현재 기술적및 경제적으로 입증된 동력로로는 미국에서 연구개발된 비등수형 원자로(BWR)와 가압수형 원자로(PWR), 그리고 카나다에서 개발된 중수감속 비등경 수냉각로(CANDU-BLW)등 사종을 들 수 있다. 1970년대 중기에는 한국에서도 최초의 원자력발전소가 가동될 전망이므로 상기 제종의 기술성, 경제성, 안정성등을 조사연구해야 될 것이다. 우선 지면관계로 가장 우리의 흥미를 끄는 PWR에 대하여 그 기술적 개발현황과 앞으로의 전망에 관하여 분석 검토코저 한다.
가압중수형 원자로의 원자로건물내 주중기관 파단사고는 냉각재 상실사고와는 달리 핵연료 건전성이 유지됨에도 불구하고 파단 부위를 통한 과도한 중기 방출에 따른 일차측 급냉 및 감압에 의하여 경수를 수원으로 사용하는 비상노심냉각 계통(Emergency Core Cooling System:ECCS)의 작동으로 인하여 일차측 중수의 규정농도가 규정치 98% 이하로 저하되어 교체 또는 승급을 요하는 막대한 경제적 손실을 초래 할 수 있다. 원자로건물내 주중기관 파단사고시 비상노심냉각계통의 작동을 방지 또는 지연시키기 위한 운전기법으로 이차측 급수의 차단을 고려하였다. 주증기관 파단크기 50% 이하 범위에서는 원자로 정지후 급수 차단을 통해 비상노심냉각계통 작동을 막을 수 있음이 평가되었다.
신형경수로의 설계 대안으로서 기존 가압경수로와 가압중수로의 단점들을 극복하고, 장점들을 채택한 새로운 중수감속 경수로의 노심 설계를 제안하였다. 기존 가압중수로의 압력관내에 경수를 냉각제로 순환시키며 중수를 감속재로서 압력관 외부에 배치하였으며, 핵연료로서 농축우라늄을 사용하는 설계 개념은 많은 설계 장점을 갖는다. 본 연구에서는 시스템은 기존 CANDU의 설계를 입증기술로서 가능한 그대로 채택하고, 핵연료와 냉각재에 대해 핵설계를 수행하여 핵적 타당성을 검토하였다. 핵연료다발은 월성 2호기 사양을 그대로 사용하여 37봉 핵연료 다발로 하였으며, 농축도, 봉간간격, 핵연료다발간 간격들을 변형시켜 높은 연소도를 확보하면서 냉각재 온도계수와 감속재 온도계수가 음의 안전성을 갖는 원자로가 설계될 수 있음을 확인하였다.
신형경수로의 대안으로서 가압경수로의 단점을 보완하고, 가압중수로의 장점을 채택한 중수감속 경수로의 핵적 개념설계를 제안하였다. 냉각재와 감속재가 서로 다른 채넬을 통해 흐르는 기존 가압중수로의 Pressure-Tube 설계의 장점을 채택하여, 냉각재는 경수를 감속재는 중수를 사용하는 중수감속 가압경수로(DPWR, Deuterium-moderated PWR)의 설계 타당성을 검토하였다. 기본적으로 CANDU의 system설계를 Proven Technology로서 가능한 많이 채택하고, CANFLEX 핵연료 설계도 기존 연구 결과로서 최대한 활용하였다. 월성 2,3,4호기 FSAR의 사양을 그대로 사용하여 기존 중수로의 37봉 핵연료 다발을 6$\times$6 직각 배열 등가 핵연료집합체로 재구성한 후, SEU $UO_2$ 핵연료에 대해 HELIOS코드를 사용하여 핵적 특성을 검토하였다. 냉각재 온도계수가 음의 안전성을 갖고 있으며, 기존 중수로보다 연소도가 훨씬 큰 원자로가 설계될 수 있음을 확인하였다. 또한 발전소 이용률의 증대, 사용후 핵연료 발생량의 감소를 기대할 수 있었다.
