현재위치
HOME 원자력백과
캐나다형 중수로(CANDU) 02-01-01-05
개요

    캐나다는 제2차 세계대전후 독자적으로 천연우라늄을 이용한 중수로의 개발에 착수, 중수감속 중수냉각 압력관형로(CANDU)를 완성하였다. 이 원자로의 특징은, 가로 놓인 압력관형의 구조와 길이가 짧은 연료의 이점을 살려, 운전중 연료를 교환하는 방식의 채용함으로써 천연우라늄을 매우 효율적으로 연소시키는 데 있다. 캐나다에서는 실용로로서 이미 1960년대부터 표준연료에 의한 대규모 개발을 하고 있으며, 1999년 현재 캐나다에서 운전중인 것이 22기, 약 15,795 MWe에 달하고 있다. 또 해외 수개국에도 수출하고 있다. 세계에서는 운전중인 것이 35기, 건설중의 것이 12기, 그리고 계획중의 것이 12기이다. 한국은 1973년에 이 노형의 발전소를 캐나다로부터 도입할 것을 결정, 1976년에 건설을 시작하여 1983년에 완성, 1984년부터 상업운전에 들어 갔다. 이것이 월성 1호기이다. 1990년대에 들어와 후속기의 건설을 추진하여 현재 월성 2, 3, 4호기가 완성, 운전중에 있다.

본문

1. 개발의 경위
    CANDU는 Canadian Deuterium Uranium의 약어로서 캐나다가 독자적으로 개발한 중수감속, 중수냉각의 가로 놓인 압력관형 원자로를 뜻한다. 캐나다는 제2차 세계대전후의 원자력개발에 즈음하여 캐나다에서 풍부하게 생산되는 천연우라늄을 직접 연료로 이용하는 중수로의 자주개발노선을 선택하였다.
    1945년 영출력 실험로의 초기임계에서 출발하여 NRX원자로(1947년 임계)와 NRU원자로(1957년 임계)라는 연구실험용 원자로를 개발하고, 이어 전기출력 25 MW의 동력시험로 NPD2(1962년 최초 발전)의 건설을 추진하였다.
  이 NPD2의 성공으로 발전용원자로서의 기술적 가능성을 실증함으로써 CANDU의 설계개념인 천연우라늄, 중수감속, 중수냉각, 가로 놓인 압력관방식을 확립하였으며, 전기출력 220 MW의 더글라스 포인트(Douglas Point) 발전소의 건설에 착수, 1967년에 100%출력을 달성하였다. NPD2 및 더글라스 포인트 발전소의 설계·운전을 토대로 캐나다는 연이어 상용 CANDU 발전소의 개발을 추진하여 큰 성과를 얻었다.
2. 현황
    현재 세계에서 운전 및 건설중인 CANDU형 발전소를 표-1에, 건설일정을 표-2에 표시한다.
    캐나다에서 최초로 상용 CANDU형 발전소의 개발에 착수한 온타리오 하이드로(Ontario Hydro)사는 더글라스 포인트 발전소의 운전경험을 가지고 동일설계의 발전소 4기를 하나의 발전소 단위로 하는 방식을 채용하였다. 1971년 이후 피커링(Pickering) 발전소 (542 MWe×4), 브루스(Bruce) 발전소(904 MWe×4)를 이어서 완성, 운전하였다. 또 규모가 작은 하이드로 퀘벡(Hydro Quebec)사 및 브런스빅(Brunswick)전력에서는 젠틸리-2(Gentilly-2) 발전소(675 MWe), 포인트 루프로-1(Point Lepreau-1) 발전소(680 MWe)를 건설, 운전하고 있다.
    브루스 발전소에서는 전력공급뿐만 아니라 그 발생증기를 동사가 운영하는 중수제조공장과 발전소에 인접한 부지에 마련한 산업단지(토마토 온실재배, 에탄올 제조공장 등)에 공급하고 있다. 또 피커링, 브루스의 양 발전소에서는 세계시장의 70∼80 %를 점유하는 Cobalt-60을 생산하고 있다.
