Pressurized Water Reactor chapter 2
오늘은 핵증기 공급계통(NSSS : nuclear steam supply system)계통에 속한 원자로(nuclear reactor), 증기발생기(steam generator), 가압기(pressurizer), 원자로냉각재펌프(reactor cooling pump)들의 기계적 구조에 대해서 대충 기억을 되살려 본다.
여기에 참고하는 영상과 그림들은 구글, 유튜브 그리고 한수원사이트의 정보공개 자료들을 모은 참고용 그림들을 구독자님들의 이해를 돕기위해 대표적인 그림을 선정해서 소개할까 한다.
https://www.youtube.com/watch?v=kc2DKSC9Mj8
30년이 거의 넘는 현업 시절의 기억이라 잘못 설명하는 부분도 있을 것이므로 실제 현업에 종사하는 후배님들께서는 그러려니 하고 용납해 주시기 바란다.
핵증기공급장치(NSSS : Nuclear steam supply system)에 포함되는 원자로, 증기발생기, 가압기, 냉각재펌프, 그리고 이들을 서로 결합해서 폐회로(clossed loop)를 이루는 스테인리스 대구경 배관류들을 내압 시험시 사용한 깨끗한 물로 전 폐회로(closed loop)를 냉각재 펌프를 가동해서 강제 순환시켜 세정한후
계통내 기기 설치및 용접등 작업자들이 내외부를 장기간 작업했으므로 설사 그 작업후에 주변청소와 쓰레기들을 전량 수집 배출하는 업무가 절차서를 통해 진행되었고 그 작업자들의 서명으로 확인되 있지만
그래도 여전히 극 소량이나마 신발에 묻어서 들어온 모래류 비닐류 용접똥 같은 잔유물들이 그 거대 기기들 최하부에 미량 남아 있다. 이런 극미량의 잔존 오물 또는 불필요한 깨알같이 작은 쓰레기들도 완전히 제거하기위해
청결 확인자들은 행여 청소하러 갔다가 오히려 뭔가 떨어트리지 않도록 입장전에 개인 소지품 모두 꺼내놓고 완전히 몸을 감싸는 1회용 방수 작업복을 머리위까지 쓰고서 기기내에 입장 청결상태를 확인하는데 이때 나는 일단 핵연료가 들어가면 그 이후론 누구도 다시 못볼 기회를 잃지 않기 위해 반드시 참여하여 그 내부를 돌아 다녔다.
원자로 용기는 공장에서 현장으로 운송될때 이미 용기 내부에 부속품들이 모두 단단하게 결합되어 발전소 현장에서 핵연료 다발만 장입하면 되는 상태로 모든 부품들이 실장되어 온다.
그래서 현장에서 볼 수 있는것은 핵연료 다발들과 일부 계측 센서류등을 뺀 내부만 볼수 있고 내부는 운영중 부식물 생성을 최대한 억제하기 위해 모든 내장 부품 금속체가 스테인레스로 만들어져 있고 검사를 위해 내부를 들어가서 조명등을 켜면 전등에 반사된 부품들이 각도에 따라 눈부시게 번쩍 인다.
핵증기 공급계통의 세정이 끊나면 원자로는 상부 해드의 고정볼트 54개(?)가 촘촘하게 조여져 있는 볼트를 풀어내는데 하부 프랜지와 상부 프랜지는 서로 덮을 때 제 위지를 잡아 주는 핀(alingment pin)이 있어서 꼭 한 자리로만 넣게 되 있고
원자로 뚜껑에 해당되는 상부의 프랜지는 나사산이 없고 하부 프랜지에는 볼트 나사를 받아줄 암나사가 있어서 볼트를 조일때는 설계된 장력 만큼 조여서 결합한다
워낙 볼트가 커서 일반적인 스패너 같은 수공구를 사용하지 않고 특수 제작된 동력 공구를 사용한다.
처음에는 볼트 한개씩만 작업할 수 있는 단발용 동력공구를 사용했는데 풀고 조이는 작업시간이 하루 이상 걸리는 지루하고 느린 작업이라 공정을 까먹는 반복되는 일이라서 작업 시간을 획기적으로 단축하는데 도움이되는 모든 볼트를 한번에 풀거나 조일 수 있는 원자로 해드 전체를 덮는 크기의 공구를 구매하여 공정을 단축 했었던걸로 기억된다.
모든 원자로 해드의 볼트들을 한번에 풀고 조이는 공구는 자체 크기도 크거니와 워낙 중량이 나가는 공구라 작업을 위해 보관장소에서 원자로 건물로 이동시킬때에도 중량물 이동 크래인을 이용하지만 일단 격납건물 내로 들어온 이후에 모든 이동이나 장비이용시에 반드시 격납건물 상부에 설치되있는 천정에서 360도 원형으로 방향을 바꿀수 있고 좌우 상하 이동이 가능한 폴라 크레인(polar crane)을 이용해야 한다.
