보이드 계수
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1. 개요
보이드 계수는 원자로 내 냉각재의 기포(공극) 변화에 따른 반응도 변화를 나타내는 지표이다. 냉각재는 중성자 흡수 또는 감속 역할을 하며, 공극량 변화는 원자로의 반응도에 영향을 미친다. 양의 보이드 계수는 공극 증가 시 반응도가 증가하며, 냉각재가 중성자 흡수체 역할을 할 때 발생할 수 있다. 음의 보이드 계수는 공극 증가 시 반응도가 감소하며, 비등수형 원자로에서 안전 시스템 역할을 한다. 원자로 설계에 따라 보이드 계수는 설계 문제 또는 원하는 특성이 될 수 있으며, 원자로 유형에 따라 보이드 계수의 특성이 다르다. 예를 들어 비등수형 원자로는 음의 보이드 계수를 가지며, 가압수형 원자로는 물의 손실 시 출력 감소를 보장하는 큰 음의 보이드 계수를 가진다.
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| 보이드 계수 | |
|---|---|
| 보이드 계수 | |
| 정의 | 원자로 내에서 보이드 (기포)의 형성으로 인한 핵분열 속도의 변화 |
| 특징 | 양수 값: 보이드 증가 시 핵분열 속도 증가, 불안정성 초래 가능 음수 값: 보이드 증가 시 핵분열 속도 감소, 안전성 향상 |
| 원자로 종류별 보이드 계수 | |
| 경수로 (BWR) | 일반적으로 큰 음수 값 비등수형 원자로에서 보이드가 핵분열 반응을 조절하는 주요 메커니즘 |
| 중수로 (CANDU) | 설계에 따라 다름 일반적으로 작거나 양수 값 추가적인 안전 시스템 필요 |
| 액체 금속 고속로 (LMFBR) | 설계에 따라 다름 양수 값일 수 있음 안전 문제 발생 가능 |
| 안전성 고려 사항 | |
| 보이드 계수 값 | 원자로 설계 및 운전 시 중요한 고려 사항 |
| 양수 보이드 계수 | 제어되지 않는 출력 증가 가능성 안전 시스템 설계에 신중한 고려 필요 |
| 음수 보이드 계수 | 원자로 안정성 향상 출력 변동에 대한 자체 조절 능력 제공 |
| 기타 정보 | |
| 관련 개념 | 감속재 제어봉 임계 |
2. 원리
핵분열 원자로는 핵 연쇄 반응을 통해 열을 발생시키며, 이 과정에서 중성자의 역할이 중요하다. 열 중성자는 고속 중성자보다 핵분열성 핵에 더 쉽게 흡수되므로, 중성자 감속재는 중성자의 속도를 늦춰 핵분열 확률을 높인다. 반면, 중성자 흡수체는 핵분열 확률을 낮춘다.
원자로에서 발생하는 열을 제거하기 위해 냉각 시스템이 사용된다. 냉각재로는 가압수, 액체 금속 (나트륨, NaK, 납, 수은 등), 또는 가스 (고급 가스 냉각 원자로 참조) 등이 사용된다. 냉각수가 액체인 경우, 원자로 내부 온도 상승으로 인해 끓으면 증기 기포, 즉 '공극'이 발생한다. 냉각재 상실 사고와 같은 사고 발생 시에도 공극이 형성될 수 있다.
냉각재는 중성자 흡수체 또는 감속재 역할을 할 수 있다. 일반적으로 두 가지 역할을 모두 수행하지만, 한쪽의 영향이 더 크다. 원자로 내부의 공극량 변화는 원자로의 반응도에 영향을 미치며, 이러한 반응도 변화는 ''공극 계수''로 나타낸다.
큰 공극 계수는 원자로 설계에 따라 문제가 되거나(더 정밀하고 빠른 제어 시스템 필요) 또는 바람직한 특성이 될 수 있다. 가스 냉각 원자로는 공극 형성 문제가 발생하지 않는다.
