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GCR

기체냉각원자로 (Gas Cooled Reactor: GCR)

냉각재로서 이산화탄소나 헬륨은 취급이 쉽고 방사선에 안정하고 특히 열중성자를 흡수할 확률이 적기 때문에 천연 우라늄을 핵연료로 사용할 수 있다. 또한, 기체 냉각재는 저압에서도 고온상태의 냉각재를 유지할 수 있어 열전달계통을 고압용기로 제작할 필요가 없다. 그러나, 기체는 열전달 특성이 좋지 않기 때문에 원자로 용기 및 열교환기가 크고 기체펌프의 용량도 커야하는 단점이 있다. 그러므로, 이러한 장단점을 고려하여 기체냉각원자로(Gas Cooled Reactor: GCR)에서는 핵연료 및 냉각재 온도를 가능한 높임으로써 발전효율을 좋게 할 수 있지만, 고온에서 건전성을 유지할 수 있는 핵연료를 개발할 필요가 발생한다. 따라서, GCR에서 쓰이는 핵연료는 초기에 사용하였던 봉형 대신 작은 구슬형으로 제조하여 핵연료집합체를 만들거나 구슬자체로서 노심을 구성하기도 한다.

1. MAGNOX

초기의 기체냉각원자로(Gas Cooled Reactor: GCR)는 1955년에 영국에서 개발한 것으로서 금속의 천연 우라늄을 마그네슘 합금으로 피복한 핵연료봉을 흑연(Graphite) 감속재 사이에 장전하여 노심을 구성하였다. 이런 형태의 원자로를 마그네슘 합금인 핵연료 피복재의 이름을 따서 MAGNOX라고 불렀으며, 1960년대에는 주로 군사적인 목적으로 Pu-239 생산에 이용하였다. MAGNOX의 냉각재는 대부분 이산화탄소를 사용하였다. 1955년 영국에서 건설된 Calder Hall 발전소가 최초의 MAGNOX형 원자력발전소이며, 현재 MAGNOX형 원자력발전소는 더 이상 건설되지는 않지만 전 세계적으로 운전중인 MAGNOX형 원자력발전소에서 생산하는 전기출력은 모든 원자력발전소의 약 1.1%에 해당된다.

MAGNOX형 원자로의 장점은 핵연료로 천연 우라늄을 사용하고 원자로 재료로 지르칼로이(Zircalloy)와 같은 특수합금을 사용하지 않기 때문에 전력생산단가가 저렴하다는 것이다. 그러나, 증기 온도 및 압력이 화력발전소보다 낮아 효율이 좋지 않다는 단점이 있다. 즉, 피복재의 운전허용온도가 380℃ 로 제한되어 원자로의 비출력이 현재 원자로의 약 1/15인 1.5 kW/kgU 정도였다.

2. 개량형 기체냉각원자로 (Advanced Gas-cooled Reactor: AGR)

개량형 기체냉각원자로(Advanced Gas-cooled Reactor: AGR)는 초기의 MAGNOX로부터 개발되었지만, 핵연료로 약 2%의 저농축 우라늄을 사용하고 핵연료 피복재로 스테인레스강을 사용하였기 때문에 발전효율이 약 40%로 증가하였다. 그러나, AGR에서 사용하는 감속재 및 냉각재는 MAGNOX와 동일한 흑연과 이산화탄소 기체를 각각 사용하였다. 또한, MAGNOX과 같이 AGR도 현재 더 이상 건설되지는 않지만 전 세계적으로 운전중인 AGR에서 생산하는 전기출력은 모든 원자력발전소의 약 2.5%에 해당된다.

Advanced gas cooled reactor

http://www.nucleartourist.com/images/gas_reactor_cycle.gif

AGR은 기체 냉각재를 사용하기 때문에 열전달계통인 1차계통과 증기를 발생하는 2차계통으로 나뉘어 구성된다. 1차계통은 저압이나 고온의 냉각 기체가 들어있고 발전을 위하여 많은 양의 냉각재가 순환되어야 하기 때문에 원자로 압력용기는 대형의 콘크리트로 만들어진다. 또한 AGR의 압력용기인 콘크리트 압력용기는 1차계통의 증기발생기와 냉각재순환기(Gas Circulator)까지 내부에 설치할 수 있는 크기로 건설하고 각 장치로부터 외부에 연결된 관들이 관통하는 부위는 2중 격납용기 개념으로 설계하여 기체 배관이 파손되었을 때 이를 최소화하도록 하였다.

