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스크램

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1. 개요

스크램(SCRAM)은 원자로의 핵분열 연쇄 반응을 신속하게 중단시키는 비상 정지 장치이다. 이는 반응도를 감소시키기 위해 제어봉을 노심에 삽입하거나, 중성자 흡수재 용액을 주입하는 방식으로 이루어진다. 경수로에서는 제어봉 삽입 방식이 원자로 유형에 따라 다르며, 가압수형 원자로는 모터로 제어봉을 유지하다가 전원 차단 시 자중과 스프링에 의해 삽입되고, 비등수형 원자로는 유압 제어 장치를 사용한다. 또한, 액체 중성자 흡수제를 사용하여 원자로를 정지시키기도 한다. 스크램은 원자로의 안전을 위해 중요한 역할을 하며, 사고 발생 시 원자로의 출력을 즉시 감소시켜 붕괴열을 관리하는 데 기여한다. 스크램이라는 용어의 기원은 명확하지 않으며, 여러 설이 존재한다. 한국에서는 미하마 발전소 사고, 가시와자키-가리와 원자력 발전소 사고, 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 등에서 스크램이 발생했으며, 이는 국내 원자력 안전 규제 및 정책에 영향을 미쳤다.

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스크램
개요
유형원자
핵반응
목적원자로의 비상 정지
작동 방식제어봉 삽입
관련 시스템원자로 보호 시스템 (RPS)
기술적 세부 사항
트리거 조건과도한 중성자 플럭스
높은 원자로 압력
높은 냉각수 온도
지진
전력 손실
수동 작동
제어봉붕소
카드뮴
하프늄 등 중성자 흡수 물질 포함
효과핵분열 연쇄 반응 중단
열 발생 감소
원자로의 안전 확보
안전 및 절차
중요도원자로 안전의 핵심
절차자동 또는 수동으로 수행 가능
다양한 안전 시스템과 연동
역사 및 용어
어원'Safety Control Rod Axe Man'의 약자에서 유래 (비공식적)
대체 용어원자로 트립
비상 정지
기타
참고 사항원자로 설계 및 운영에 필수적인 기능
안전 문화의 중요한 부분

2. 작동 원리

스크램은 원자로 내 핵분열 반응을 즉시 중단시키기 위해 반응도를 급격하게 낮추는 방식으로 작동한다. 어떤 원자로에서든 스크램은 반응도가 큰 음의 질량을 핵분열성 물질 내부에 삽입하여 핵분열 반응을 즉시 종료함으로써 달성된다.[7]

대부분의 원자로 설계에서 일상적인 정지 절차는 제어봉을 삽입하기 위해 스크램을 사용하는데, 이는 제어봉을 완전히 삽입하는 가장 신뢰할 수 있는 방법이며 정지 중 또는 후에 실수로 제어봉을 인출할 가능성을 방지한다.

2. 1. 경수로

경수로에서 스크램은 중성자를 흡수하는 제어봉을 노심에 삽입하여 이루어진다. 제어봉 삽입 방식은 원자로 유형에 따라 다르다.

가압수형 원자로(PWR)에서는 제어봉이 평상시 원자로 노심 위에 위치하며, 전기 모터에 의해 유지된다. 스크램 시에는 모터의 전원이 차단되어 제어봉이 자체 무게와 스프링의 힘으로 노심에 삽입된다. 전자기석을 사용하여 제어봉을 매달아두는 설계도 있으며, 이 경우 전기가 끊어지면 제어봉이 자동으로 삽입된다.

비등수형 원자로(BWR)에서는 제어봉이 원자로 용기 하부에서 삽입된다. 스크램 시에는 축압 탱크를 이용한 수압 제어 장치가 작동하여 제어봉을 빠르게 삽입한다.

PWR과 BWR 모두 주 제어봉 삽입이 실패할 경우를 대비하여 2차 및 3차 예비 정지 계통을 갖추고 있다.

액체 중성자 흡수제(중성자 독)도 경수로의 급속 정지 시스템에 사용된다. 스크램 후에도 원자로가 정지 여유에 도달하지 못하면, 운영자는 붕사, 붕산, 질산 가돌리늄 등의 중성자 흡수 물질을 포함하는 수용액을 원자로 냉각수에 직접 주입하여 반응도를 낮출 수 있다.

PWR에서는 중성자 흡수 용액이 가압 탱크(축압기)에 저장되어 있으며, 필요시 밸브를 통해 1차 냉각 시스템에 주입된다. BWR에서는 대기 액체 제어 시스템을 통해 중성자 흡수제를 주입하며, 고압 질소 가스를 사용하여 원자로 용기에 주입하는 방식도 사용된다. 다만, 액체 붕소 주입은 연료 피복재에 고체 붕소 화합물의 침전을 일으켜 원자로 재시작을 방해할 수 있으므로[7], 제어봉 삽입이 실패한 경우에만 사용된다.[11]

2. 2. 기타 원자로

일부 원자로에서는 제어봉을 매달아두기 위해 전자기석을 사용하며, 전력 공급이 중단되면 즉시 자동으로 제어봉이 삽입되어 원자로가 정지된다.[7]

몇몇 현대 원자력 잠수함은 스크램 외에도, 자동으로 수 초간 고속으로 내부로 모터를 움직이는 기능을 갖춘 원자로를 탑재하고 있다. 이를 통해 모터에서 제어봉을 분리하지 않고도 노심에 제어봉을 짧은 거리만큼 구동시킬 수 있다. 이러한 "고속 삽입"은 원자력 잠수함이 상업용 발전소와 비교하여 즉시 재기동할 준비가 된 상태로 원자로의 일부분을 정지할 수 있게 해준다.

