SMART

SMART는 일차계통의 핵심기기(증기발생기, 가압기, 펌프)가 Loop형 원자로와는 달리 배관으로 연결되지 않고 노심이 장착된 원자로 압력용기 내부에 설치된 열출력 330MWt 소용량 경수냉각형 일체형원자로(Integral-type Reactor)이다. SMART는 SMR(Small Modular Reactor)형 원자로로서는 2012년 세계 최초로 표준설계인가를 받은 우리 고유기술로 개발된 원자로이며 저농축 우라늄 핵연료를 사용하는 가압경수로 기술을 기반으로 하고 있다. 2017년 현재 사우디아라비아와 2기의 SMART 건설을 위한 설계(PSAR수준 설계)를 포함한 건설전 협력이 진행 중이다.

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  대형원자로와 SMART

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  SMART 내·외부 모습

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  SMART 종합실험시설

SMR의 개념 및 활용

SMR이란 원자로 출력규모가 300MWe 이하의 소용량 원자로로서 용어는 1990년 대 중반 IAEA에서 처음 사용하면서 중소형원자로(Small and Medium-sized Reactor) 개념으로 시작되었으나, 현재는 소용량으로 모듈(module) 방법으로 건설할 수 있는 원자로 개념으로 사용하고 있다. 원자로 형태로는 기존 대형원자로와 같은 Loop형과 SMART와 같은 일체형으로 분류할 수 있다. 발전 등의 산업적 이용 목적으로 SMR 개발은 우리나라에 이어 미국이 정부와 산업계 공동협력으로 개발하고 있다. SMR은 소규모 發電(분산발전, 격리지역 또는 특수시설 전력공급 등), 열병합(전력생산과 함께 해수담수설비 에너지 공급, 지역난방 등), 산업 공정열 생산 등의 분야에 다양하게 활용될 것으로 예상된다.

원자로 집합체(Reactor Assembly)

SMART는 일체형원자로로 노심, 8대의 증기발생기, 가압기, 4대의 원자로냉각재펌프 등이 배관으로 연결되지 않고 하나의 압력용기인 원자로집합체에 내장된 원자로다. 원자로집합체는 크게 원자로용기집합체와 원자로내부구조물로 이루어진다. 이러한 원자로용기집합체와 내부구조물은 주요기기들과 노심을 수용하여 구조적으로 지지하며, 적절한 원자로냉각재 유로를 형성하여 노심에서 생성된 열을 효율적으로 냉각, 이송하고 비상시 원자로냉각재의 자연순환에 의한 붕괴열 제거가 가능하도록 설계되어 있다. 고온고압의 증기를 생산하기 위한 급수 및 증기 노즐, 원자로의 안전 주입 및 냉각을 위한 각 종 배관과 노즐, 원자로 온도, 압력, 수위, 핵반응 등을 계측하기 위한 여러 계측기기와 노심 핵반응 제어를 위한 제어봉 등을 수용하기 위한 많은 안내관, 지지관들이 설치되어 있다.

원자로 노심(Reactor Core) 및 핵연료

열출력 365MWt(SMART 기본형은 330MWt)인 SMART 노심은 저농축(4~5w/o U235) UO2 핵연료를 사용하며, 유효길이 2m인 17x17 형태의 핵연료집합체 57개로 구성되어 있다. 핵연료집합체 설계제원은 국내에서 운전 중인 대용량 원자력발전소에서 사용하고 있는 핵연료와 대비하여 유효길이가 짧다는 것을 제외하고는 대동소이하다. SMART 노심은 주기길이 30개월 이상의 장주기 운전을 할 수 있도록 설계되어 있으며, 노심 반응도 제어를 위하여 가돌리니아(Gd) 가연성 흡수봉(burnable poison rod), 제어봉(control rod) 및 수용성 붕소(soluble boron)를 사용한다.

원자로냉각재계통(Reactor Coolant System)

SMART 원자로냉각재계통은 강제순환방식을 채택하고 있다. 원자로냉각재계통 유로는 노심, 원자로냉각재펌프, 증기발생기, 노심 순서로 형성된다. 원자로용기 상부 측면에 수평으로 설치된 4대의 원자로냉각재펌프에 의해 강제순환되는 원자로냉각재는 하부에 위치한 노심을 통과하면서 노심에서 생성된 열을 전달받아 가열된 후, 노심상부의 원자로용기 내부에 환형으로 설치된 8대의 증기발생기의 전열관 내부의 2차측(tube-side) 급수에 열에너지를 전달하고 냉각되어 노심으로 되돌아오는 폐회로의 강제순환유동을 형성한다. 원자로냉각재계통은 원자로의 과도상태 시에도 충분한 안전 및 운전 여유도(margin)를 확보할 수 있도록 설계되어 있다.

