가압수형 원자로의 구성재

가압 수형 원자로는 넣어둠 용기 안에 원자로와 증기 발생기, 냉각재가 원자로 안을 순환하는 1차게, 증기 발생기에서 발생한 열증기가 터빈과 발전기를 회전시키는 2차게, 터빈을 회전시켜 증기를 물로 되돌리는 3차 계가 있다.

 

<냉각재> 원자로의 냉각 계는 노심을 둘러싸는 원자로, 증기를 발생시키는 증기 발생기, 원자로와 증기 발생기를 연결하는 파이프, 냉각수를 순환시키는 원자로 냉각액 펌프, 시스템의 압력을 유지·조정하는 가압기로 이루어진 폐루프계이다. 반응기에서 가열된 뜨거운 냉각액을 증기 발생기로 보내는 배관은 ＂뜨거운 레그＂라고하며 증기 발생기에서 냉각된 물을 반응기로 되돌리는 배관은 ＂콜드 레그＂라고 한다. 증기 발생기에 의해 생성된 증기를 사용하여 터빈 발전기를 구동하고 물로 되돌리는 시스템은 ＂2차 시스템＂이라고하지만 원자로 냉각재 시스템은 ＂1차 시스템＂이라고 한다. 가압 경수 원자력 발전소는 발전 효율을 높이기 위해 고온 · 고압의 2차 증기를 발생시켜야 하므로 고온에서 운전하고 고온에서 물이 끓지 않도록 고압으로 가압해야한다. 따라서 가압 수형 원자로는 물이 300°C 이상에서도 끓지 않도록 150기압 이상의 고압 상태를 유지하고, 원자로 냉각 재계의 원자로 냉각재 압력경계(RSPB)는 항상 고온·고압에 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 따라서 통상적인 운전뿐만 아니라 설계기준 사고가 예상되는 경우에도 안정을 유지할 필요가 있다. PWC에서는 1차게에 경수를 사용하며, 1차게의 온도는 약 315°C이다. 1차게를 흐르는 가열 수는 2차게를 흐르는 물(대부분의 설계에서는 온도는 약 275도, 압력은 약 900ps Ig, 압력은 약 6.2MPa)을 포화수증기로 하여 증기터빈으로 보낸다. 원자로 냉각재 시스템은 하나의 원자로에 연결된 두 개 또는 세 개의 증기 발생기로 구성되며 각각 하나 또는 두 개의 원자로 냉각재 펌프를 갖추고 있다. 1개의 가압기는 출력에 비례하는 용량의 모든 타입의 원자력발전소에 설치되며, ＇서지 라인＇에 의해 원자로 출구의 고온배관에 연결되어 있다.가압기 상부에 안전밸브와 개방밸브를 설치하여 급격한 압력상승에 대비하여 원자로 냉각 재계의 압력경계를 유지하고 있다. 원자로 냉각재 시스템은 배관 파손 때문인 냉각재(LOCH) 손실 시 자동으로 대량의 냉각재를 주입할 수 있는 안전주입탱크와 펌프를 이용하여 연속적으로 냉각재를 주입할 수 있는 안전주입시스템을 연결한 것이다. 게다가 통상 운전 중에 냉각수량이나 수질을 제어하는 약액량 제어 시스템과, 노심 정지·냉각 운전 중에 노심에서 발생한 붕괴 열을 연속적으로 제거하여 저온 정지 상태에 도달할 때까지 냉각하는 정지 냉각 시스템(또는 잔류 열 제거 시스템)과 보조 설비가 접속되어 있다. 상업용 가압 수형 원자로는 일정량의 냉각재를 흘려보내지만, 미 해군이 사용하는 원자로는 냉각재의 유량을 조절할 수 있다.

 

<감속재> 가압 경수로는 연쇄 반응을 유지하기 위해 고속 중성자를 원자로로 보내는 열중성자 설계와 비슷하다(이 과정을 감속이라고 부른다. 많은 물 분자는 중성자와 거의 같은 크기이며, 중성자와 더 자주 충돌하여 감속을 일으키고, 물 분자의 밀도가 높을수록 중성자가 감속한다. 가압 수형 원자로의 냉각수는 물 분자 속의 가벼운 수소 원자가 중성자의 속도를 저하하는 구조로 되어 있는데, 물은 가압 수형 원자로의 중요한 안전 대책의 하나이다. 물 온도가 상승하면 물이 팽창하여 물 분자의 밀도가 감소하고 연쇄 반응이 감소하여 최종적으로 반응기의 반응이 저하된다(Boyd 효과). 따라서 원자로가 비정상적으로 작동하고 있으면 감속 속도가 느려지고 노심 온도가 저하된다. 그러나 체르노빌 사고모델 RBMK(흑연감속 비등수압관형 원자로)는 고열반응에 의한 냉각수 온도의 상승으로 안정되지 않는다.

