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흑연감속 탄산가스냉각형 원자로(GCR) 02-01-01-06
개요

    천연우라늄을 연료로 하는 흑연감속 탄산가스냉각형 원자로(GCR: Gas Cooled Reactor)는 실용규모의 발전로로서 세계에서 가장 이른 시기에 영국에서 실용화되었다. 그 1호기(콜더홀형, 60 MWe)는 1956년에 영업운전을 개시하였다. 콜더홀형을 포함한 이 형의 원자로는 감속재로서 흑연을, 냉각재로서 탄산가스를 사용하고 있기 때문에 출력에 비하여 대형이 되어 경제성이 낮다는 난점이 있었으나, 노심 출력밀도가 낮고, 열용량이 크며 또 잉여반응도가 작아 안전성이 높은 점이 있다. 일본이 영국으로부터 도입한 것은 콜더홀 개량로이며, 1966년에 영업운전을 개시한 이후 순조롭게 운전을 계속하여 왔는데 주로 경제성의 관점에서 이 원자로는 1998년 3월말 운전을 종료하였다.

본문

    흑연감속 탄산가스냉각 천연우라늄로는 영국에서 발전로로서 개발되어 발전되었다(1969년대). 천연우라늄금속봉을 매그녹스로 피복하고 있어 매그녹스로라고도 말하고 있다. 매그녹스로가 각종의 발전로중 실용규모로서 세계에서 최초로 실용화된(60 MWe, 1956년 영업개시; 세계최초의 원자력발전은 구소련의 오브닌스크 발전소, 5 MWe, 1954년) 이유는 다음과 같은 점 때문이라고 생각된다.
  ·천연우라늄은 입수하기 쉬운 핵연료이다.
  ·우라늄 농축공장이 필요없다.
  ·중수제조공장이 필요없다.
  ·냉각재로서 미국이 주요 공급원이 되고 있는 헬륨을 필요로 하지 않는다.
  ·흑연감속재, 매그녹스 피복재, 구조재 등 사용 재료는 공업적으로 입수하기 쉽고 또한 그 재료의 성질이 잘 알려져 있다.
  ·노심의 잉여반응도가 작고, 노심 출력밀도가 작으며, 흑연의 열용량이 커서 안전성이 높다.
1. 원자로의 원리
    흑연감속 천연우라늄로의 원자로 이론은 단순하여 이해하기 쉽다. 천연우라늄의 대부분을 점하는 핵종은 U-238이며 핵분열성인 U-235는 겨우 0.7 %이다. U-235가 중성자를 흡수하여 핵분열을 일으키면 에너지가 발생하며, 핵분열생성물 및 2∼3개의 고속중성자도 함께 발생한다. 이 새로 생긴 고속중성자에 의하여 천연우라늄의 대부분을 차지하는 U-238이 다음에 핵분열을 일으킬 수 있는 기회는 적으며, 또 0.7%의 U-235도 마찬가지다. 그런데 U-235는 속도가 느린 열중성자와 반응하는 확률이 커서, 고속중성자를 효율적으로 감속하여 열중성자로 만들 수 있으면 U-235가 핵분열을 일으킬 수 있는 기회는 커진다. 흑연은 고속중성자를 효율적으로 열중성자로 감속시키므로 흑연블럭 속에 적당한 간격으로 우라늄봉을 배치하여 이를 겹겹이 쌓아 올려 노심을 만들고, 그 노심을 크게 하여 노심으로부터 외부로 빠져 나가는 열중성자의 수를 적게 하면 이 노심 속에서 핵분열의 연쇄반응이 가능함이 이론적으로 밝혀졌다. 인류가 처음으로 핵분열 연쇄반응을 지속시키는데 성공한 페르미(Fermi) 원자로(시카고 파일, CP-1)도 이 이론에 근거하여 조립된 것이다.
