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개량형 가스냉각로(AGR) 02-01-01-07
개요

    영국이 천연우라늄 연료를 사용하는 흑연감속 탄산가스냉각형의 소위 매그녹스로 다음 세대의 원자로로서 독자적으로 개발한 저농축우라늄을 사용하는 흑연감속·탄산가스냉각로는 개량형 가스냉각로(Advanced Gas-cooled Reactor:약칭 AGR)라고 불리며, 매그녹스로에 비하여 명백하게 개량된 성능을 나타냈으나 영국내에서 14 기, 합계 9240 MWe가 건설·운전되었을 뿐 1980년대 후반 이후 신규건설은 없었다. 여기서는 원자력개발사에서 일정한 역할을 다 한 AGR의 역사, 성능, 원자로구조, 안전성 등에 대하여 간단히 소개한다.

본문

1. 매그녹스로에서 개량형 가스냉각로로
    개량형 가스냉각로(Advanced Gas-cooled Reactor: 약칭 AGR)는 영국에서 매그녹스로의 후속로로서 개발되어 상용로로서 14기 가 건설·운전되었으나 결국 영국에서 밖에 사용되지 않았으며, 현재 운전중이면서 이 이상의 신설 예정이 없는 노형이다. 영국은 원자력개발의 초기부터 가스냉각 흑연감속로에 착안하여, 먼저 매그녹스로라고 불리는 천연우라늄을 연료로 하는 노형을 개발하여 실용화하였다. 일본의 상업용 원자력발전 제1호기인 일본원자력발전(주)의 도카이 발전소가 이에 해당한다. 매그녹스로가 선정된 이유는, 1950년대의 영국에서는 우라늄 농축 플랜트도 중수 농축 플랜트도 없었기 때문이라고 생각된다. 매그녹스로는 매그녹스라고 부르는 마그네슘 합금을 피복재로 사용한 금속우라늄을 연료로 하여, 흑연감속하에 천연우라늄의 사용을 가능하게 한 것인데 출력밀도를 높일 수 없어 원자로가 대형이 되었고, 탄산가스 냉각재의 출구온도도 약 3900C에 멈추어 열효율이 약 28%를 넘지 못하였다. 더욱이 연료의 연소도도 5,000 MWd/t 정도까지여서 경제성이 좋다고 말할 수 없었다.
    이 때문에 매그녹스로의 다음 세대 노형으로서 유사한 기술바탕 위에서 저농축우라늄을 사용하여 출력밀도와 열효율의 향상을 도모한 원자로의 개발로 방향을 바궜으며 1962년에 윈드스케일에서 운전을 개시한 30 MWe 실증로의 성공을 딛고 영국정부는 1964년에 차기의 원자력발전계획을 위하여 개량형 가스냉각로 AGR을 선택하는 결정을 내린 것이다.
2. 개량형 가스냉각로의 성능
    개량형 가스냉각로는 연료로서 외경 약 14.5 mm, 내경 약 5.1 mm의 중공형의 2산화우라늄 펠릿을 스테인레스강 피복관에 삽입하여 사용하고, 그 연료봉 36 개로 구성된 클러스터를 내경 약 190 mm의 흑연슬리브관 내에 수용한다. 한 연료 유니트의 길이는 약 1 m이다. 이 연료를 냉각하는 탄산가스는 원자로 출구온도 약 635 0C에 도달할 수 있으며 열효율은 약 42 %이다. 연료의 농축도는 연료클러스터의 내측부분과 외측부분에 차이를 두나 약 2.6∼3.3 %의 범위이며 인출연료의 평균연소도는 약 24,000 MWd/t가 된다. 이들 값은 매그녹스로의 값보다 한층 향상된 것으며, 노심의 출력밀도가 높아진 점을 두고 개량형 가스냉각로라고 부르게되었다. 또한 연료채널은 수직방향이며 332 개의 각채널중에 위의 연료유니트가 8 개씩 수용되며 노의 상부로부터 운전중에 연료를 교환하게 된다.
