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가압수형 원자로(PWR) 02-01-01-02
개요

    가압수형 원자로(PWR)는 경수를 감속재 및 냉각재로 사용하고 이것을 높은 압력으로
가압하여 노심유로 전체에 걸쳐 액상을 이루는 1차냉각계통(1차계통)과 이
1차계통과의 열교환을 증기발생기에서 이루어 터빈발전기로 공급하는 증기를 발생하는
증기계통(2차계통)으로 구성된 원자로이다. 중성자의 감속이 노심전역에서 잘 되며
핵반응의 제어에 Chemical Shim(1차냉각수중의 붕소농도제어)을 이용할 수 있기
때문에 출력의 공간분포 평탄화가 용이하여 컴팩트한 원자로가 된다. 또 1차계통과
2차계통이 분리되어 있기 때문에 방사선관리가 용이해 진다.


본문

1. 원자로출력의 제어
    PWR은 원자로냉각재(1차냉각재)를 157 kg/cm2의 높은 압력으로 가압하여 유로의 전
길이에 걸쳐 액상을 유지하는 원자로이다. 출력에 변동이 있어도 원자로냉각재인
경수의 최고온도가 320 oC로서 미포화이기 때문에 노심은 비등을 일으키지 않고
액상을 유지하고 있다. 이를 위해 중성자는 전 노심에 걸쳐 잘 감속되며 제어봉
비교적 조밀하게 배치할 필요가 있다. 출력제어에는 제어봉 외에 Chemical Shim제어를
병용하고 있다. "Chemical Shim 제어"라 함은 붕산과 같은 용해성의 중성자흡수재
냉각재 중에 용해하여 제어에 사용하는 것을 말한다. Chemical Shim제어를
사용함으로써 출력의 공간분포를 평탄화하여 노심평균에 대한 최대출력밀도비를 작게 한다.
    연료봉 내에 발생한 열은 1차냉각재로 전달된다. PWR에서는 비(非)비등영역의
열전달을 이용하고 있다. 전열면의 경막온도차와 열유속의 관계는 많은 실험에서
얻어지고 있다. 천이비등영역에서는 열전달이 저하하여 연료피복재를 소손(燒損)할
우려가 있기 때문에 운전중은 물론 1차냉각재펌프의 트립(정지) 등의 과도상태를
포함하여 천이비등영역에 이르지 않도록 연료봉의 단위길이당의 발열량을 제한하고 있다.
    PWR발전소 주요계통의 개요를 그림-1에 보여준다. 노심에서 발생한 열을 효율적으로
수송하기 위해 1차계냉각재를 1차냉각재펌프에 의해 강제적으로 순환시킨다.
원자로용기를 나온 1차냉각재는 증기발생기로 흘러가 2차측에 열을 전달하고
터빈발전기를 구동하는 증기를 발생시킨 후 1차냉각재펌프에 의해 원자로용기로
되돌아 온다.
    1차냉각재의 순환루프 수는 원자로출력에 따라 증가되고 있다. PWR에서는
원자로(1차냉각재)압력은 가압기에 의해 일정하게 제어된다. 가압기는 온도의 변동에
따라 1차냉각재의 팽창·수축을 원활히 하고 원자로압력을 일정하게 유지하는 기능도
가지고 있다.
    원자로와 터빈발전기와의 운전에서 중요한 것은 원자로의 출력이 터빈의 부하에
추종하는 것이다. PWR의 부하추종에서는 원자로의 출력이 감속재의 음의 온도계수에
의존하여 변화하는 것을 이용하고 있다. 터빈의 부하가 증가하여 증기발생기의
증기량이 증가하면 원자로냉각수(1차냉각재)의 입구온도가 내려가 양의 반응도
첨가되어 원자로의 출력이 증가한다.
    부하변동이 작은 범위에서는 이와 같이 하여 원자로출력은 자동적으로 조정된다.
부하변동폭이 커지면 비로서 제어봉을 움직여 원자로출력을 증감시킨다. 즉 PWR에서는
"Turbine·Master/Reactor·Slave(부하추종)"의 제어방식을 채택하고 있다.
2. 원자로의 구조
    다음에 1,100 MWe급의 4 루프 PWR을 중심으로 원자로압력용기 내의 주요구조를
설명한다(그림-2). 원자로(압력)용기 내에는 연료집합체와 제어봉으로 구성된 노심을
중심으로 하여 노심 상부에는 제어봉 클러스터안내관, 제어봉구동장치 등이 있고
노심주위에는 노심배플 열차폐체 등이 있다.
    연료집합체는 예를 들면 17×17의 정방배열을 형성한 연료봉 264 개, 노내계장용
안내팀블 1 개, 제어봉안내팀블 24 개, 지지격자 9 개, 상부노즐 및 하부노즐로
