Introduction

SMART는 기존 상용 분리형 가압경수로와는 달리 원자로 냉각재계통 및 주기기가 연결 배관 없이 하나의 압력용기 내에 배치되는 일체형(integral type) 가압경수로이다. 배관 연결 없이 주기기를 원자로 압력용기 내에 설치함으로써 기존의 분리형 원자로의 취약점인 대형냉각재상실사고를 원천적으로 배제하는 특성을 가지고 있다. SMART 원자로계통은 원자로냉각재 유로가 형성되고 압력경계를 유지하는 원자로 집합체 및 원자로냉각재계통과 정상 및 사고 시 원자로냉각재계통을 보조하는 계통인 피동잔열제거계통, 안전주입계통, 정지냉각계통, 화학 및 체적제어계통 등으로 이루어진다. SMART 원자로계통의 주요설계변수는 Table 1에 요약된 바와 같다.(3)

원자로냉각재계통은 원자로냉각재 및 방사성물질이 제어되지 않고 원자로건물로 방출되는 것을 사전에 방지하기 위한 방벽 역할을 수행한다. 원자로냉각재계통은 정상운전을 포함한 모든 설계기준사고 및 예상운전과도 중에 원자로 노심 손상을 방지하기 위해 관련 연계계통과 연동하여 충분한 노심 냉각 기능을 갖추어야 한다. 또한 원자로냉각재계통은 자연대류 운전을 포함한 모든 정상운전 시 원자로 노심에서 발생한 열을 증기발생기 2차측으로 전달하는 기능을 갖추도록 설계된다. 원자로냉각재계통의 주요기기는 원자로 노심인 핵연료집합체, 원자로내부구조물, 제어봉구동장치, 원자로냉각재펌프 4대, 증기발생기 8대 및 가압기 등으로 구성되어 있다. Fig. 1은 일체형원자로 용기 및 내부구조물을 보여주고 있다.

Fig. 1. 
Vessel and internal structures of integral reactor

원자로냉각재계통 유로는 노심 출구, 원자로냉각재펌프, 증기발생기, 노심 입구 순으로 형성된다. 원자로용기 측면에 장착된 원자로냉각재펌프에 의해 원자로용기 중앙하부에 위치하는 노심과 노심지지원통과 원자로용기 내벽 사이의 환형 공간에 위치하는 증기발생기로 원자로냉각재의 강제순환 유동이 형성되어 노심에서 생성된 열이 증기발생기 전열관내의 2차측으로 전달된다. 원자로냉각재계통 내의 열전달은 증기발생기 전열관 바깥쪽으로 원자로냉각재가 흐르고 전열관 안쪽으로 2차측 급수가 흐르며 전열관을 통해 전달되는 방법으로 이루어진다. 원자로냉각재계통의 압력은 증기와 냉각재가 열적으로 평형을 유지하는 형태의 가압기를 이용하여 유지되고 제어되는데, SMART 원자로의 가압기는 별도의 구조물로 존재하지 않으며, 원자로 덮개와 상부 안내 구조물 집합체 사이에 형성되는 자유 공간이 가압기 영역으로 사용된다.

원자로계통내 압력이 낮아질 경우, 가압기 내의 침수형 전열기를 작동시켜 증기를 생성시킴으로써 압력을 유지하고, 플랜트 과도동안 압력이 높아질 경우에는 가압기의 증기 공간이 크게 설계됨으로써 별도의 살수기의 도움 없이도 계통 압력이 운전범위 안에서 유지된다.