    CANDU를 개발해 온 캐나다원자력공사(AECL)는 새로운 시장개척을 목표로 출력 450 MWe급의 CANDU-3이라는 중소형로를 개발하고 있다. 이 CANDU-3로는 종래의 CANDU 기술을 기초로 철저한 설계의 합리화, 새로운 건설공법의 채용 등으로 건설비를 낮추어 CANDU-6로와 동등한 경제성을 달성하는 것을 목표로 개발하고 있다. 또한 AECL은 미국에 판매할 목적으로 미국원자력규제위원회(NRC)로부터 설계인증취득을 위한 심사를 받고 있었으나 1995년 3월에 심사에 소요되는 비용이 높다는 이유로 무기한 작업정지를 신청하였다.
    1996년 12월말 현재 캐나다에서의 CANDU형로는 운전중인 21기(1기는 정지중)의 전력용량이 15,790 MWe에 달하고 있다. 또 세계에서는 운전중인 것이 35기, 건설중인 것이 12기 있으며 계획중인 것이 12기 있다. 해외에는 조기단계부터 수출을 하고 있으며, 파키스탄, 인도, 아르헨티나, 한국 등에서 운전되고 있다. 캐나다의 원조하에 루마니아에서도 건설되어 1996년 12월에 상업운전을 개시하였다. 중국에서는 계획중이다.
(이하 추가 저술, 2000-03, 차종희)
    한국에서는 1973년에 정책적으로 연료의 다변화라는 명분 아래 CANDU로 1기의 도입을 결정하여 1976년 5월부터 경상북도 월성 부지에서 건설에 착수하여 1983년 4월에 임계에 도달, 1984년부터 상업운전을 개시하였다. 이것이 시설용량 678 MWe의 월성 1호기이다. 1990년대에 들어서 후속기의 도입이 추진되어 월성 2호기가 1997년에, 월성 3호기가 1998년에, 그리고 월성 4호기가 1999년에 각각 완성, 운전에 들어갔다. 이들은 모두 650 MWe 용량이다. 월성 2호기부터의 설계는 캐나다의 AECL과 한국전력기술(주)이 공동으로 수행하였으며, 기기공급(부분)은 한국중공업(주)이, 그리고 건설은 현대건설 및 동아건설이 수행하였다(이상 추가 저술).
3. CANDU형 발전로의 개요
    CANDU형 발전로의 플랜트 개요도를 그림-1에 표시한다.
    원자로 본체는 가로 놓인 압력관형으로 캘란드리아(Calandria)라고 부르는 가로 놓인 원통쉘·튜브구조의 본체와 다수의 압력관, 반응도제어장치(제어봉 등)로 구성되어 있다(그림-2 참조). 캘란드리아를 구성하는 캘란드리아 탱크의 내부에는 감속재중수가 충만되어 있으며, 캘란드리아 탱크의 양관판(兩管板)을 연결하여 수평으로 정사각형 피치로 배열된 캘란드리아관 안에 압력관이 수용되어 있으며, 그 안에 연료가 장전된다. 이 캘란드리아 구조의 채용에 의하여 감속재와 1차 냉각재는 완전히 분리된다. 캘란드리아관 및 압력관의 재료는 중성자의 흡수를 적게 하기 위하여 각각 지르칼로이-2, 지르코늄·나이오븀(Nb)합금이 사용되고 있다. 캘란드리아관과 압력관사이에는 간극을 유지하기 위하여 스페이서가 삽입되어 있고 열절연을 위하여 탄산가스가 충전되어 있다.
    원자로 제어장치에는 통상의 운전, 정지에 사용하는 반응도제어계통 외에 긴급정지용으로 독립된 2계통(정지봉 및 감속재내 중성자 독물질 급속주입계통)이 있으며, 이들은 모두가 상온, 상압상태에 가까운 감속재영역에 설치되어 있어 작동의 신뢰성을 높혀 주고 있다. 원자로에서 발생한 열을 제거하는 1차 냉각계통은 노심의 압력관군을 2군으로 나누어 각각이 독립된 2 루프로 되어 있으며, 각 루프는 증기발생기 2기, 1차냉각재펌프 2기 및 이들과 압력관군을 연결하는 배관계통에 의하여 압력관내의 냉각재의 흐름이 인접 압력관과 서로 역방향이 되도록 "8자"루프형으로 접속된다(그림-3 참조). 이 방식의 채용으로 1차냉각계통 기기, 배관의 합리적 배치 및 중수장전량의 최소화가 가능하게 되었으며, 동시에 노심의 열적 균형도 좋게 할 수 있다.