가압중수로는 운전중 연료교체가 가능하도록 설계된 연료관에서 핵분열을 유도하여 에너지를 얻는다. 연료관은 핵연료와 직접 접촉하며 원자로 냉각재의 통로인 압력관, 주위 감속재와 접촉하며 원자로에 확관된 원자로관, 이것을 양쪽에서 지지하는 엔드피팅과 압력관과 원자로관의 접촉을 방지하기 위한 스페이서 등으로 구성되어 있다. 연료관은 가장 안전성이 요구되는 설비이므로, 캐나다 기술기준 CSA N 285.4에 따라 주기적이고 철저한 가동중검사를 수행하여 건전성을 확인한다. 월성 중수로 연료관의 가동중검사를 수행하기 위해 연료관 검사시스템을 개발하였다. 본 논문은 월성 연료관 현장시험 결과를 검토하고, 개발된 연료관 검사시스템의 유효성을 확인하였다.
현재 우리나라는 고리원자력발전소 1호기 1기를 운전중에 있으며 8기를 건설하고 있는데 월성원자력발전소 (CANDU-PHW) 1기를 제외하면 모두 가압경수형원자로 (PWR)인바, 유일한 중수로인 월성원전의 상업운전개시가 금년말로 예상되고 있어 CANDU형원자로의 역사와 특성을 대략적으로 알아보고자 한다.
경수로형인 한국형 표준원전과 CANDU형 중수로형 원자력 발전소의 가상 중대사고시 대기 중으로 방출되는 방사성 물질로 인한 인체 건강영향에 미치는 리스크를 평가하고 비교하였다. 두 발전소 모두 반경 80km 까지의 인구분포와 2단계 PSA의 결과로 주어지는 방사선원 방출군별 방출 분율과 노심 재고량을 이용하였으며 평가 도구로는 MACCS2를 이용하였다. 인체에 미치는 영향은 조기 사망과 암 사망을 선정하였으며 반경 10 마일 밖으로 소개가 이루어진다고 가정하고 평가 결과는 사고 발생빈도를 고려한 리스크를 CCDF 곡선군으로 나타냈다. 평가 결과에 의하면 경수로형 원전에 비해 중수로형 원전이 리스크가 적게 나타나는데 이는 중수로형 원전이 경수로형 원전에 비해 가상 중대사고로 인해 대기 중으로 방출되는 방사성 물질의 양이 적기 때문이다. 두 발전소 모두 최대 리스크를 보이는 방사선원 방출군의 대표적인 초기사건은 증기발생기 세관파손 사고로 나타났다. 따라서, 경수로형 및 중수로형 발전소 모두 사고로 인한 주변 주민 보호를 위해서는 증기발생기 세관파손 사고의 발생빈도와 이로 인한 대기 중으로의 방사성 물질의 방출을 감소시키기 위한 방안이 강구되어야 한다.
원자력발전소를 안정적으로 운전하기 위해서는 현재 원자로 상태를 파악하고 향후 상태를 예측하기 위해 데이터를 추출하고 가공하는 기술이 필수적이다. 또한 현재 월성 원자력발전소에서 사용하고 있는 클라이언트 서버 기반이 노심관리 업무 프로그램은 향후 도입될 웹 기반 시스템과 상호운용성을 보장함과 동시에 표준화된 계측 데이터를 생산, 제공하여 유지보수 및 생산성을 높이는 것도 요구된다. 이런 요구에 부합하기 위해 웹서비스를 이용하는 것을 고려한 결과, 원자로 계측 시스템에서 만들어진 바이너리 파일을 파싱하여 .NET 기반의 웹애플리케이션에서 사용할 수 있도록 XML형태의 데이터셋으로 전송하는 시스템을 개발하였다. 본 논문에서는 원자력발전소의 데이터 처리 방법과 웹서비스를 이용한 원자로 계측 데이터 전송 시스템 구현에 관한 사례를 소개한다.
가압 중수로형 원자력발전소에서는 원자로의 감속재 및 냉각재로 사용하는 중수(heavy water)로 인한 삼중수소(tritium)의 생성이 전체 방사선 준위 상승의 가장 중요한 원인이 되고 있다. 따라서 4기의 중수로가 운전 중인 우리나라에서도 월성원자력 발전소에 삼중수소 제거 설비(Tritium Removal Facility)가 건설 중에 있다. 이 시설로부터 99% 이상의 순도인 삼중수소가 회수되며, 회수된 삼중수소는 장기적인 저장을 위하여 안전하게 포장되어야 한다.(중략)
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[게시일 2004년 10월 1일]
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