 

<연료> 가압 수형 원자로에서 사용되는 연료는 235U의 일정한 속도로 농축된 우라늄을 사용한다. 이산화 우라늄으로 만들어진 세라믹 펠릿은 농축 이산화 우라늄 (UO2) 분말 (분말이 융해되고 융점 이하의 온도로 가열될 때 접착 및 응고를 사용하는 현상)을 소결함으로써 만들어진다. 이 원통형 펠릿은 내식성 지르코늄 합금(지르코늄)에 배치되고, 열전달을 돕기 위해 헬륨이 지르코늄 로드에 주입되며, 완성된 연료봉은 연료 집합체에 묶여 노심에 장전된다. 가압 수형 원자로 설계가 안전하게 적용되면 우라늄 핵분열 때문인 급속한 연쇄반응은 일어나지 않는다. 이것은 가압 소형 원자로의 안전성에 매우 중요하며, 급속한 연쇄 반응이 일어나면 여분의 에너지가 빠르게 발생하여 원자로에 손상을 입히고 심각한 경우에는 노심 용해 (노심 노심 용해)을 일으킬 수 있다. 일반적인 가압 수형 원자로는 연료봉 200~300개, 원자로는 연료 집합 150~250개, 우라늄 80~100톤을 필요로 하며, 연료 집합에는 일반적으로 연료봉 14x14 또는 17x17이 있고 가압 수형 원자로의 연료 다발 길이는 약 4미터이다.

 

<제어> 대부분의 가압 수형 원자로는 원자로 출력을 1차게에 투입한 붕산의 양으로 조정하고, 붕산은 중성자를 즉시 흡수해 반응기를 제어해 중성자에 의한 연쇄반응을 감소시킨다. 전체적인 제어 시스템에는 고압 펌프(일반적으로 가압 및 완화 시스템)가 포함되어 있으며, 1차 시스템 내외부에 고압 수를 배치하여 붕산 농도를 조정하는 한편, 끓는 물건 꼴 반응기는 붕산을 사용하지 않지만, 출력을 냉각수 흐름에 맞게 조정한다. 이 때문에 보레이트의 강한 부식과 가압 완화 시스템의 필요성 때문에 비등 수형 반응기의 설계를 더욱 개량하였다. 그러나 대부분의 비등 소형 원자로의 긴급 정지 시스템에는 예를 들어 CANDI에서 붕산이 연쇄 반응을 줄이는 데 도움이 되도록 냉각수에 고농도의 붕산을 첨가하는 시스템이 포함된다. 또 다른 제어 수단인 제어봉은 압력용기에서 연료 집합체로 들어가 보통 반응기의 최초 운전 또는 운전 정지를 위해 사용되며, 해군 원자로에서는 출력은 제어봉의 높이에 의해 제어된다.

 

<5중 방호벽>

펠렛: 우라늄의 핵분열에 의해 생성되는 방사성 물질 대부분은 화학적으로 안정한 이산화 우라늄을 응고시켜 소성되는 연료로서 펠릿에 포착된다.

피복재: 연료 펠릿을 둘러싸는 연료봉으로서 지르코늄합금(지를 칼로 이)제의 금속관에 밀폐되고, 펠릿으로부터의 소량의 가스가 피복재에 밀폐된다.

원자로 압력 용기: 핵연료 집합체와 원자로 냉각재를 포함하는 두께 20cm 이상의 강철 용기.

차폐콘크리트벽: 방사선 누출을 방지하기 위해 원자로를 둘러싼 두꺼운 콘크리트벽.

격납용기: 원자로, 냉각재 시스템, 안전 시스템과 그 보조 시스템이 모여 있는 공간 전체를 덮는 두꺼운 철골 구조.

생물학적 차폐벽: 강제 넣어둠 용기의 외측 70~100cm의 두꺼운 철근 콘크리트조의 건물로, 최종 배 뒷부분으로서 기능해, 넣어둠 용기와 같이 돔형 상으로 되어 있어, 방사성 물질이 외부 환경에 누설되는 것을 방지한다.