피동잔열제거계통은 원자로 정지 후, 2차 계통을 이용한 원자로냉각재계통의 냉각이 불가능할 경우, 정지냉각계통이 운전 가능한 상태(200℃, 2.8MPa)에 도달할 때까지 노심의 잔열을 제거하는 기능을 수행한다. 증기발생기 2차측으로 전달된 잔열을 자연순환 유동에 의해 피동잔열제거계통 응축열교환기를 통해 제거한다. 안전주입계통은 발생가능성이 희박한 냉각재상실사고와 같은 사고 시, 노심 냉각을 위한 냉각수를 주입할 수 있도록 설계된다. 안전주입계통은 냉각재상실사고 후 상당기간 동안 노심의 심각한 변형을 막기 위하여 핵연료 손상을 제한하고, 핵연료 피복재와 냉각재와의 반응을 제한하고, 노심 내에 발생하는 에너지를 제거하며, 노심을 미임계 상태로 유지함을 보장한다. 정지냉각계통은 주증기계통과 주급수 또는 피동잔열제거계통과 함께 운전정지 후, 원자로냉각재계통의 온도를 정상운전온도에서부터 재장전 온도까지 감소시키는데 사용된다. 화학 및 체적제어계통은 원자로냉각재의 수화학조건 및 순도를 조절하기 위해 정화운전을 수행하며 온도 변화로 인한 원자로냉각재의 수축 및 팽창과 기타 원자로냉각재 손실 및 증가를 보상함으로써 원자로냉각재계통 냉각재의 적정 체적을 유지하는 기능을 수행한다. 정상운전 중에 원자로냉각재계통의 누설에 의한 원자로 냉각재를 보충하며 붕소 농도 조절을 통해 반응도를 제어하며, 방사능 준위를 연속적으로 측정한다.

SMART 증기발생기는 노심에서 생성된 열을 2차측으로 전달하는 증기공급계통의 주요 열수력 현상을 결정하는 핵심 기기이다. 일체형원자로에서 증기발생기는 원자로용기 내에 설치되고 운전되어야 하므로 높은 방사선 조사 지역에서 문제없이 운전이 가능해야 하고, 무게와 치수는 최소가 되도록 최적화가 되어야 하고, 원자로냉각재 측 유로에서 증기발생기의 저항이 작아야 하며, 일부 전열관을 관막음 하여도 증기발생기의 성능기준을 만족하도록 설계되었다.

SMART 원자로에서는 증기발생기가 원자로 내부에 설치된다는 공간적인 제약 및 운전 요건을 고려하여 2차측 급수가 전열관의 내부로 흐르고 원자로냉각재가 전열관 사이로 흐르는 관류형 증기발생기가 도입되었다. 관류형 증기발생기의 전열관은 응력부식에 강한 재료와 방사선 조사를 받아도 강도에 영향을 작게 받을 수 있는 재료가 사용되며, 열전달의 효과를 높이고 원자로냉각재 측 유로 저항이 작도록 직경이 작은 전열관을 다수 사용되고, 또한 나선형으로 감아 조밀하게 설계되어 있다. 관류형 증기발생기는 원자로 운전 시에는 과열증기를 생산하고 원자로 정지 시에는 정지냉각 재계통이 연결되는 시점까지 원자로냉각재로부터 열을 제거하는 기능을 한다. SMART의 관류형 증기발생기는 정격 출력 운전 시 30 °C 이상의 과열증기를 생산한다,

관류형 증기발생기는 열교환이 이루어지는 전열관, 급수헤더와 증기헤더, 그리고 전열관 지지물이 포함된 형태이다. SMART의 증기발생기는 다수의 관류형 증기발생기로 구성되며 이들은 노심지지원통과 원자로용기 사이의 환형 공간에 설치된다. 각 관류형 증기발생기의 외형은 상부와 하부에 증기헤더와 급수헤더를 갖고 있는 원통형이며 원통 내부에는 급수헤더와 증기헤더를 이어주는 다수의 전열관이 나선형으로 감겨있다. 관류형 증기발생기의 상부로 유입된 원자로냉각재는 전열관의 외부를 흐르며 원자로냉각재의 열을 2차측으로 전달한 후 증기발생기 하부로 빠져나간다. 관류형 증기발생기 하부에 있는 급수헤더로 유입된 급수는 전열관 내부를 통해 상승하면서 원자로냉각재의 열을 전달받아 증기로 변환된 후 관류형 증기발생기 상부에 있는 증기헤더를 통해 원자로 외부로 배출된다. Fig. 2는 기존에 도입되었던 관류식 나선형 증기발생기의 외형을 보여주고 있다.