2. 구조
    일본 도카이 발전소의 원자로(콜더홀 개량형 원자로)는 중심에 연료요소 등을 삽입하는 채널을 가진 정육각 단면의 흑연 블럭 약 3000개를 원형상으로 나열하여 이를 10 층으로 쌓아 올린 원주, 각 채널 마다 연료 8 개가 삽입된 연료요소와 다른 채널에 삽입된 제어봉에 의하여 구성된 노심 및 이를 수용하는 원자로용기로 구성되어 있다. 원자로용기의 양측에는 4 기의 열교환기(증기발생기)가 설치되어 있다. 원자로 내의 탄산가스는 연료를 냉각하면서 채널 내를 오르면서 고온이 된 후 고온닥트로부터 열교환기 정상부로 유도된다. 2차계통으로 열을 전달한 탄산가스는 열교환기 하부에 설치된 가스순환기에 의하여 저온 가스닥트를 거쳐 원자로 하부로 되돌아 온다. 열교환기 2차측에서는 고압 과열증기와 저압 과열증기가 발생하여 고압 과열증기는 가스순환기 구동용 배압터빈으로, 일부는 주고압터빈으로 공급된다. 저압 과열증기는 주저압터빈으로 공급된다(그림-1, 그림-2).
3. 제어의 원리
    원자로의 출력은 제어봉에 의하여 제어된다. 제어봉을 인출하여 양의 반응도를 주면 원자로의 출력은 상승한다. 이 결과 연료봉과 감속재인 흑연의 온도가 상승한다. 연료봉의 온도가 상승하면 도플러 효과에 의하여 음의 반응도가 가하여져 출력상승이 억제된다. 흑연은 열용량이 크기 때문에 그 온도가 서서히 상승하여 그 사이에 양의 반응도를 가하기 때문에 원자로의 출력은 서서히 상승한다. 이때 제어봉을 서서히 삽입하여 출력의 상승을 억제한다. 이 제어봉의 인출 및 삽입에는 미세 조정용의 제어봉을 사용하는데, 원자로 출구 가스온도가 일정하게 되도록 자동으로 제어한다.
    원자로출구 가스온도를 일정하게 유지하고 가스순환기의 회전수 및 원자로 1차 냉각가스의 유량을 증감하여 원자로 출력과 터빈발전기 출력과의 매칭(matching)을 이룬다. 터빈이 비상정지되는 경우에는 고압증기 및 저압증기의 흐름이 차단되어 열교환기의 저압증기의 압력이 상승하기 때문에 가스순환기 구동용 터빈의 배압이 상승하여 배압터빈의 회전수는 급격히 저하한다. 이에 따라 원자로 냉각가스의 유량이 감소하고 원자로출구 가스온도가 상승하면 원자로출구 가스온도제어계통에 의하여 제어봉이 삽입되어 원자로의 출력이 저하된다.
4. 연료요소
    연료요소는 카트리지와 흑연 슬리브로 구성되어 있다. 카드리지는 가운데가 빈 금속우라늄봉을 매그녹스로 피복한 것이다. 금속우라늄은 운전중에 중성자 조사에 의한 스웰링을 방지하기 위하여 미량의 철, 알루미늄 등을 첨가하여 주조하고 β상(662∼772 0C)으로 가열하여 ?칭하고 이어서 α상(662 0C이하)에서 어닐링한다. 이 열처리에 의하여 결정립도가 작아져 결정방위가 무작위화되어 조사성장이 억제된다. 피복재는 매그녹스 AL-80으로 부르는 마그네슘 합금으로, 그 조성은 마그네슘에 미량의 알루미늄, 베릴륨 등을 첨가한 것이다. 연료요소의 구조를 그림-3에 제시한다.
    제어봉의 형상은 단순한 중공(中空)원통이며 재질은 붕소강 또는 스테인리스강이다. 제어봉 구동모터 및 케이블 감기장치는 압력용기 스탠드파이프에 수용되어 있다(그림-4). 예비정지계통으로서 직경 8 mm인 다수의 붕소강구로 구성된 긴급정지장치(ESD)를 설치하고 있다.
5. 공학적 안전계통
    원자로에 이상이 발생, 또는 발생할 우려가 있을 때는 제어봉이 일제히 중력에 의하여 삽입되어(스크램) 원자로가 정지된다.
    만일 가스닥트가 파단사고를 일으켰을 때는 원자로 냉각계통의 탄산가스가 먼저 배기통으로부터 대기중으로 배출된다. 이것은 시설 안이 고온의 탄산가스로 충만될 우려가 있기 때문이다. 그러나 원자로 냉각재중의 방사능은 매우 낮은 준위에 있으며, 외부로 방출되어도 그 방사능량 은 적어 환경에 미치는 영향은 작다. 원자로 냉각계통의 압력이 대기압까지 저하하면 원자로냉각계에 공기가 들어가며 이 공기중의 산소가 고온의 연료와 접촉하면 연료가 파손될 가능성이 생긴다. 이를 방지하기 위하여 고온가스 방출 후 비상용 탄산가스계통(SRU)보다 찬 탄산가스를 주입하여 원자로 냉각계통을 약간 높은 압력으로 유지시킨다(그림-5).
