원자력 1차계통 - 핵증기공급계통, 원자로냉각재 계통

핵증기공급계통은 NSSS라고 불리며, 원자로와 원자로냉각재계통, 화학 및 체적제어 시스템, 안전 주입 계통 등으로 이루어져 있습니다. 원자로냉각재계통은 원자로, 가압기, 원자로냉각재 펌프, 연결배관, 증기 발생기, 여러 중요 안전밸브 등으로 이루어져 있습니다. 계통의 구성 및 각 기기의 역할에 대해 살펴보도록 하겠습니다. 

 

원자로냉각재계통

핵증기공급계통 및 원자로 냉각재 계통 

계통의 주요 기기는 원자로, 주요 배관, 가압기, 원자로냉각재 펌프, 증기발생기 등으로 구성되어 있습니다. 모든 기기는 Containment (콘크리트 건물) 내부에 있습니다. Chemical and Control Volume System, Safety Injection, Shutdown Cooling System 등도 핵증기 공급계통에 해당합니다. 

 

원자로 냉각재 계통 기능

원자로에서 발생한 에너지를 증기 발생기로 전달하여 증기터빈을 돌릴 수 있는 증기를 생산하는 역할을 합니다. 원자로 내의 방사능 물질의 외부로 방출되는 것을 방지하는 하나의 물리적 방벽 역할도 수행합니다. 정상운전동안 냉각 역할을 수행합니다. 과도 상태에서도 냉각 역할을 도우며, 노심 손상을 방지할 수 있는 역할을 수행합니다.

 

그 밖의 계통 기능 

Chemical and Control Volume System은 붕산 농도를 제어하여, 반응도를 조절할 수 있으며, 일반적인 누수 시 보충수를 제공하는 역할도 수행합니다. Safety Injection System 은 사고 발생 시, 별도의 물을 추가적으로 원자로에 집어넣을 수 있으며, 감압계통과 연결되어 있습니다. Shutdown Cooling System은 정상운전 시에도 기동 및 정지 시 냉각 기능을 수행하며, 사고 발생 시에도 냉각 기능을 수행합니다.  

 

주요 구성 기기

원자로 및 원자로 용기

원자로 용기는 핵연료를 수용하는 역할을 합니다. 이곳에서 핵연료는 일반적으로 연료로 사용되는 우라늄 혹은 플루토늄과 같은 핵연료가 배치됩니다. 원자로 용기는 핵 사이에서 내에서 발생하는 열, 압력, 및 방사선에 견디기 위한 강력한 구조를 가지고 있어야 하며, 탄소강 합금 재질로 이루어져 있습니다. 부식을 방지하기 위해 별도 스테인리스로 라이닝 처리합니다. 원자로 용기는 핵반응을 통제하고 조절하는 데 사용됩니다. 제어봉이나 다른 제어 장치를 통해 핵연료의 분열 정도를 조절함으로써 원하는 열 및 출력을 관리합니다. 핵연료에서 발생하는 방사선을 효과적으로 차단하고 격리하여 주변 환경 및 운영자에게 안전한 환경을 제공하는 물리적 방벽 역할도 수행하고 있습니다. 물은 아주 훌륭한 차폐제로 내부의 물 및 용기는 차폐 역할을 수행합니다.  증기발생기에서 2차 측으로 열을 공급하고 난 뒤의 상대적으로 차가운 물이 원자로로 공급되며, 핵분열로 생성되는 에너지에 의해 높은 온도로 덮인 물이 원자로에서 배출됩니다. 냉각재 펌프가 기능을 상실하더라도 순환이 가능하도록 증기발생기와 위치차를 두고 설계되는 것이 일반적입니다.

 

 

가압기 (Pressurizer)

가압기는 실린더형 압력용기로서 원자로 냉각재 계통의 압력을 조절하는 것이 가장 주요한 역할입니다. 가열 또는 냉각을 통해 냉각재 계통의 체적을 조절함으로써, 내부 압력을 조절하는 역할을 수행합니다. 상부에는 압력방출밸브가 설치되어 있고, 내부에 전열기가 설치되어 있어 가압기 내에 온도 및 압력을 조절합니다. 상부에 있는 압력 방출밸브는 여러 개로 설치되어 있으며, 원자력 발전소에서 가장 중요한 밸브 중에 하나입니다. 

 

증기 발생기 (Steam Generator)

증기발생기는 유튜브형 열교환기입니다. CE Type, Westinghouse Type 등 다양한 타입이 있습니다.  1차 측 냉각수와 2차 급수가 흐르면서 서로 열교환이 이루어집니다. 1차 측에서는 핵분열 에너지를 쿨링해 주는 역할을 하며, 2차 측에선 차 측에선 급수를 공급받아 증기를 발생시키는 역할을 하며, 1차 측과  2차 측의 경계입니다. 증기발생기를 통과한 증기는 약간의 과열증기이거나 포화증기이며 노형마다 조건은 조금씩 다르지만, 대부분 터빈 입구 측 습분 함량을 0.25% 이내로 제한합니다. 터빈으로 들어가는 증기에 습분 함량이 높으면 터빈이 손상될 수 있기 때문입니다. 

 

 

원자로 냉각재 펌프

원자로 냉각재 펌프는 원심펌프로 Vertical Type에 단단식입니다. 기동 시에는 냉각재를 가열하는 역할을 수행하며, 정상 운전 중에는 강제순환력을 제공합니다. 원자로 냉각재 펌프가 운전되지 않더라도 원자로 냉각재 계통은 자연순환으로 유동이 흐를 수 있도록 설계되어 있습니다. 

 

이상으로, 원자력 1차 계통과 그에 속하는 핵증기공급계통, 원자로냉각재 계통에 대해 알아보았습니다. 가장 중요한 계통인 만큼 잘 알아 두시면 좋습니다.