월성 원자력발전소와 같은 중수로에 쓰이는 개량 핵연료(CANFLEX)가 새로이 개발돼, 중수로형 원자력발전소의 안전성은 물론 경제성을 크게 향상시키게 되었다. 한국원자력연구소와 캐나다원자력공사는 최근 천연 우라늄을 사용하는 개량 핵연료(CANFLEX-NU)와 순환 우라늄을 사용하는 고연소도 핵연료(CANFLEX-RU)의 공동 개발에 대한 협정을 체결하였다. 이를 통해 우리 나라는 중국$\cdot$아르헨티나$\cdot$터키 등 중수로 발전소 건설을 추진중인 제3국 핵연료 시장에 단독 진출할 수 있는 교두보를 마련하였다. 개량 핵연료를 노후되는 기존 중수로 원전에 사용할 경우 향후 10년간 약 400억 원의 비용절감효과가 예상된다. 한국원자력연구소 중수로핵연료개발팀(팀장 석호천 박사)이 캐나다원자력공사와 공동 개발한 중수로용 개량 핵연료의 개발 경위 등을 알아본다.
광주시 관내 폐수배출시설 방류수 6지점과 대형 건축물 오수 처리시설 방류수 4지점 및 중수 처리 재이용수, 건물 옹벽 지하수 2지점의 수질을 분석하여 중수로써 재이용 가능 여부를 조사한 결과 폐수 배출시설 방류수의 경우 조립금속제품 제조시설, 축전지제조시설 및 타이어제조시설이 대체적으로 중수도의 수질기준을 만족하고 있어 현재의 방류수를 그대로 중수로 이용 가능하리라 판단된다. 오수 처리시설 방류수의 경우 4지점 모두 유기물질은 물론 색도, 탁도 등 대부분의 항목이 중수도 수질기준을 초과하여 현재의 방류수 자체를 중수로 사용하기는 불가능 할 것으로 판단되며, 이들 방류수를 중수로 재이용하고자 한다면 모래 여과조나 활성탄 여과조, 소독시설 등 중수 처리시설을 설치하여야 할 것으로 판단된다. 오수처리시설 방류수를 중수 처리하여 재이용 하고 있는 중수의 경우 대부분 중수도의 수질기준을 만족하였으나, 색도와 탁도, 대장균군의 경우 일부 상당히 불안정한 수질을 보였으나 현재 화장실 세정수로 이용하고 있는데 색도 외에는 별다른 문제가 없는 것으로 나타났고, 대형빌딩 옹벽에서 흘러나오는 지하수의 경우 일반세균과 질산성 질소를 제외하고는 모두 먹는물 수질기준에 적합한 것으로 나타나 현재의 지하수를 그대로 청소용수나 화장실 세정수 등의 중수로 재활용해도 충분하다고 판단되며, 활성탄 여과조와 소독 시설 등의 추가시설을 갖춘다면 먹는 물로도 사용이 가능하리라 보며, 수량적인 측면에서도 1일 발생량이 100~400톤 이상이므로 충분히 경제성이 있을 것으로 판단된다.
중수로에 0.88 w/o 의 순환 핵연료를 사용하여 기존 중수로의 출력을 증강시키는 방안이 모색되었다. 기존 중수로와 양립하여야 하므로, 37봉 핵연료 다발과 CANFLEX 핵연료다발에 대한 격자 특성 계산과 노심 계산을 수행하였다. 열수력 여유도 증가와 고연소도 핵연료를 위하여 개발한 개량 핵연료 (CANFLEX)를 사용하면 원자로의 임계채널출력 (CCP)이 5 % 이상 증대하므로, 기존 원자로의 총 출력을 같은 열수력 한계 내에서 5 % 증가시킬 수 있다. 또한 개량 핵연료 다발에 순환우라늄을 사용하면 기존 월성 원자로의 구조 변화 없이 노심 출력분포의 재 분포에 의하여 15 % 까지 출력을 증강할 수 있다고 평가되었다.
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.
원전수명관리 측면에서 경수로와 중수로를 비교해 보면, 경수로의 경우 원자로 압력용기가 주요기기중 가장 중요한 위치에 있는 반면에 중수로는 압력관이 가장 중요한 기기이다. 압력관 손상종류는 DHC와 dimensional change로 크게 분류되는데 dimensional change는 creep, 부식마모, 처짐현상으로 구분된다. 본 논문에서는 creep과 부식마모 현상 발생시 예상되는 압력관 두께 변화를 계산하였으며, 중수로 수명관리 측면에서 가동 시작년도부터 50년까지 변화되는 두께를 ASME 허용기준과 비교하였다. creep과 부식마모에 의하여 감소 예상되는 압력관 두께는 50년까지 모두 ASME 허용 Margin안에 있음을 볼 수 있었다.