Fig. 2. 
Helical once-through steam generator

인쇄기판형 열교환기는 유체가 통과하는 미세한 유로를 화학적 에칭 방법으로 형성하고, 유로들이 형성된 유로판을 확산접합공정(diffusion bonding process)을 이용하여 적층 및 접합된 열교환기의 한 형태이다. 확산접합(Diffusion bonding) 콤팩트 열교환기는 화학적 에칭된 마이크로채널박판을 적층 밀착시켜 모재의 융점 이하 온도에서 소성변형이 생기지 않을 정도로 가압하여 접합면간에 생기는 원자의 확산을 이용하여 접합하는 제작 기술을 말한다. 특징으로는 열전달 효율이 높아 기존 열교환기 대비 크기를 획기적으로 줄일 수 있으며, 고온고압에 견딜 수 있다는 장점이 있다. 현재까지 확산접합 열교환기는 영국의 Heatric사에서 세계 최초로 상용화에 성공하였으며, 인쇄기판형 열교환기(PCHE)이라는 명칭으로 극저온 고압의 LNG 액화 플랜트, 연료전지반응기, 개질기(reformer), CO₂ 히트펌프 및 온수기 등의 열교환장치 등에 적용되고 있으며, 점차 그 응용범위가 크게 확대되고 있다.(2)Fig. 3는 영국의 Heatric 사에서 출시한 PCHE 의 내부 유로에서 유체의 경로[Fig. 3(a)]와 유로판들이 확산 접합된 부위, 조직 및 유로 등 [Fig. 3(b)]을 조직을 나타낸 것이다.(2))

Fig. 3. 
Inside of Heatric’s PCHE: a) flow path on the flow plates b) metallographic view on the interfaces of flow plates

PCHE는 콤팩트한 설계가 가능하고 높은 열전달 성능을 얻을 수 있으므로 일쳉형원자로에 도입할 경우 원자로용기 크기의 획기적인 감소를 기대할 수 있다. 일체형원자로의 증기발생기에서 1차측 채널 내부로 원자로냉각재가 흐르고 2차측 채널 내부로 급수가 유입되어 증기가 방출된다. 1차측은 단상 열전달에 의해 온도가 감소하면서 열전달이 이루어지고 2차측은 급수가 증발되는 잠열에 의해 주로 열전달이 이루어진다. 증기발생기 운전 조건에서 급수의 증발과 관련된 잠열이 1차측 냉각재의 온도변화에 의한 엔탈피 변화량보다 매우 크므로 냉각재 유량이 급수유량보다 매우 크다. 이와 같은 유량비 특성을 고려하여 기존 관류형 증기발생기에서 1차측과 2차측 유로면적 비율은 약 4대1 정도로 설계되었다. 기존의 일반적인 PCHE 채널 형태에서는 1차측과 2차측의 유로비가 1대1이며 이와 같은 채널 구조를 그대로 도입할 경우 1차측의 압력강하가 매우 커지는 단점이 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위해 1차측은 유로면적이 상대적으로 큰 3차원 채널로 구성하고 2차측은 2차원 채널로 구성하였다. Fig. 4는 2차원 채널과 3차원 채널의 내부 유로 구조를 보여주고 있다.

Fig. 4. 
Flow channels for steam generator

기존의 관류형 증기발생기에서 2차측 채널 입구로 급수가 유입되어 1차측과의 열전달을 통해 급수가 비등되고 전열관 출구로 과열증기가 배출된다. 이렇게 다수의 전열관이 입구 및 출구 헤더를 공유하면서 이상유동 조건에서 운전될 경우 밀도파 불안정성 현상에 의해 유동 불안정성이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 급수가 통과하는 단상영역의 압력강하를 크게 할 필요가 있으며 짧은 유로 구간에서 큰 압력강하를 얻기 위해 전열관 입구 영역에 오리피스를 설치한다. 인쇄기판형 증기발생기에서 2차측 유동 불안정성을 방지하기 위한 두 가지 방안이 가능하다. 첫 번째 방안은 기존의 관류형 증기발생기와 같이 입구 영역에 오리피스를 구현하는 것이다. 오리피스는 별도로 설치되지 않으며 입구 영역에 유로면적이 상대적으로 작은 구간을 추가하여 구현된다. 두 번째 방안은 2차측의 유로 간에 교차유동이 발생할 수 있도록 채널을 설계함으로써 유동 불안정성 현상을 방지할 수 있다. 본 연구에서는 두 번째 방안에 의해 설계된 인쇄기판형 증기발생기에 대한 전열면적 산정 계산을 수행하였다.