2. 1. 양의 공극 계수
냉각재 내 공극(증기 기포)의 증가로 인해 원자로의 반응도가 증가하는 현상을 양의 공극 계수라고 한다. 냉각재가 주로 중성자 흡수체 역할을 하는 경우에 발생한다. 이러한 양의 공극 계수는 첫 증기 기포 발생부터 시작하여 정의 피드백 루프를 유발한다. 이 현상은 제어 메커니즘으로 대응하지 않거나, 해당 메커니즘의 응답 시간이 너무 느린 경우 원자로의 모든 냉각재를 빠르게 끓게 할 수 있다.체르노빌 원자력 발전소 사고에서 파괴된 RBMK 원자로가 이러한 경우에 해당한다. 당시 자동 제어 메커니즘이 대부분 비활성화되었고, 운전자는 높은 출력 수준을 빠르게 복원하려 했다. 또한, 제어봉 설계 결함으로 인해 운전자는 노심에 중성자 독이 최대 수준으로 존재한다는 것을 인지하지 못했다.
2. 2. 음의 공극 계수
냉각재 내 공극이 증가하면 원자로의 반응도가 감소하는 현상을 음의 공극 계수라고 한다. 비등수형 원자로(BWR)에서는 갑작스러운 압력 상승으로 인해 증기 기포가 줄어들고, 이에 따라 열 출력이 증가할 수 있다. 이러한 현상은 안전 시스템에 의해 제어되거나, 압력 완화로 공극이 다시 증가하여 출력이 감소할 때까지 지속될 수 있다. 비등수형 원자로는 이러한 과도 현상을 처리하도록 설계되어 있다. 반면, 공극 없이 작동하도록 설계된 원자로의 경우, 큰 음의 공극 계수는 냉각재 손실 시 열 출력을 감소시키는 안전 장치 역할을 할 수 있다.3. 원자로 설계
핵분열 원자로는 핵 연쇄 반응을 통해 작동하며, 핵분열을 겪는 각 원자핵은 열과 중성자를 방출한다. 열 중성자는 고속 중성자보다 핵분열성 핵에 더 쉽게 흡수되므로, 중성자의 속도를 늦추는 중성자 감속재는 원자로의 반응도를 증가시키는 반면, 중성자 흡수체는 원자로의 반응도를 감소시킨다.
원자로에서 유용한 에너지를 추출하고 원자로를 온전하게 유지하기 위해 냉각 시스템을 사용한다. 냉각수는 액체나 기체 형태이며, 액체 냉각수는 원자로 내부 온도 상승에 따라 끓어 ''공극''을 형성할 수 있다. 냉각 액체는 중성자 흡수체 또는 감속재 역할을 하며, 공극량은 원자로의 반응도에 영향을 미친다. 원자로 내부의 공극 변화로 인한 반응도 변화는 ''공극 계수''에 비례한다.
공극 계수는 양수 또는 음수일 수 있다. 양의 공극 계수는 공극 함량이 증가함에 따라 반응도가 증가하는 것을 의미하며, 냉각재가 주로 중성자 흡수체 역할을 하는 경우에 발생한다. 이는 정의 피드백 루프를 유발하여 원자로의 모든 냉각재를 빠르게 끓게 할 수 있으며, 체르노빌 원자력 발전소 사고에서 RBMK 원자로에서 발생한 현상이다. 반면, 음의 공극 계수는 공극 함량이 증가함에 따라 반응도가 감소하는 것을 의미하며, 비등수형 원자로에서 갑작스러운 압력 상승 시 공극 함량 감소로 인해 열 출력이 증가할 수 있다.
큰 공극 계수는 원자로 설계에 따라 설계 문제 또는 원하는 품질이 될 수 있다. 가스 냉각 원자로는 공극 형성 문제가 없지만, 액체 냉각 원자로는 공극 계수에 따른 설계를 고려해야 한다.