3. 원자로 응답

원자로가 스크램되면 원자로 출력은 거의 즉시 크게 감소한다. 원자로 내 대부분의 중성자는 핵분열 반응에 의해 직접 생성되는 즉발 중성자이다. 이러한 고속 중성자는 감속재로 빠져나가기 전에 포획될 가능성이 높다. 평균적으로 중성자가 감속재에 의해 충분히 감속되어 지속적인 반응을 촉진하는 데 약 13μs가 걸리며, 이를 통해 중성자 흡수체를 삽입하여 원자로에 빠르게 영향을 줄 수 있다.[8]

그러나 일반적인 원자력 발전소의 중성자 중 약 0.65%는 핵분열 생성물의 방사성 붕괴에서 나오는 지발 중성자이다. 이러한 지발 중성자는 더 낮은 속도로 방출되며, 핵원자로가 정지하는 속도를 제한한다.[8]

원래 제어봉 설계의 결함으로 인해 RBMK 원자로를 스크램하면 반응도가 감소하기 전에 위험한 수준으로 상승할 수 있었다. 이는 1983년 이그날리나 원자력 발전소 1호기의 시동 시 전력 서지 현상을 일으키면서 발견되었다. 1986년 4월 26일, 체르노빌 원자력 발전소 사고는 AZ-5 정지 시스템이 노심 과열 후에 시작된 치명적인 결함이 있는 정지 시스템으로 인해 발생했다. RBMK 원자로는 이후 결함을 해결하기 위해 개조되거나 해체되었다.

3. 1. 붕괴열

스크램 후에도 원자로의 연쇄 반응이 중단되도록 설계되어 있지만, 모든 열이 연쇄 반응에서 생성되는 것은 아니다. 장기간(100시간 이상) 일정 전력 레벨을 유지한 후 스크램된 원자로의 경우, 핵분열 생성물의 붕괴로 인해 초기 정지 후에도 정상 상태 전력의 약 7%가 유지된다.[1] 이 핵분열 생성물의 붕괴는 중단될 수 없다.[1] 일정 전력 이력을 갖지 않은 원자로의 경우, 정확한 비율은 스크램 당시 코어 내 개별 핵분열 생성물의 농도와 반감기에 의해 결정된다.[1]

붕괴열에 의해 생성되는 전력은 핵분열 생성물이 붕괴되면서 감소하지만, 붕괴열 제거에 실패하면 원자로 코어 온도가 위험 수준으로 상승할 수 있을 정도로 크다.[1] 이는 쓰리마일 섬 및 후쿠시마 제1 원자력 발전소의 원자력 사고를 포함한 원자력 사고를 유발했다.[1]

4. 어원

스크램(SCRAM)이라는 용어의 기원은 명확하게 밝혀지지 않았다. "Safety Control Rod Axe Man"(안전 제어봉 도끼 남자)의 약어라는 설이 널리 알려져 있지만, 이는 후대에 만들어진 두문자어일 가능성이 높다.[2] 엔리코 페르미세계 최초의 원자로인 시카고 파일 1(CP-1) 건설 당시, 비상 상황 발생 시 도끼로 밧줄을 끊어 제어봉을 낙하시키는 역할을 맡은 노먼 힐베리를 지칭하여 만들었다는 설이 있다.[2] 실제로 최초의 연쇄 반응 당시 힐베리는 도끼를 들고 대기했으며, 1981년 1월 21일 레이먼드 머레이에게 보낸 편지에서 "안전봉이 작동하지 않으면 마닐라 로프를 자르라는 말을 들었다"고 회상했다.[2]

노먼 힐베리(왼쪽)와 레오 실라르드(오른쪽)(최초의 자가 유지 핵 연쇄 반응이 일어난 장소인 Stagg Field에서)


미국 원자력 규제 위원회(NRC)는 "Safety Control Rod Axe Man"을 공식적인 어원으로 인정하기도 했으나,[13] NRC 역사학자 톰 웰록은 이것이 사실이 아니며, 사건 발생 후 오랜 시간이 지나서 나타난 이야기라고 주장했다.[14]

레오나 마셜 리비는 시카고 파일 팀의 일원이었던 볼니 윌슨이 "scram"이라는 용어를 만들었다고 회상했다. 윌슨은 제어봉을 "scram" 봉이라고 불렀고, 원자로가 "scrammed"되었다고 표현했다.[3] 당시 다른 증인들도 리비의 증언에 동의했으며, 워렌 나이어 역시 윌슨이 이 단어를 만들었다고 기록했다.[4] 1952년 미국 원자력 위원회(AEC) 보고서에는 윌슨 팀이 작성한 섹션에 "SCRAM" 라인이 명확하게 표시된 제어봉 회로도가 포함되어 있어, 윌슨이 이 용어를 만들었다는 주장에 힘을 실어준다.[5]

한편, 러시아어 AZ-5 (АЗ-5|아제-5ru)는 аварийная защита 5-й категории|아바리나야 자시타 퍄토이 카테고리ru의 약자로, "5등급 비상 보호"를 의미한다.[6]

5. 한국에서의 스크램 사례

한국에서 발생한 주요 스크램 사례는 다음과 같다.