원자로의 냉각 기체는 원자로의 하단으로 흘러 들어와 각각의 핵연료 채널을 따라 위로 흐르는 동안 열을 전달받고 핵연료 안내관을 따라 계속 올라가 콘크리트 압력용기 상단에 모인다. 이 공간은 노심 상단과 콘크리트 압력용기 상단이 분리되어 있는 윗 부분으로서 665℃ 냉각 기체가 콘크리트 압력용기 속의 노심 주위에 설치되어 있는 12개의 증기발생기 상단으로 흘러 들어간다. 여기서 경수(Light Water, H2O)에 열을 전달한 냉각기체는 순환기에 의해 노심 하부로 들어간다. 수직으로 세어진 증기발생기에는 증발기 1개, 과열기 2개, 재열기 1개, 그리고 상ㆍ하단에 예열기가 각각 1개씩 설치되어 있다. 노심 주위에는 12개의 증기발생기가 있으며, 이들은 칸막이에 의해 3개씩 분리되어 있고, 이 3개의 증기발생기들은 2기의 순환기로서 냉각재를 순환한다. 증기발생기를 통과한 냉각재는 대부분의 노심 하부로 돌아가나 일부는 노심과 증기발생기를 격리시키는 차폐벽을 따라 위로 흘러 들어가 노심 위에 모이고 여기서 노심 주위를 따라 아래로 흘러 내려와 노심 하부의 냉각재와 섞여 핵연료 채널로 들어간다. 이것은 노심 외곽을 구성하는 흑연의 온도가 높아지지 않도록 하기 위한 것이다.

3. 고온기체냉각로 (High Temperature Gas Cooled Reactor: HTGR)

GCR 중 가장 최근에 개발된 원자로 형태인 고온기체냉각로(High Temperature Gas-cooled Reactor: HTGR)는 흑연 및 헬륨기체를 각각 감속재 및 냉각재로 사용한다. 이 원자로의 냉각재 온도는 950℃ 정도이며, 최근 개발되는 원자로의 이용률은 GT-MHR(Gas Turbine Modular Helium Reactor)의 경우 최대 50% 정도가 된다. HTGR은 미국에서 경수형 원자로를 개발하면서 동시에 개발하여 왔으며, 90% 이상으로 농축된 핵연료를 사용하였다. 또한, 핵연료 일부에 토륨(Th)을 섞어 핵연료로 사용 가능한 U-233을 생산하기 위한 증식원자로를 설계 건설하기도 하였다.

AGR에서와 같이 원자로의 압력용기는 콘크리트 압력용기로서, 그 내부는 탄소강으로 막아 헬륨이 콘크리트 압력용기 밖으로 새어나가지 못하도록 하고, 내부벽에는 경수가 순환되는 관이 설치되어 콘크리트 압력용기의 콘크리트와 탄소강 철판을 냉각시킨다. 흑연의 노심에는 제어봉이 진입되는 안내관, 원자로의 노심을 지지하는 바닥 밑에는 증기발생기 모듈과 냉각 기체를 순환시키는 순환장치가 확산장치와 연결되어 있다. 따라서, HTGR에서는 헬륨 냉각재가 노심 상단에서 하단으로 흘러 내려오면서 노심으로부터 열을 전달받고 약 770℃의 냉각 기체는 증기발생기 모듈의 상단으로 들어온다. 이 증기발생기 모듈은 과열기, 재열기, 그리고 증발기로 구성되어 냉각 기체가 흘러 내려오는 동안 2차계통의 경수(Light Water, H2O)를 증기로 만들어 터빈으로 보낸다. 증기발생 장치를 통과한 냉각 기체는 순환기에 의하여 노심 위로 돌아가서 재순환하는데 증기발생기 모듈이 12개, 냉각 순환기 4개가 콘크리트 압력용기 속 원자로 노심 하단에 설치되어 있다.

HTGR의 노심은 흑연으로 구성되며, 이 노심에는 정육각형 모양의 핵연료 채널이 250개가 있고 각각의 채널에는 흑연 핵연료 요소 6개가 장전된다. 이 핵연료 요소는 흑연으로 만들어지는데 핵연료 구슬이 들어있는 구멍과 냉각재가 흐르는 구멍이 있다. 핵연료 구슬은 표면을 2중으로 피막시켜 제조한다. 즉 93%로 농축된 우라늄과 Th-232가 UC2와 ThC2로 혼합되어 만들어진 입자편을 밀도가 낮은 흑연으로 피막하여 핵분열 기체를 흡수하고 핵연료가 열에 의하여 팽창되는 것을 완화시켜 외부피막을 보호하는 완충역할을 한다. 이 표면에 다시 높은 강도를 갖도록 내부 피막위에 흑연으로 피막하고 그 위에 탄화규소를 다시 피막한 후 마지막으로 흑연으로 최종 피막한다. 이 때 피막은 연속적으로 해야하며, 탄화규소는 사용후 핵연료를 재처리할 때 순수한 ThC2 구슬과 분리가 쉽게 하기 위한 것이다.

