료봉이다. 피복관은 고온에서 강도가 우수한 스텐인레스강 또는 마르텐사이트강이 주로 사용된다. 핵연료봉에서 연료영역의 길이는 약 1m 내외이며 상부 또는 하부에 핵분열기체를 가두어 두는 가스 플레넘이 있다. 고속로는 감속재가 불필요하므로 냉각이 가능한 수준에서 핵연료봉을 조밀한 삼각구조로 배열하며, 핵연료봉의 간격을 유지하기 위하여 핵연료봉에는 와이어가 감겨있다. 핵연료집합체는 중성자효율 향상과 중성자 피폭에 의한 노심 내부구조물의 손상을 방지하기 위하여 핵연료영역의 상·하부에 반사체가 설치된다. 핵연료집합체는 육각형 형상을 갖는 덕트로 감싸져 있으며, 냉각재의 유량은 핵연료집합체 하단에서 조절된다.
원자로계통
SFR은 일차열전달계통, 중간열전달계통, 동력변환계통, 잔열제거계통, 소듐보조계통 등으로 구성된다. 소듐은 물과 격렬한 화학반응을 하므로 증기발생기에서 소듐-물 반응을 방지하기 위해 중간열전달계통을 두며, 소듐-물 반응 시 중간열전달계통의 압력을 낮추기 위한 압력완화계통이 있다. SFR은 pool형 및 loop형으로 구분하며, pool형은 중간열교환기와 냉각재펌프를 원자로용기 내부에 배치하며, loop형은 중간열교환기와 냉각재펌프를 원자로용기 외부에 설치한다. 현재 가동 중 또는 개발 중인 SFR의 대부분은 pool형이다. 액체소듐은 공기에 노출되면 발화되므로 원자로용기와 격납용기 사이를 불활성가스로 채우며, 주요 배관도 불활성가스로 채워진 이중배관으로 소듐-공기 화재를 방지하도록 되어 있다.
일차열전달계통(Primary Heat Transport System)
일차열전달계통은 핵분열 에너지를 중간열교환기를 통해 중간열전달계통으로 전달하며 원자로냉각재의 경계선이다. 일차열전달계통은 노심, 원자로용기 및 내부구조물, 펌프, 중간열교환기로 구성되며 냉각재 소듐은 원자로용기 내에서 순환한다. 노심에서 발생한 열은 중간열교환기를 거쳐 중간열전달계통으로 전달된다. 일차열전달계통 펌프는 날개바퀴(impeller)의 회전에 의해 유량을 발생시키는 기계식 펌프 또는 소듐의 전도특성을 이용하여 전자기력에 의해 유량을 발생시키는 전자기 펌프(electromagnetic pump)가 이용된다. 원자로용기 상부에는 불활성가스로 채워진 커버가스 영역이 있으며, 소듐의 자유액면이 일차열전달계통 소듐의 온도변화에 따른 체적변화와 압력 조절에 사용된다.
중간열전달계통(Intermediate Heat Transport System)
중간열전달계통은 복수의 독립된 loop으로 구성되며, 각 loop은 중간열전달계통 배관, 팽창탱크, 펌프, 증기발생기로 이루어진다. 중간열교환기를 통해 전달된 열에너지는 강제순환으로 증기발생기로 전달된다. 배관의 주요 부분은 소듐 누출에 의한 화재를 예방하기 위해 이중배관으로 설계하며 중간열전달계통 소듐의 온도변화에 의한 체적 및 압력 변화를 조절하기 위하여 팽창탱크가 설치된다. 증기발생기에는 U형, 헬리컬코일형, 직관형 등의 전열관이 사용되며, 단일 기기에서 과열증기를 생산하는 일체형과, 증발기(evaporator)와 과열기(superheater)로 구성되는 부분 모듈형의 두 종류가 있다. 경수로에서는 증기발생기 실린더 측에서 증기를 발생시키는 것에 반하여 소듐냉각고속로에서는 실린더 측에 소듐이 흐르고 전열관 측에서 급수와 증기발생이 이루어진다.
동력변환계통(Power Conversion System)
동력변환계통은 열에너지를 전기에너지로 변환하는 계통이다. 노심에서 생성된 열은 일차열전달계통을 거쳐 중간열전달계통의 증기발생기에서 증기를 생산하여 터빈과 발전기를 구동시킨다. 동력변환계통은 주증기계통, 터빈계통, 복수계통, 급수계통, 순환수계통 등으로 구성된다. 소듐냉각고속로는 운전온도가 500~600℃로 높으므로 과열증기사이클(super heated steam cycle)을 이용하여 40% 이상의 높은 열효율을 가지며, 동력변환계통은 150~200기압의 고압에서 운전된다.
반응도 제어 및 원자로 정지
핵연료의 연소 또는 출력 변화에 따른 반응도 조절은 제어봉의 삽입과 인출로 이루어진다. 제어봉은 B4C 또는 중성자를 잘 흡수하는 물질로 장전되어 있으며, 집합체의 형태로 원자로 노심에 삽입 또는 인출된다. 경수로에서는 제어봉을 핵연료집합체 내부에 삽입하는 것에 비해 고속로에서는 별도의 제어집합체로 핵연료집합체의 외부에 삽입된다. 최근에는 열팽창, 온도변화에 따른 자력의 변화 등에 따른 자연원리를 이용한 피동원자로정지계통이 개발되어 이용되고 있다.
잔열제거계통(Decay Heat Removal System)
잔열제거계통은 원자로의 안전을 보장하는 핵심계통 중 하나로, SFR에서는 소듐의 높은 열전달 특성을 이용하여 공기를 이용한 잔열제거계통이 이용되고 있다. 잔열제거계통은 냉각하는 위치와 방법에 따라
- 원자로용기 내 소듐을 공기로 직접 냉각하는 원자로풀 직접냉각방식
- 원자로용기 외벽을 공기를 통해 냉각하는 원자로용기 외벽냉각방식
- 증기발생기의 외벽을 공기로 냉각하는 증기발생기 외벽냉각방식으로 구분된다.
우리나라가 개발하는 SFR은 원자로풀 직접냉각방식과 원자로용기 외벽냉각방식이 같이 사용되고 있다.
핵연료취급계통
소듐은 불투명하고 액체소듐이 공기와 접촉하면 발화하는 특성이 있으므로 원자로용기 덮개(reactor head)를 덮은 상태에서 원격으로 핵연료를 교환한다. 원자로 덮개에는 회전하는 원형테이블이 고정 팔 또는 가변 팔과 연결되어 있으며 노심의 핵연료집합체 위치로 회전테이블로 이동하여 고정 팔 또는 가변 팔과 연결된 집게장치를 이용하여 핵연료집합체를 교환한다.
소듐보조계통
증기발생기에서 소듐과 물이 반응할 경우 발생하는 압력파가 중간열전달계통의 건전성에 영향을 주지 않도록 소듐-물 반응 압력완화계통이 중간열전달계통에 설치되어 있다. 소듐-물 반응 압력완화계통은 일정 압력 이상에서 자동으로 파열되는 파열판과, 파열 후 잔류 소듐 및 반응생성물을 수용하기 위한 소듐덤프탱크로 구성된다. 소듐-물 반응 압력완화계통 이외에 일차열전달계통, 중간열전달계통, 잔열제거계통 등의 소듐의 순도를 유지하기 위한 소듐정화계통이 각 계통에 설치되어 있다.