이 거대 공구를 최초 사용시 실패 사례가 하나 있는데 모든 볼트가 암나사에 완전히 자리를 잡기 전에 조이는 조작을 하는 바람에 볼트 한개가 잘못 끼워진 상태에서 조여져 나사산이 망가지면서 꼼짝 달살 할 수 없었던 사례가 있었고 수리를 위해 망가진 볼트를 잘라내고 잘라진 볼트가 꽉 끼워져 뭉그러진 암나사산을 수리하는데 몇일이 걸리는 불상사가 난적이 있었다.
소위 스트립(stripped)된 나사산에 볼트가 꽉 고착 되어서 움직이지 않아 꼽혀 있는 만큼 볼트를 잘라내고 드릴로 암나사산에 붙어있는 부러트린 볼트 중앙에 큰 구멍을 낸다음 조각 조각으로 분해해서 뜯어 내고 손상된 암나사보다 구경이 더욱 큰 암나사산을 낸다음 나사 수리용 스프링 같은 자재를 넣어 고장을 수리하는 작업을 하였다.
이렇게 암나사산을 고치는 것은 자동차 엔진브럭에 암나사가 망가졌을때 수리하는 방법과 똑 같은 방법이나 볼트와 암나사의 크기가 워낙 크다보니 작업 소요 시간이 몇일 걸렸었다.
이 사례 이후 부터는 볼트를 최소한 두바퀴 정도 미리 돌려 볼트와 너트 나사산이 자리를 잡은뒤 공구로 한번에 일제히 잠그는 절차서가 작성되었다
원자로 해드의 모든 볼트를 풀어 내고 원자로 해드를 들어내면 해드에 붙어있는 부품들도 함께 나오는데 제어봉들과 제어봉 구동 코일들이 일괄적으로 모두 해드에 붙어 함께 나오는데 이중에는 다시 해드를 덮었을때 핵연료다발을 모두 위에서 눌러 진동이나 이동이 되지 않게 하고
제어봉들도 정지제어봉 제어제어봉등의 길쭉한 제어봉들이 연료다발 정 중앙의 유도로를 통해서 삽입된다.
한편 원자로 최 하부에는 노내 계측기를 집어 넣는 가이드 튜브들이 밑에서 위오 올라가도록 유도 관이 모두 배치되어 있다
원자로 해드 프랜지 볼트를 풀어서 원자로 해드를 크래인으로 들어내고 연료 다발이 없는 원자로 내부로 내려가기 위해 와이어 로프 사다리를 거치한후 들어갈 사람들은
현장 출입기록부에 각각 이름과 서명 그리고 출입 시간을 기록하여 한다.
원자로 내부로 내려간후 조명을 밝게 켠후 사람이 들어 비좁은 장소를 몸을 비틀어 가면서 구석 구석 세정 결과를 확인하고 구석에 끼인 모래나 용접똥 같은걸 모두 찾아 봉투에 넣어 봉하고 로프 사다리타고 올라왔다.
원자로 내부에는 연료 다발 지지 동체 집합을 묶어둔 구조물이 중심에 자리 잡고 있고 여기에 저온관(cold leg) 쪽은 동체집합으로 막혀있어서 핵연료 쪽으로 냉각수가 직접 흘러 가지 못하고 원자로 내부 최외각면을 타고 흘러내려 간 다음
원자로 최하부에서 와류발생 방지 격벽들을 지나 핵연료 다발쪽으로 수직 상승하면서 핵열료 표면의 열을 받아 온도가 증가하면서 상부로 올라가서 저온관에 막혀있는것과는 달리 고온관(hot leg) 쪽의 열려 있는 통로를 통해 고온관(hot leg)을 통해 로 흘러 나가서 증기발생기 고온부 입구 유튜브다발(U tube bundle) 쪽으로 흘러간다.
이렇게 증기발생기의 역유튜브 관 다발을 통해 흘러간 고온의 냉각수는 관 외부의 수처리된 물을 가열하여 증기를 만들면서 열이 내려가서 저온관 쪽으로 흘러가면 거기서 부터 냉각재펌프로 펌핑되어 다시 저온관(cold leg)가 붙어 있는 원자로로 들어가서
원자로 내부면 최외각을 타고 흘러 내려가는등 연속적인 원자로 쪽에서는 열흡수를 하고 증기 발생기 쪽에서는 순수를 끓여 증기로 만드는 열방산 작용을 하는 연속적 순환을 하는것이다.