이렇게 만들어진 개개의 외부피막은 다른 원자로의 핵연료 피복관과 같이 압력관 역할을 하기 때문에 HTGR에서는 흑연이 핵연료피복재, 감속재, 반사체와 노심구조물에 이르기까지 다양하게 쓰인다.U-233을 생산하기 위해 만들어지는 ThC2 구슬은 표면을 흑연으로 한번만 피막하고 구슬의 크기도 핵연료구슬에 비하여 2배정도 큰 직경으로 제조된다. HTGR에 사용되는 핵연료 요소를 만들기 위하여 이 구슬들은 육각형의 흑연 요소에 구멍을 뚫고 넣어 고온으로 열처리하면 원자로에 장전할 수 있는 핵연료 요소가 된다. 제어봉은 B-10이 70%로 농축된 B4C를 역시 흑연으로 피막하여 만들고 콘크리트 압력용기 상단에서 안내관들을 통하여 노심으로 삽입된다.

4. 토륨고온원자로 (Thorium High Temperature Reactor: THTR)

GCR 중 하나인 토륨고온원자로(Thorium High Temperature Reactor: THTR)는 현재까지 독일에서 운전되고 있으며, 이 원자로의 열출력은 760 MW이고 전기출력은 307 MWe으로 열효율은 40.5%이다.원자로에서 생성된 열은 냉각재인 헬륨 기체에 의해 제거되는데, 원자로 상부로 주입된 250℃의 헬륨은 750℃까지 가열되어 원자로 하부로 나온다. 고온의 헬륨은 6개(그림에는 2개만 표시되어 있음.)의 증기발생기에 열을 전달한다.

일반적으로, GCR 1차계통의 압력은 2차계통의 압력보다 낮기 때문에 2차계통의 물이 새어나와 노심으로 들어갈 경우 흑연과 반응하여 압력용기의 압력을 증가시킬 수 있다. 그러므로, 증기발생기를 여러 개의 작은 용량으로 설치하며, 만약 어느 1개의 증기발생기의 물이 전부 노심으로 들어가 흑연과 반응하여 압력용기의 압력을 증가시키더라도 압력용기가 파손되지 않도록 증기발생기의 용량을 설계한다. 한편, 원자로를 제어하거나 정지시킬 때에는 51개의 제어봉이 원자로 상부로부터 핵연료 구슬 사이로 삽입된다.

THTR-300의 핵연료는 지름 6 cm의 구슬 형태이며, 이 구슬은 지름 0.5 ~ 0.7 mm의 더 작은 구슬 35,000개로 구성되어 있다. 작은 구슬들은 각각 U-235와 Th-232로 구성되어 있으며, 이 중 Th-232는 U-235의 10배가 포함되어 있다. Th-232는 중성자를 흡수하여 U-233으로 변환되는 증식물질(Breeder Material)인데, U-233은 저속의 중성자에 의해 핵분열이 가능한 물질이다. 따라서, 운전 중 원자로에서는 핵연료의 일부가 생성되게 된다. 감속재는 흑연을 사용하는데 작은 구슬들 사이에 층을 이루고 있다.

이런 형태로 제조된 핵연료는 가압경수로(Pressurizer Water Reactor: PWR)의 핵연료와 같은 완전히 밀폐된 구조 속에 있는 것이 아니기 때문에, 핵분열 기체 일부가 핵연료 구슬에서 새어나와 노심 속의 냉각재와 섞일 수 있다. 따라서, 이에 대한 안전성을 고려하여 압력용기도 AGR에서와 같이 노심과 1차계통의 냉각배관, 그리고 증기발생기까지 용기내부에 설치할 수 있도록 대형의 구조물이어야 한다. THTR에는 원자로 용기에 핵연료 재장전 장비가 설치되어 있기 때문에 운전 중에도 신연료로 교체할 수 있다. THTR-300에는 매일 약 620개의 신연료가 교체되며, 핵연료 구슬은 원자로에서 3년간 연소되며, 이 기간동안 핵연료 구슬은 6번 노심을 통과한다.


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