    붕괴열의 제거는 건전한 SRU를 사용하여 이루어진다. SRU의 2차측은 보조 고압 급수펌프 및 보조 저압 급수펌프에 의하여 급수된다. 그 동안 가스순환기를 구동하는 배압터빈은 보조 보일러의 증기에 의하여 구동된다. 가스순환기에는 이를 구동하는 포니모터도 설치되어 있다.
6. 운전중의 연료교체
    연료교체는 운전증에 이루어진다. 새연료는 연료창고로부터 연료장전 준비실에 운반되어 8 개씩 매거진튜브에 장전된다. 연료교체기(C/M)는 매거진튜브를 집어 넣은후 원하는 스탠드파이프 위치까지 이동하여 원자로에 접속된다. C/M은 원자로와 압력을 같게 한 후 사용후연료를 노심으로부터 인출하고 새연료를 삽입한다(그림-1). 이때 새연료는 삽입 전에 예열되고 사용후연료는 인출 후 냉각된다.
    C/M으로부터 인출한 사용후연료는 사용후연료 분리실에서 흑연 슬리브와 카트리지로 분리되며, 흑연 슬리브는 분쇄되어 슬리브번커에 저장되고 카트리지는 사용후연료 냉각못으로 운반되어 그 곳에서 냉각된다.
7. 영국의 GCR
    영국의 실용 GCR은 1956년에 상업운전을 개시한 콜더홀 1호기 이후 1972년에 상업운전을 개시한 윌파(Wylfa) 2호기까지 총 26 기가 건설·운전되었다. 이중 6 기가 이미 폐쇄되었으며, 1996년 말 현재 운전중인 것은 표-1에 제시한 20 기이다. 그중 가장 최근에 운전을 개시하고 출력이 가장 큰(전기출력 565 MW) 윌파 2호기의 주요 설계항목을 표-3에 표시한다.
    영국의 원자력발전계획은 그 후 GCR에서 개량형 가스냉각로(AGR: Advanced Gas-cooled Reactor)로 옮겨지고 또한 가압수형로(PWR: Pressurized Water Reactor)로의 이행을 도모하고 있어 매그녹스로 GCR은 위의 윌파 2호기 이후 신규건설은 없다.
8. 영국 이외의 GCR
    흑연감속 탄산가스냉각형 원자로(GCR)는 천연우라늄을 연료로 사용할 수 있기 때문에 원자로 개발 초기에, 영국 이외에서도 개발·건조되었다. 그 주요국은 프랑스로서 1959년부터 1972년 사이에 8 기를 운전 개시하였으나 그 후 가압수형로(PWR)으로의 전면적 이행이 계획되어 1994년까지 위의 8 기는 모두 폐쇄되었으며 금후의 신설도 예정되어 있지 않다.
    기타국으로는 일본 이외에 이탈리아(영국형)와 스페인(프랑스형)에서 각각 1 기씩 건설·운전되었으나 이들도 오늘날까지 모두 폐쇄되었다.
    이들 폐쇄가 끝난 11 기와 영국의 폐쇄로 6 기를 합하여 표-2에 표시한다. 이외의 가스냉각로로서 프랑스의 마르쿨르 G1로가 있으나 이것은 공기냉각로이다.

그림 / 표
그림표 목록
표-1 운전중의 흑연감속 탄산가스냉각형 원자로(GCR)
표-2 폐쇄가 끝난 흑연감속 탄산가스냉각형 원자로(GCR)
표-3 윌파 2호기(GCR)의 주요설계항목
그림-1 도카이 발전소 건물단면도
그림-2 도카이 발전소 노심구조도
그림-3 도카이 발전소 원자로연료 구조
그림-4 도카이 발전소 원자로 제어봉장치 삽입도
그림-5 도카이 발전소의 비상용 CO2 주입 계통도
참고문헌
참고문헌
(1) 東海發電所設備의 解說 原電社內資料
(2) 原子力開發30年史編集委員會 : 日本原子力發電30年史, 日本原子力文化振興財團 (1989年 3月)
(3) 日本原子力産業會議: 世界의 原子力發電所 開發의 動向 1997年次報告 (1998年 5月)
(4) 藤井 晴雄, 森島 淳好: 詳細 原子力發電所 플랜트 데이터북 1994年版, 日本原子力情報센터 (1994年 8月)
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