비등형경수로

비등형경수로는 가압경수로와는 달리 증기발생기가 없이 원자로 내부에서 냉각재를 증기로 변환하여 터빈발전기에 직접 공급하는 경수로이다. 가압경수로와 유사한 저농축 우라늄(2~5 w/o $^{235}U$) 핵연료와 경수(H₂O)를 냉각재 및 중성자 감속재로 사용한다. 현재(2022. 5월) 전 세계에서 운전 중인 발전용 원자로의 약 14%가 비등형경수로[1]이나 우리나라에는 없다. 미국의 General Electric 사가 비등형경수로를 공급한다. 2011년 3월 지진과 쓰나미로 인해 노심용융사고가 발생한 후쿠시마 원자력발전소의 원자로가 바로 비등형경수로이다.

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  원자로 계통

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  원자로 내부구조물

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  핵연료집합체

핵연료집합체(Fuel Assembly)

핵연료집합체는 가압경수형 핵연료집합체처럼 격자로 묶은 개방형이 아니라 핵연료봉을 7x7 또는 8x8 형으로 묶어 사각형 통(canister) 속에 고정한다. 냉각재는 원자로 하단에서 서로 격리된 각 핵연료집합체 내부로 흐르기 때문에 핵연료집합체 사이의 횡류(橫流)가 없다. 따라서 가압경수로에서는 노심출력을 평탄하게 분포되도록 핵연료집합체 별로 농축을 달리 하여 바둑판 모형으로 배열하는데 반해, 비등형경수로에서는 한 개 핵연료집합체 내에 농축도가 다른 핵연료봉을 배치하여 출력 분포가 평탄해지도록 한다. 일부 핵연료봉에는 열중성자 흡수물질인 가돌리늄(Gd)을 혼합하여 가연성독봉(burnable poison rod)으로 사용하면서 핵연료집합체에서 국소적으로 높은 출력이 발생하는 현상을 방지한다.

원자로계통(Reactor Coolant System)

원자로계통은 압력용기, 노심, 증기분리기 및 증기건조기, 내부지지 구조물, 재순환펌프(Jet 펌프), 압력억제수조(suppression pool)로 이루어진다. 냉각재가 핵연료집합체 내부를 흐르면서 핵분열 에너지로 가열되어 노심 출구온도 280~300℃에서 증기로 변환되도록 원자로 운전압력은 60~70기압 정도로 가압되어 있다. 노심을 벗어난 증기는 증기분리기를 통과하면서 물과 분리되고 증기건조기를 지나면서 수분이 제거된 후 터빈을 구동시킨다. 터빈에서 일을 한 후 진공의 복수기를 거쳐 다시 물로 전환되고 급수펌프에 의해 노심으로 재공급 된다. 노심 냉각재는 재순환펌프로 핵연료집합체에 주입되게 된다. 압력억제수조는 원자로나 냉각재 재순환계통에서 많은 양의 증기가 방출되는 사고 발생 시 증기를 냉각시켜 방출된 열을 제거하고 격납용기 내부의 압력증가를 방지한다.

냉각재 재순환펌프(Coolant Circulation Pump 또는 Jet Pump)

원자로 압력용기 외부에 설치되어 있으며 급수펌프에 의해 원자로 내부로 주입된 냉각재를 재순환 시키는 펌프로서 원자로 내부 냉각재 일부를 펌프로 유입한 후 노즐을 통해 고압으로 분출하여 나머지 냉각재를 순환시킨다. 기계적 구조가 간단하나 효율은 낮은 편이다. 그러나 제트펌프 이용으로 재순환 loop수를 줄일 수 있게 되어 1,000MWe급의 대용량 원자로도 2-loop으로 가능하게 되었다.

제어봉 집합체

제어봉집합체는 십자형 날개모양을 하며 각 날개 내부에 중성자의 강력한 흡수물질인 B₄C 제어봉으로 채워지고 봉 사이 간격을 유지하도록 stainless steel 구슬이 있다. 날개에는 여러 개의 구멍이 수직방향으로 배열되어 있는데 구멍으로 냉각재가 흐르면서 중성자 흡수로 발생한 열을 제거하고 삽입 시 냉각재의 저항을 줄이는 역할도 한다. 원자로 상부가 증기분리기 및 건조기 등의 배치로 구조적으로 매우 복잡하여 제어봉집합체는 원자로 아래에서 위로 고압의 유압계통으로 삽입되며 한 개의 제어봉 집합체는 각 핵연집합체 내부로 삽입되는 것이 아니라 인접한 4개 핵연료집합체 사이 공간에 삽입된다.

비등수형경수로의 주요 특이사항

가압경수로와 비교하여 비등형경수로 원자로계통의 주요 특이사항은 노심에서 냉각재의 직접 비등(boiling),폐쇄형 핵연료집합체, 십자형 제어봉집합체 및 노심하부 삽입 등이다. 이로 인해 다음과 같은 기술적 사안에 대하여 특별한 주의 및 완벽한 기술완성이 요구된다.

• 노심에서 일차냉각재를 가열하여 직접 증기를 발생시키므로 일차냉각재가 방사성물질로 오염될 시 터빈계통을 통한 환경으로의 누출 문제
• 제어봉 구동 유체압력이 상실되었을 때 원자로 제어 또는 정지가 불가능(가압경수로 경우 제어봉집합체를 구동하는 전원이 상실되면 제어봉집합체가 자유낙하로 노심에 삽입됨) 등