구성되어 있다. 연료봉은 저농축2산화우라늄의 소결펠릿을 지르칼로이-4 피복관에
삽입하고 상부에 스테인레스강 스프링을 넣어 헬륨을 가압봉입하여 양단을
지르칼로이-4 플러그로 용접한 밀봉구조의 것이다(그림-3).
    연료봉은 연료봉내 상부에 플레넘을 두고 또한 펠릿과 피복관에 적당한 간극을 두어
펠릿에서 방출되는 핵분열생성가스, 피복관과 펠릿의 팽창차, 또 연소에 따른
연료밀도변화에 의해 피복관과 플러그용접부에 과대한 응력이 가해지는 것을 방지하는
구조로 되어 있다.
    제어봉에는 24 개의 흡수봉을 상부에 다발로 하여 다 함께 움직이는 클러스터방식이
채용되고 있다. 중성자흡수재로서는 Ag-In-Cd합금이 사용되고 있다.
    제어봉구동장치는 ratch식 자기jack구동방식의 것과 전동기구동 스크류방식의 것이
있다. 그림-4에 보여주고 있는 것은 ratch식 자기jack구동방식의 것이며 3 종류의
작동코일을 연속적으로 여자(勵磁)와 소자(消磁)를 되풀이 하여 제어봉을 이동시키는
것이다. 반응도제어로서는 제어봉 외에 붕산수에 의한 제어인 "chemical shim"도
채용하고 있다.
    원자로에서 이상이 발생 또는 발생의 우려가 있는 경우 전 코일이 소자하여 제어봉이
중력으로 노심 내에 일제히 삽입되어 원자로는 자동정지된다(원자로스크램이며
PWR에서는 원자로트립이라고 부르고 있음).
3. 공학적안전계통
    원자로 1차계통의 배관 등에 만일 파단사고가 발생하여 노심의 냉각수가 상실하는
경우를 상정하여 연료의 파손을 방지하기 위해 비상노심냉각계통(ECCS)을 설치하고
있다. 이 계통은 어큐뮬레이터(accumulator), 고압주입계통 및 저압주입계통으로
구성되어 있다(그림-1).
    한편 유출된 고온고압의 원자로냉각수에는 방사성물질이 함유되어 있음을 상정하여
이것을 외부로 유출시키지 않도록 원자로격납용기를 설치하고 있다. PWR의
격납용기에는 원자로용기를 비롯하여 원자로냉각계통의 기기와 이것에 접속되어 있는
공학적안전방호설비가 격납되어 있다.
    사고 후 연료의 붕괴열에 의해 격납용기 내의 온도·압력이 상승한다. 격납용기 내를
냉각하고 온도·압력을 저하시키는 동시에 부유하고 있는 요드 등 방사성물질
제거하기 위하여 격납용기의 상부로부터 냉각수를 살수하는 격납용기살수계통을
설치하고 있다(
그림-1).
    또한 격납용기로부터 누설된 방사성물질이 외부로 방산하는 것을 방지하기 위해
격납용기의 원통부에 애뉼러스(annulus)부를 두어 이 공간의 공기를 송풍기에 의해
애뉼러스공기정화계통으로 유도하여 처리한다.
4. 연료취급설비
    일정기간 운전 후 발전소는 정기검사를 위해 정지한다. 이 정기검사와 병행하여
연료를 교체한다. 연료교체조작은 원자로의 운전을 정지하고 원자로의 냉각수의
온도를 내린 후 원자로용기의 윗 덮개를 벗기고 원자로캐비티 내에 물을 충만하고
수면하에 노심을 볼 수 있는 상태로 하여 수중에서 실시한다. 연료교체에는
연료교체크레인과 연료이송장치를 사용한다(그림-5).


그림 / 표
그림표 목록
표-1 각국의 가스냉각중수로 주요사양
표-2 각국의 원자로폐지조치 실시예에서 볼수 있는 가스냉각중수로
그림-1 PWR 연료집합체 구조도
그림-2 제어봉구동장치 설명도
그림-3 PWR의 연료취급설비
참고문헌
참고문헌
(1) (일본) 通商産業省 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, 電力新報社 (1997年8月)
(2) (일본) 原子力安全硏究協會(編): 알기 쉬운 原子力發電, 原子力安全硏究協會 (1990年6月)
(3) (일본) 原子力安全硏究協會(編): 輕水爐發電所의 개요(改訂版), 原子力安全硏究協會 (1992年10月)
(4) (일본) 火力原子力發電技術協會(編): 原子爐講座, 火力原子力發電技術協會 (1979年5月)
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