3. 개량형 가스냉각로 발전소의 전개
    개량형 가스냉각로 AGR의 상용 유니트의 크기는 660 MWe로 표준화되어, 이를 2 기씩 한 발전소에 건설해 나가는 계획으로 실행되었다. 최초로 건설을 시작한 것은 단지네스B 발전소(1965년 착공)이며, 다음에 약 2년 늦게 힌클레이 포인트B 발전소가 이어졌다. 단지네스B는 건설이 먼저 이루어졌으나 선행로의 숙명 때문인지 공학적 난제가 다수 나타나 안전상의 요청에 따라 변경이 계속되었으며, 낮은 생산성과 파업 등의 영향도 있어 1980년에 운전을 개시하였다. 첫 호기가 1976년에 운전을 개시한 힌클레이 포인트B보다 지연된 것이다(문헌-1).
    그 후 힌클레이 포인트B와 같은 설계로 건설된 헌터스톤B 발전소가 이어 운전을 개시하고, 이후 1980년대에 들어서 하틀풀 발전소, 헤이샴A, 헤이샴B 발전소로 이어 1986년에 운전을 개시한 토네스 발전소까지 이어졌으나 여기서 AGR의 건설은 끝났다. 이들 14 기, 합계 9240 MWe의 AGR의 개략적 사양을 문헌-1에 근거하여 표-1 제시한다. 여기서 알 수 있는 바와 같이 단네스B의 2 기를 제외한 나머지 12 기는 4기 씩 공통설계가 되고 있다. 여기서 최후에 운전을 개시한 토네스 2호기의 주요제원을 문헌-2에 근거하여 표-2에 제시한다.
    위의 AGR 발전소의 개발후 영국에서는 이에 이어지는 세대의 노형으로, 윈프리스(Winfrith)에서 100 MWe 원형로로서 순조롭게 운전된 증기발생형 중수로(SGHWR)를 채용할 것을 일시 결정하였으나 경제성 등의 이유로 보류된 후 논의 끝에 가압수형로(PWR)로 결정하게 되었다. 이 PWR 1호기는 사이즈웰B 발전소(1260MWe)로서 1995년에 운전이 개시되었으나 그 후 영국은 원자력발전소 그 자체의 신설계획이 중단되어 지금으로서는 PWR는 1 기에 끝이고 있다. 그래서 상기 9240 MWe의 AGR이 담당하는 역할은 크다. 그 평균 설비이용률은 1991년까지는 충분하지 않았으나 1993년 이후는 70 %전후를 유지하고 있다(문헌-3).
4. AGR 플랜트의 구조
    AGR 플랜트는 일체화 구조라는 방식을 취하고 있다. 이것은 노심을 포함한 원자로용기, 40 기압이상의 탄산가스를 순환시키는 4 대의 순환기와 배관계통 및 12기 의 증기발생기 등의 1차계통을 일체로 하여 콘크리트제 압력용기(강제라이너 설치)에 수용하는 방식이다. 배관계통에는 대구경 외부배관이 없어 그 파단사고를 고려하지 않아도 된다는 이점이 있다.
    노심은 흑연을 블럭 모양으로 쌓아 올린 것 중에 수직으로 332 개의 연료채널(이하를 포함하여 토네스 2호기의 수치)이 있으며, 연료채널 중에는 2항에서 기술한 약 1 m길이의 연료유니트를 8 단으로 쌓아 올려지고 있으며, 노심 유효높이는 약 8.3 m, 등가직경은 약 9.3 m이다. 냉각재 가스의 흐름은 연료에 따라서 상승류이며, 흑연의 냉각을 위한 일부의 흐름과 증기발생기 내의 흐름은 하향류이다. 제어봉은 노심의 상부로부터 연료채널을 둘러 쌓은 흑연블럭의 틈새로 삽입되도록 되어 있다. 원자로의 구조 및 흑연로심의 구조를 각각 그림-1그림-2에 제시한다. 증기발생기는 증발기와 과열기를 분리하지 않은 관류식의 단순한 구조이며 약 160 기압, 약 540 0C의 과열증기가 얻어진다. AGR는 가스냉각이기 때문에 액체상 및 고체상의 방사성폐기물의 발생이 적은 이점이 있으나 노심 내에서 탄산가스가 흑연과 반응하여 생기는 일산화탄소를 산소에 의하여 산화시키는 재결합기를 포함한 가스처리계통이 필요하다. 또 냉각재 가스중에 아르곤-41 및 입자상의 방사성 물질을 포함하나 그 양은 그리 많지 않다.