발생일발전소명원인결과 및 영향
1991년 2월 9일미하마 발전소 2호기전열관 파단비상 노심 냉각 장치(ECCS)가 일본에서 처음으로 작동, 한국 원자력 안전 규제 및 기술 발전에 중요한 영향
2007년 7월 16일가시와자키-가리와 원자력 발전소니가타현 주에츠 해역 지진한국 원자력 발전소 내진 설계 강화 논의 촉발[1]
2011년 3월 11일후쿠시마 제1 원자력 발전소동일본 대지진 및 쓰나미전 세계적 원자력 안전 경각심 고조, 한국 원자력 안전 정책 강화, 더불어민주당은 후쿠시마 원전 사고 이후 탈원전 정책을 주요 공약으로 채택
2023년 1월 30일다카하마 발전소 4호기PR 중성자속 급감원자력 발전소 안전 운영의 중요성을 다시 한번 상기[1]


5. 1. 미하마 발전소 사고 (1991년)

1991년 2월 9일, 미하마 발전소 2호기에서 전열관 파단 사고가 발생하여 비상 노심 냉각 장치(ECCS)가 일본에서 처음으로 작동했다. 이 사고는 대한민국의 원자력 안전 규제 및 기술 발전에 중요한 영향을 미쳤다.

5. 2. 가시와자키-가리와 원자력 발전소 사고 (2007년)

2007년 7월 16일, 니가타현 주에츠 해역 지진으로 인해 가시와자키-가리와 원자력 발전소에서 스크램이 발생했다.[1] 이 사고는 대한민국 원자력 발전소 내진 설계 강화에 대한 논의를 촉발하는 계기가 되었다.

5. 3. 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 (2011년)

2011년 3월 11일, 동일본 대지진 및 쓰나미로 인해 후쿠시마 제1 원자력 발전소에서 스크램이 발생했다. 이 사고는 전 세계적으로 원자력 안전에 대한 경각심을 높였으며, 대한민국 원자력 안전 정책 강화에 큰 영향을 미쳤다. 특히 더불어민주당은 후쿠시마 원전 사고 이후 탈원전 정책을 주요 공약으로 채택했다.

5. 4. 다카하마 원자력 발전소 사고 (2023년)

2023년 1월 30일, 다카하마 발전소 4호기에서 PR 중성자속 급감을 감지하여 스크램이 작동되었다.[1] 이는 비교적 경미한 사고였으나, 원자력 발전소 안전 운영의 중요성을 다시 한번 상기시키는 계기가 되었다.

참조

[1] 웹사이트 Putting the Axe to the 'Scram' Myth https://public-blog.[...] United States Nuclear Regulatory Commission 2011-05-17
[2] 간행물 "Scram!" - Reactor veteran recalls account of the birth of a key word in the nuclear vernacular https://web.ornl.gov[...] Oak Ridge National Laboratory 2000-09-01
[3] 서적 The Uranium People Crane, Rusak & Co.
[4] 뉴스 Putting the Axe to the Scram Myth https://public-blog.[...] U.S. Nuclear Regulatory Commission Blog 2016-02-18
[5] 문서 Experimental Production of a Divergent Chain Reaction, AECD-3269 https://www.osti.gov[...] U.S. Atomic Energy Commission 1952-01-04
[6] 웹사이트 Глава 6. О нажатии АЗ-5 https://zaotvet.info[...]
[7] 서적 Fundamentals of Nuclear Science and Engineering Marcel Dekker
[8] 서적 Nuclear Reactor Analysis https://archive.org/[...] Wiley-Interscience
[9] 웹사이트 Reactor Protection & Engineered Safety Feature Systems http://www.nuclearto[...] 2007-02-25
[10] 웹사이트 原子炉機器(BWR)の原理と構造 (02-03-01-02) - ATOMICA - https://atomica.jaea[...]
[11] 서적 Fundamentals of Nuclear Science and Engineering Marcel Dekker
[12] 서적 Nuclear Reactor Analysis Wiley-Interscience
[13] 웹사이트 NRC: Glossary — Scram http://www.nrc.gov/r[...] アメリカ合衆国原子力規制委員会, アメリカ合衆国連邦政府 2010-01-14
[14] 뉴스 Putting the Axe to the ‘Scram’ Myth « http://public-blog.n[...] U.S. NRC Blog 2011-05-17
[15] 웹사이트 Reactor veteran recalls account of the birth of a key word in the nuclear vernacular http://www.ornl.gov/[...] 2009-05-05
[16] 서적 The Uranium People Crane, Rusak & Co.



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