원자력발전소에서는 수질관리를 위하여 여러가지 화학적 매개변수들의 운전범위를 지정하여 관리하고 있다. 특히, 중수를 냉각재와 감속재로 사용하는 중수로의 경우에 일차계통에서는 pH$_{A}$, 전도도, 리튬농도를 중요한 매개변수로 활용하여 관리하고 있다. 본고에서는 중수로의 화학조절지침을 작성하는데 고려되는 매개변수들 사이의 이론적인 상관관계를 검토하고 이러한 이론적인 배경에 기초하여 월성 1호기의 운전자료를 분석한 결과, 운전변수들이 대체적으로 운전범위내에서 잘 유지되고 있음을 알 수 있었다.
우리나라는 세계에서 유일하게 경수로와 중수로를 모두 보유하고 있는 국가로 현재 14기의 원전의 기당되고 있다. 지난 85년 핵연료 국산화개발에 성공한 바 있는 원자력연구소 중수로용 개량핵연료개발팀은 최근 월성 원자력발전소와 같은 중수로에 쓰이는 개량핵연료를 개발해 이 분야에서 세계 최고 수준의 기술을 확보하게 되었다. 개발팀의 책임자인 석호천박사는 "우리의 기술력이 세계 최고 수준의 캐나다와 어깨를 나란히 할 수 있게 된 것은 20여명의 팀원들이 뭉쳐 10~20년을 끈질기게 연구해온 결과"라곰 말했다.
원자력발전소 중 중수로 형 원전에서는 원자로 냉각재로 중수를 사용하고 있으며, 방사능 누출을 예방하기 위하여 폐회로 순환으로 냉각을 하게 된다. 운전 중 냉각재 량의 감소는 원자로 핵연료 냉각 율을 부족하게 하여 노심 안전성에 치명적인 결과를 초래할 수 있고, 열교환기 혹은 격납용기 대기 중으로 고방사화 중수가 누설될 경우에는 작업자의 피폭을 초래할 수 있다. 따라서 원전의 냉각재 량을 실시간, 온라인으로 감시하는 것은 원자로 냉각 안전성 뿐 만 아니라 작업자 보호측면에서 매우 중요하다. 현재, 국내뿐만 아니라 중수로 형 원전 설계국인 캐나다에서도 실시간 감시보다는 아직 수작업에 의해 오프라인 감시를 하고 있으며 정확도, 신 시간성 등에서 문제점들을 가지고 있다. 여기에서는 발전소 전체 중수 량 냉각재를 컴퓨터를 이용하여 실용적이고 신뢰도 높게 측정, 감시하는 방법론을 개발한 내용과 시스템에 대해 기술한다.
가압 중수로형 원자력발전소에서는 중수 중의 중수소와 중성자의 반응에 의하여 수소동위원소인 삼중수소(트리튬)가 불가피하게 생성되는데 발전소의 가동 년수가 증가함에 따라 계통내 중수중의 삼중수소 농도도 증가하게 된다. 따라서 계통내 삼중수소화 중수로부터 삼중수소를 분리하여, 중수는 원자로로 순환하고 분리된 삼중수소는 별도로 저장할 필요가 있다. 이 과정에서 분리$\cdot$농축된 삼중수소는 방사성 물질일 뿐만 아니라 앞으로 핵융합 연구에 매우 중요하게 이용되어야 할 자원이기 때문에 이를 안전하게 저장하기 위한 기술(저장기술)과 경우에 따라 지정된 장소로 운반하기 위한 기술(운반기술)이 필요하다.(중략)
이 연구에서는 중수대명력(重修大明曆)에서 태양과 달의 운동 계산 방법에 대해 분석하였다. 중수대명력은 금(金)대의 양급(楊級)이 만든 대명력을 당대의 조지미(趙知微)가 중수한 역법으로 1281년 수시력(授時曆)이 도입되기 전까지 원(元)에서 사용되었다. 반면 조선에서는 "칠정산내편", "칠정산외편"과 더불어 일 월식 계산에 사용된 것으로 알려져 있다. 이를 위해 세종 26년(1444)에는 이순지(李純之) 등에 의해 "중수대명력"과 "중수대명력 정묘년 교식가령(丁卯年 交食假令)" 등이 편찬되었으며, "중수대명력"의 경우 "금사(金史)" 의 내용과 동일한 것으로 알려져 있다. 이 논문에서는 이들 문헌을 활용하여 중수대명력에서의 태양과 달의 운동, 특히 이들의 부등속운동 계산방법에 대해 분석하고, 이를 수시력에서의 방법과 비교 하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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