증기발생기(Steam Generator)

원자로용기 내부에 설치되는 총 8대의 증기발생기는 1차 측 원자로냉각재의 열에너지를 2차 측 급수로 전달하여 증기를 만드는 설비이다. SMART 증기발생기는 관류식(once-through) 나선형 형태이며, 원자로냉각재는 증기발생기 전열관 외부 즉, 쉘측(shell-side)를 흐르며, 2차측 급수는 전열관 내부 즉, 관측(tube-side)으로 흐른다. 관측의 2차측 급수는 쉘측의 1차측 냉각재에 의해 가열되어 과열증기로 변환된 후, 증기발생기 헤더(header)를 통하여 터빈으로 방출된다. 원자로용기 내부에서 노심보다 높은 곳에 위치한 증기발생기는 원자로냉각재펌프가 작동하지 않는 비상시에도 노심 잔열(붕괴열)을 제거하는 자연순환 유동이 가능하도록 설계·배치된다.

가압기(Pressurizer)

원자로용기 상부덮개 아래 공간에 위치한 가압기는 원자로 운전 범위 전반에 걸쳐 원자로냉각재계통의 압력을 150기압 정도로 일정하게 유지할 수 있도록 한다. 가압기 내부에는 전기가열기가 내장되어 있어 계통압력 변화에 따른 가압기 내부의 증기와 수위를 적절히 조절함으로써 일정한 압력을 유지하도록 설계된다. 가압기에는 설계기준 가상사고 시 발생할 수 있는 원자로냉각재계통의 과압을 방지하기 위하여 가압기 안전밸브(Pressurizer Safety Valve)가 설치되어 있다.

원자로냉각재펌프(Reactor Coolant Pump)

원자로냉각재펌프는 노심에서 가열된 원자로냉각재(일차냉각재)를 증기발생기 상부 공간으로 강제순환 시켜서 증기발생기 전열관 내부로 흐르는 2차측 급수(이차냉각재)와 열교환이 이루어지도록 한다. 증기발생기를 통과하면서 온도가 낮아진 일차냉각재는 증기발생기 하단을 통과하여 다시 노심으로 순환되어 가열된 후 원자로냉각재펌프에 의해 증기발생기로 보내지는 유로를 형성한다. SMART 원자로냉각재펌프는 원자로 압력용기 상부 측에 수평으로 설치되어 작동하는 사류펌프로서 펌프 전동기는 고정자와 회전자에 냉각재가 스며드는 것을 방지하기 위하여 밀봉캔을 고정자와 회전자에 용접하여 일차냉각재와 격리시킨 캔드모터(canned motor)를 사용함으로써 축 밀봉 시 발생할 수 있는 원자로냉각재 누설을 원천적으로 제거하였다.

SMART 안전 특성

SMART의 설계 특성은 고유 안전성, 피동 안전성, 그리고 첨단 인간 공학 연계설계 등으로 요약된다. 고유 안전성 설계 특성은

• 대형냉각재상실사고(LBLOCA)를 근원적으로 배제하기 위한 일체형 배열 설계
• 낮은 노심출력밀도에 의해 큰 열적여유도 확보
• 많은 양의 일차냉각재와 대용량 가압기가 제공하는 큰 열관성(thermal inertia)으로 출력변화에 대한 열적 저항성 및 수용성 여유도 확보 등을 들 수 있다.

SMART 안전계통은 펌프와 같은 능동기기를 사용하지 않고 중력, 자연대류 등의 자연현상을 이용하는 피동형으로 설계되어, 설계요건인 72시간 이상 동안 운전원 조치나 비상교류전원의 도움 없이도 원자로를 안전정지(safe shutdown) 상태로 복구하여 유지시킨다. 주요 안전계통으로는 피동안전주입계통(PSIS), 피동잔열제거계통(PRHRS), 격납건물 감압계통 등이 있다.

피동잔열제거계통은 비상냉각탱크(ECT)에 잠겨있는 응축열교환기와 증기발생기 사이의 2상(two phase) 자연대류 현상을 이용하여 사고 시 노심붕괴열을 장기간 제거하며, 독립적인 4계열로 구성된다. 피동안전주입계통은 냉각재상실사고와 비냉각재상실사고 시 모두 작동하는 중력식 노심보충탱크(CMT), 냉각재상실사고 시 작동하는 중력식 안전주입탱크(SIT)가 사고 시 원자로냉각재계통으로 붕산수를 주입하여 노심이 노출되지 않도록 설계되며, 독립적인 4계열로 구성된다.

격납건물 감압계통은 원자로용기를 감싼 공간에 형성되는 건정(乾井, Dry Well), 격납건물내 재장전수조(IRWST), 건정과 연결되어 IRWST에 설치되는 분사기(Sparger), 건정과 격납건물 사이의 공간에 형성되는 습정(濕井, Wet Well)으로 구성된다. 격납건물 감압계통은 냉각재상실사고나 증기관파단사고 등의 사고 시 건정 내부로 방출되는 증기와 방사성물질을 IRWST로 유도하여 응축 및 용해시킴으로서 격납건물의 압력과 방사성 물질 농도의 상승을 억제한다. IRWST의 냉각수는 사고 시 냉각수의 비등 없이도 원자로냉각재계통의 현열 및 잔열(붕괴열)을 5일 이상 흡수할 수 있는 대용량이다. 또한 비등경수로와 다르게 건정에 비해 습정의 내부 공간이 현저하게 커서, 운전원 조치나 비상교류전원의 도움 없이 5일 이상 지속적으로 감압기능을 유지할 수 있다.