    연료집합체는 짧은 연료봉(길이 약 50cm)이 다층동심원상으로 배열되어(초기는 28개봉, 후에는 37개봉), 그 양단은 엔드 서포트 플레이트(end support plate)에 용접된 간단한 구조이다. 연료봉은 천연우라늄산화물 펠릿을 엷은 두께의 지르칼로이-4 피복관에 봉입한 것이며, 피복관 안쪽을 흑연코팅(CANLUB)을 한 연료를 개발하여 운전중 연료교환시의 급격한 출력변화에도 견딜 수 있도록 하였다. CANDU형 발전로의 주요 특징을 다음에 들어 보기로 한다.
  (1) 운전중 연료교환방식은 노심의 양측에 접근한 2대의 연료교환기가 압력관의 한쪽으로 새연료를 삽입하고 다른쪽에서 받도록 한 것이다. 1회의 조작으로 압력관내에 직렬로 장전된 모두 12개의 연료집합체의 2/3인 8개가 교환된다. 1차 냉각재의 흐름과 마찬가지로, 연료의 삽입, 인출방향이 인접 압력관에서의 방향과 역이 되므로, 노심은 항상 전영역에 걸쳐 새연료, 연소 중기 및 말기의 연료가 혼재하여 균질화된 상태가 됨으로써 원자로는 약간의 잉여반응도만으로 운전이 가능하다. 중성자의 낭비가 없어지고 천연우라늄을 매우 효율적으로 연소시킬 수 있다. 또 다른 원자로에서와 같은 운전정지시의 연료교환에
다른 발전소가동률의 저하도 없어진다.
  (2) 만일 압력관에 1차냉각재의 누설이 발생하여도 캘란드리아와의 간격에 있는 탄산가스층에서 즉시 검출되어 그 압력관만을 교환할 수 있다. 또 파손연료가 발생하였을 때 압력관 단위로 검출할 수 있어, 곧 이를 들어내어 1차냉각계통을 깨끗이 유지할 수 있다.
  (3) 압력용기형과 달리 1차냉각재의 보유량이 적다. 따라서 1차 낸각계통배관 파단사고시의 방출에너지도 적고 원자로 격납용기의 부담도 가벼워진다.
  (4) 1차냉각계통은 경수로와 달리 냉각재를 수처리하고, 기기, 배관의 재료로 스테인레스강보다 값싼 탄소강을 쓰고 있다.
  (5) CANDU로의 경우, 연료나 압력관의 설계를 변경하지 않고 압력과의 개수를 증가하는 것 만으로 쉽게 출력을 높일 수 있다. 930 MWe급의 발전소는 건설중에 있으며, 1100 MWe급의 설계도 추진하고 있다. 또한 CANDU로는, 0.9∼1.3 %정도의 저농축우라늄 또는 플루토늄 혼합산화물 연료를 사용하는 경우, 원자로의 설비를 변경하지 않고도 연소시킬 수 있으며, 연료의 이용효율은 30 %정도 개선된다. 또 우라늄-235는 감손우라늄 농도까지 연소시킬 수 있다.

그림 / 표
그림표 목록
표-1 CANDU형 원자력발전소 일람
표-2 CANDU형 원자력발전소의 건설일정
그림-1 CANDU형 발전로의 플랜트 전체개념도
그림-2 CANDU형 발전로(Pickering-1)의 원자로 본체 구조도
그림-3 CANDU형 발전로(Pickering-1)의 원자로 냉각계통도
참고문헌
참고문헌
(1) 原子力資料 No.110, 日本原子力産業會議 (昭和54年)
(2) AECL: CANDU Nuclear Power System, (1981)
(3) Proceedings of the 9th JUICE Meeting on Heavy Water Reactors, (1982)
(4) (日本)電源開發株式會社: CANDU爐의 槪要, (昭和60年)
(5) 日本原子力産業會議(編): 世界의 原子力開發의 動向 1996年次報告, pp. 51-53, (1997年 4月)
(6) (日本)資源에너지廳公益事業部原子力發電課(編): 原子力發電便覽 1997年版, pp. 520-524, 電力新報社 (1997年 8月)
(7) IAEA(編): Directory of Nuclear Reactors Vol. 11, Power Reactors, pp. 123-124, (1971)
(8) 日本原子力産業會議(編): 原子力年鑑 平成8年版, 平成8年 10月
(9) (日本)原産만스리, No. 22, 16 (1997. 8)
페이지 버튼
기능버튼아이콘