증기 발생기로 열교환을 위해 흘러간 일차측 냉각수가 통과하는 역 유튜브번들(U tube bundle ) 중간에 고온관 측과 저온관 측이 서로 섞이지 않겠끔 분리 막이 설치 되있어서
고온관을 통해서 증기발생기에 들어온 고온냉각수는 유튜브를 타고 상부로 올라간후 반대편 유튜브 출구로 흘러나오면서 저온으로 변한후 원자로 냉각재 펌프로 압력이 올라가 원자로쪽으로 냉각수를 밀고 간다.
증기발생기의 많은 조밀한 유튜브 냉각수가 흐르면 진동이 발생하게 되는데 열교환 튜브들이 서로 부딪히는걸 방지하기위해 유튜브입구로 부터 출구 사이 같은 간격으로 14군데에 스페이서를 설치하여 튜브들이 서로 부딪히지 않게 잡아주고 있으며 이 관 외부에는 순수(demineralized water)로 수처리된 이차 순환수가 급수펌프로 계속 공급되어 채워져서
유튜브 내의 1차냉각수가 원자로에서 가열되어 증기발생기로 보내진후 2차측 급수를 가열한다..
증기발생기의 유튜브는 2차측 급수인 열 전달 매체가 유튜브를 완전히 덮지를 않으면 노출된 유튜브는 열전달이 않되 열적 손상 즉, 구멍이 나서 일차냉각수와 이차냉각수가 섞여 일차측으로 부터 방사성 물질이 이차측으로 누출되는 고장이 발생할 수 있기 때문에 원자로가 열을 내는 운전중에는 증기발생기 유튜브 번들은 항상 완전히 물속에 잠겨 있겠금 수위조절이 되고 있다.
한편 가압기(pressurizer)는 원자로 냉각수(reactor coolant)가 설계압력을 유지하게 하면서 온도 증가로 인한 냉각수의 팽창과 수축을 흡수하면서 원자로와 증기발생기 상부에 냉각수가 없어지는 동공이 생기지 않도록 냉각수 수위가 중간 정도 유지 되게 하면서
가압기는 원자로 최상단과 증기발생기 유튜브 최상단보다 높은 위치에 설치되있다.
1차 냉각수의 압력을 157kg/cm2로 유지해야 하는 이유는 핵연료를 감싸고 흐르는 냉각수의 압력이 충분히 높아서 핵연료 피복 표면에 온도가 높아도 압력이 놓아서 물이 끓으면서 기포가 생기지 않도록 하는것이다
만약에 압력이 낮으면 핵연료 피복에 기포가 생겨 열 전달이 되지 않는 경우 그 기포부분의 열은 계속 상승하여 연료 피복이 파손되게 되고 급기야 핵연료가 냉각수에 노출되어 방사성물질이 냉각수로 흘러나와 1차 냉각수가 방사선물질로 오염이 되는걸 방지하기 위함이다.
이 가압기의 역할인 원자로 냉각수 압력을 157kg/cm2로 유지 조절하기 위한 조절용 전기 히터(heater) 다발이 가압기 최 하단에 자리잡고 있고 상부에는 압력 조절을 위해 분무 노즐(water spray nozzle) 설치 되 있다.
세정후 점검을 하기위해 가압기 내에도 들어 가봤는데 바닥면에 약간의 쉬스로 싸여있는 전기히터가 있고 나머지는 완전히 빈공간이었다. 이 빈공간이 원자로 냉각재의 압력변화를 조절하면서 적절한 수위를 유지하여 냉각수의 급격한 압력 변화가 없도록 조압 수조 역할을 한다.
1차 냉각수 즉, 원자로냉각수의 순환은 강제 순환방식인데 이를 수행하는것이 원자로냉각펌프(RCP : reactor circulation pump)이다.
이 원자로 냉각펌프는 영광 1.2호기에서는 3루프인데 저온관이 3개라 그 각 저온관에 1대씩이라 총 3대의 냉각펌프가 있고 반면에 영광 3.4호기에서는 2루프이지만 저온관이 4개라서 총 4대의 원자로 냉각 펌프가 설치 되있다.
냉각수펌프의 구성은 단일 속도의 삼상유도전동기에 역회전 방지 장치가 있어 고장시 타 펌프의 영향으로 역회전이되지 않도록 조치한것이고
프렌지로 연결된 펌프는 1단 임펠러 펌프인데 펌프축에는 누수에 강해 냉각재가 누수하기 어려운 메카니컬 시일(mechanical seal)로 밀봉되있고
유도전동기와 축으로 연결된 상부에는 무거운 프라이휠 (flywheel)을 달아두어 전원상실로 원자로가 정지되고 펌프모터에 전원이 상실되더 라도 프라이 휠의 관성으로 가급적 시간을 끌면서 감속되며 노심을 더욱 냉각시킬 수 있도록 제작되었다.
출처 : 김병곤님