5. AGR의 안전성
    AGR는 가스냉각이기 때문에 원자로냉각재 상실사고에 상당하는 사고는 없으며 최악의 사태라도 탄산가스의 압력이 대기압까지 내려갈 뿐이며 흐름과 온도는 불연속으로 변하지 않는다. 이 대기압(운전시의 약 2.5%)의 냉각재에 대하여 연료의 잔류열도 수 분 안에 2.5 % 이하로 낮아지므로 순환이 유지되는 한 열제거에 관한 문제는 일어나지 않는다. 다만 감압시 여분의 공기의 친입을 막기 위한 탄산가스 주입설비를 두고 있다. 또 노심은 열용량이 큰 여러 층의 흑연블럭으로 되어 있어 온도변화가 완만해지는 이점이 있다. 탄산가스는 화학적으로 불활성이어서 연료나 피복관과 발열반응을 일으키는 일은 없다. 또 상변화와 발화도 일어나지 않으며, 특히 가혹한 사고를 가정하여도 용융된 연료와의 상호작용으로 냉각재가 급격한 변화를 일으킬 염려는 없다.
    연속적으로 연료가 교환되므로 노심의 잉여반응도를 크게 갖도록 할 필요는 없으며, 반응도 사고의 염려도 없다. 보이드계수에 상당하는 것은 없으며 냉각재의 온도나 압력의 변화에 의한 반응도의 변화도 근소하다. 노심 전체의 온도가 서서히 상승하는 경우 흑연감속재가 약간의 양의 반응도계수를 가지나 즉발적인 연료의 도플러반응도계수가 음이기 때문에 과도변화에 대한 실질적인 반응도 온도계수는 음이 되어 문제가 생기지 않는다.
6. 기타
    AGR의 사용후연료 중에는 0.8 % 정도의 플루토늄(Pu)이 포함되어 있으나, 현재 영국은 매그녹스로의 사용후연료는 재처리하고 있으나 AGR의 사용후연료의 재처리는 고려하고 있지 않다. 매그녹스 연료를 재처리하는 것은 피복재나 금속연료가 장기간 안정을 유지할 수 없기 때문이며, AGR에서는 그런 염려가 없어 재처리를 서두를 필요가 없다.
    또한 영국에서는 매그녹스 연료로부터 추출된 Pu의 이용은 계획되어 있지 않다. 다만 1962년에 실시되었고, 1994년에 그 일부가 미국 에너지성으로부터 발표된 "원자로급 Pu를 사용한 핵폭발의 가능"이라는 실험에는 "쉘라필드(Sellafield)의 콜더홀로에서 영국원자력공사(UKAEA)가 시행한 군사작업으로부터 얻어진 Pu"를 사용하였다고 알려져 있다(문헌-4). 이 폭발실험이 "원자로급 Pu도 위험"하다는 것의 근거가 되고 있다. 물론 상용 경수로발전소의 사용후연료중의 Pu과 AGR의 사용후연료중의 Pu과는 동위체 조성이 상당히 틀리는 것으로 보인다. 그러나 상기 실험의 상세한 진상은 발표되어 있지 않다.

그림 / 표
그림표 목록
표-1 개량형 가스냉각로(AGR) 발전소
표-2 토네스 2호기의 주요제원
그림-1 힌클레이 AGR의 단면
그림-2 힌클레이 AGR 흑연로심의 구조
참고문헌
참고문헌
(1) W. Marshall(編), 住田健二(譯): 原子爐技術의 發展[上], 築摩書房, pp. 195-226, (1985年 9月).
(2) 藤井晴雄, 森島淳好: 原子力發電플랜트 데이터북, 1994年版, 日本原子力情報센터, p. 553, (1994年 8月).
(3) 日本原子力産業會議: 原子力포켓북, 1997年版, pp. 137-139, (1997年 5月).
(4) 英國 Financial Times, p. 5, (1994年 6月)
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