원자로 노심

원자로에서 핵연료가 위치하여 핵분열이 일어나는 영역을 원자로 노심이라고 한다. 노심에서 핵분열로 발생한 열을 노심을 흐르는 냉각재가 제거하여 노심을 일정 온도 이하로 냉각하면서 제거한 열을 전력 생산을 위한 에너지로 활용하도록 한다. 노심은 에너지와 함께 방사성물질을 생산하므로 어떤 사고에서도 핵연료와 노심이 냉각상태를 유지할 수 있도록 냉각재를 주입하는 안전설비 및 장치가 갖추어져 있다. 노심은 특정 기간이 지나면 핵분열 용이물질의 감소로 더 이상 임계를 유지할 수 없기 때문에 핵연료의 일정량을 교체해 주어야 한다.

노심 구조

노심은 원자로 압력용기 내부의 중앙 하단부에 노심지지 구조물로 기계적으로 고정되어 있으며 핵연료집합체는 노심영역에 고정된 격자형 구조물에 배열되어 있다. 노심을 구성하는 주요한 구성체는 다음과 같다.

• 핵연료집합체(Fuel Assembly) : 핵연료봉(Fuel Rod)을 기계적 구조물로 정사각형(경수로), 원통형(중수로), 육각형(고속로) 형태로 엮어 놓은 핵연료 다발이다. 우리나라의 주력 노형인 경수로의 대표적 핵연료집합체는 가로 세로 17개씩 핵연료봉을 엮은 17x17형 이다.
• 냉각재(Coolant) : 노심을 아래에서 위로 흐르면서 핵분열 에너지를 제거하여 핵연료를 냉각시키는 것과 동시에 제거한 열을 에너지 전환시스템으로 이동시켜 주는 매체이다.
• 감속재(Moderator) : 열중성자로 핵분열을 일으키는 열원자로에서만 있는 노심 구조재로 핵분열에서 발생한 고속중성자의 속도를 감속 시켜(에너지를 빼앗아) 열중성자로 만들어 준다. 경수로 및 중수로 경우 통상 냉각재가 감속재 역할을 같이 한다. 가스냉각로 경우는 일반적으로 냉각재와 감속재의 물질이 서로 다르다.
• 제어봉(Control Rod) : 핵분열을 일으키는 중성자의 수를 조절하는 구조재이다. 핵연료집합체 내부의 특정 위치에 제어봉이 삽입될 수 있는 공간이 있으며, 제어봉 물질은 중성자 흡수 능력이 핵분열 용이물질에 비해 수 십~ 수 백 배로 커서 핵분열을 완벽하게 제어할 수 있다. 여러 개의 제어봉을 묶은 제어봉집합체(control rod assembly) 단위로 운전된다.
• 반사체(Reflector) : 가능하면 많은 중성자가 노심영역에서 핵분열에 기여할 수 있도록 노심영역 바깥으로 누설되는 중성자를 막아 이들을 노심영역으로 되돌아 갈 수 있도록 반사시키는 구조재이다.
• 노심 방벽(Core Barrel) : 노심에 장전되어 있는 핵연료집합체 중 최외각 핵연료집합체를 둘러싼 구조물로 노심전체를 측면에서 지지한다. 노심 방벽은 노심을 구조적으로 지지 하는 역할 외에 냉각재 유로(flow path)를 구분(노심외부와 내부에서의 냉각재 흐름 방향이 서로 반대임)를 분리하고 있다.

(참고) 이곳에 “원자력 발전소-원자로 구조”와 link 삽입

핵연료 배치(Fuel Loading) 및 교체(Reloading)

경수로 경우 노심 중심을 기준으로 좌우 대칭구조 형태로 핵연료 집합체를 배열한다. 핵연료 농축도(fuel enrichment)는 3~5 w/o 사이에서 서로 다른 3가지 정도이며 핵연료집합체는 단일 농축도를 가진 핵연료봉으로 이루어진다. 노심 안전성은 노심평균출력(core average power)과 최고출력(peak power)을 내는 핵연료집합체 출력 간의 비율과 관계가 있으므로 비율이 적정 설계 값을 초과하지 않도록, 즉 특정 핵연료집합체에서 핵분열이 집중되어 높은 출력을 내지 않도록, 중성자 분포가 분산이 되도록 농축도가 다른 핵연료집합체를 바둑판(checkerboard) 형태로 배열한다.

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  핵연료집합체 배열 노심모형

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  가압경수로 내부 구조물

노심주기길이(Core Cycle Length) 및 핵연료 교환(Fuel Reloading)

핵연료가 장전된 노심이 핵연료 교체 없이 정규출력(100% 출력)을 생산하는 기간을 노심주기길이라고 한다. 통상 15~18개월 정도이다. 주기길이가 너무 짧으면 경제성이 떨어지고 너무 길면 노심안전성 관리가 어렵다. 노심에 적정량의 잉여반응도(excess reactivity)를 삽입하여 노심을 약간의 초임계(supercritical)로 만들어 운전을 하다가 핵분열 용이물질이 소모되면서 임계(critical)상태를 지나 미임계(subcritical) 상태에 이르면 연쇄반응이 줄어들면서 종래는 원자로가 정지되게 된다. 더 이상 임계상태 유지가 어려운 시점(end of cycle length)에 이르면 원자로 운전을 정지하고 연소가 가장 많이 이루어진 핵연료집합체군(fuel assembly group)을 새로운 핵연료집합체군으로 교체한다. 이를 핵연료 교환 또는 교체라 하며 한 주기의 노심 운전이 완료되었다고 한다. 핵연료 교체의 가장 보편적인 방법은 노심에 장전된 전체 핵연료의 1/3을 교체하는 것이다. 따라서 노심이 평형상태에 이르면 모든 핵연료는 3주기를 연소하고 노심에서 빠져 나오는 것이다.

노심관리(Core Management)

핵연료 장전 량, 핵연료집합체 배치 모형(loading pattern), 주기길이, 노심 출력 분포(core power distribution), 반응도, 교체 핵연료집합체, 노심 제어, 노심 안전성 확보 등을 관리하는 것을 노심관리 또는 노심핵연료관리(in-core fuel management)라고 한다. 핵연료 농축도와 핵연료집합체 수(핵연료 량)가 결정되면 노심에 핵연료집합체를 배치하는 것으로 노심관리가 시작된다. 노심관리가 추구하는 최대의 목표는 노심운전의 경제성 및 안전성 확보이다. 이를 위해 핵연료 배치의 다양한 모형에 대해 수많은 노심관리변수(core parameter)를 계산해서 각종 설계 및 운전기준에의 부합여부를 확인한다. 최적의 핵연료 배치모형이 선정되면 핵연료집합체를 노심의 정해진 위치에 배치시키고 원자로 운전을 시작하게 된다.