3. 1. 가압수형 원자로 (PWR)
가압수형 원자로(PWR)는 물을 감속재와 냉각재로 사용하며, 상대적으로 적은 양의 보이드(증기 기포)로 작동한다.[1] 물이 끓거나 손실될 경우 큰 음의 보이드 계수를 가져, 핵분열 반응이 감소하고 원자로 출력이 줄어든다.[1] 이는 냉각재 상실 사고 시 안전성을 높이는 요인이다.3. 2. 비등수형 원자로 (BWR)
비등수형 원자로는 일반적으로 음의 보이드 계수를 가지며, 정상 작동 시에는 원자로 출력을 조절하는 데 사용된다. 하지만 음의 보이드 계수는 원자로 압력이 갑자기 증가하는 경우(예: 유선형 밸브의 갑작스러운 폐쇄) 원자로 출력이 계획되지 않게 증가할 수 있다. 또한 재순환 펌프 고장으로 인해 노심 유량이 갑작스럽게 감소하면 출력 진동이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해 비등수형 원자로는 갑작스러운 압력 상승 속도를 제한하고, 연료나 배관 손상 전에 원자로 출력 증가 또는 불안정한 출력 진동을 막는 여러 안전 시스템을 갖추고 있다.[1]3. 3. CANDU 원자로
CANDU 원자로는 중수를 감속재로 사용하는 캐나다형 원자로이다. CANDU 원자로는 양의 보이드 계수를 갖지만, 제어 시스템이 원자로가 위험한 온도에 도달하기 전에 끓는 냉각재에 쉽게 대응할 수 있을 정도로 그 값이 작다.[1] 또한, 냉각재 상실 사고는 자동으로 원자로를 스크램하며, 경수로와 달리 "일반" 물을 원자로 노심에 주입하는 것(예: 비상 냉각수)은 CANDU가 경수에 상당한 양으로 존재하는 중성자 흡수 없이 임계 상태에 도달할 수 있기 때문에 임계 사고의 위험을 제기하지 않는다. 고급 CANDU 원자로는 CANDU를 기반으로 한 미건설 제안 원자로 유형으로, 음의 보이드 계수를 약속하지만 "일반" CANDU가 사용하는 천연 우라늄으로는 작동할 수 없고 약간 농축된 우라늄을 연료로 사용해야 한다.3. 4. RBMK 원자로
RBMK 원자로는 흑연을 감속재로 사용하는 구 소련형 원자로이다. 체르노빌 사고의 원인이 된 RBMK는 위험할 정도로 높은 양의 보이드 계수를 가지고 있었다.[1] RBMK는 농축되지 않은 우라늄을 사용하고 중수가 필요 없어 비용 절감이 가능했지만, 다른 소련 설계인 VVER와 달리 무기급 플루토늄을 생산할 수 있었다는 특징이 있다.[1] 체르노빌 사고 이전 RBMK 원자로는 4.7 베타의 양의 보이드 계수를 가졌으나, 사고 이후 0.7 베타로 낮아져 안전하게 운전을 지속할 수 있었다.3. 5. 고속 증식로 (FBR)
고속 중성자로는 고속 중성자로 작동하기 때문에 감속재를 사용하지 않지만, 냉각재(종종 납 또는 나트륨)는 중성자 흡수재 및 반사체 역할을 할 수 있다. 이러한 이유로 양의 보이드 계수를 갖는다.3. 6. 가스 냉각형 원자로
매그녹스 원자로, 고급 가스 냉각 원자로, 구상로는 냉각재로 기체를 사용하므로 보이드 계수가 문제가 되지 않는다. 실제로 일부는 활성 제어 시스템 없이 냉각재가 완전히 손실되어도 노심 용융을 일으키지 않도록 설계될 수 있다. 그러나 모든 원자로 설계와 마찬가지로 냉각재 손실은 사고로 이어질 수 있는 여러 가능한 고장 중 하나일 뿐이다. 구상로 노심에 액체 물이 우발적으로 유입되는 경우 양의 보이드 계수가 발생할 수 있다. 매그녹스 및 UNGG 원자로는 전력과 무기급 플루토늄을 생산하는 이중 목적으로 설계되었다.[1]3. 7. 용융염 원자로 (MSR)
용융염 원자로는 핵연료를 용융염에 용해시켜 사용하는 방식이다. 열 중성자 스펙트럼을 사용하는 경우, 핵 흑연과 같은 외부 감속재가 일반적으로 사용된다. 핵연료가 용융염에 용해되면 휘발성 핵분열 생성물이 용액에서 "거품이 생길" 수 있으며, 이로 인해 거품이 생기는 지점과 그 주변의 반응도가 감소한다. 또한, 대부분의 핵분열 생성물 중 제논-135는 강력한 중성자 독으로 작용한다. 용융염의 비등점은 비교적 높기 때문에 비등으로 인한 결과는 크게 강조되지 않는다. 종종 용융염 원자로는 염의 비등점보다 훨씬 낮은 온도에서 녹는 용융 플러그를 사용하여 노심 포집기에서 굳어지도록 설계된다.
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