제어봉
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1. 개요
제어봉은 원자로의 핵분열 연쇄 반응 속도를 조절하여 열출력, 증기 생산율, 전력 출력을 제어하는 데 사용되는 장치이다. 사용 목적에 따라 출력제어봉, 심봉, 안전봉으로 구분되며, 원자로 노심에 삽입되어 중성자를 흡수함으로써 반응도를 제어한다. 제어봉의 삽입 수와 깊이에 따라 반응도가 변화하며, 원자로의 기동, 출력 조절, 정지에 사용된다. 제어봉 재료로는 은-인듐-카드뮴 합금, 탄화 붕소, 하프늄, 티탄산 디스프로슘 등이 사용되며, 원자로 유형에 따라 제어봉의 설계 및 작동 방식에 차이가 있다.
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| 제어봉 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 기능 | 핵반응 속도 조절 |
| 사용 | 원자로 |
| 재료 | 붕소 카드뮴 하프늄 은 합금 기타 중성자 흡수 물질 |
| 상세 정보 | |
| 작동 원리 | 중성자 흡수 |
| 중요성 | 핵분열 연쇄 반응 제어 원자로의 안전 유지 |
| 설계 고려 사항 | 중성자 흡수 단면적 부식 저항성 기계적 강도 열적 안정성 |
2. 종류
제어봉은 사용 목적에 따라 출력제어봉, 심봉, 안전봉으로 구분된다.
- 출력제어봉은 출력을 정밀하게 조절하거나 출력 분포를 균일하게 유지하는 데 사용된다.
- 심봉은 비교적 큰 출력을 조절하거나 핵분열 생성물에 의한 반응도 감소를 보완하는 데 사용된다.
- 안전봉은 원자로를 급히 정지시킬 때 사용되며, 원자로의 안전을 유지하는 역할을 한다.
원자로의 반응도를 제어하는 다른 방법으로는 화학적 독물질이 있는데, 이것은 냉각재에 중성자를 잘 흡수하는 물질을 섞어 놓은 것으로, 대표적으로 붕산(H₃BO₃)이 있다. 제어봉에 비해 반응 속도가 느려서 장기적인 반응도를 제어하는 데 쓰이고, 노심 전체에 균일하게 분포되므로 원자로 내의 중성자 분포를 균일하게 유지할 수 있다.
2. 1. 출력제어봉
출력제어봉은 출력을 정밀하게 조절하거나 출력 분포를 균일하게 유지하는 데 사용된다. 출력제어봉을 삽입하면, 흡수할 수 있는 중성자의 양은 작지만 반응 속도는 매우 빠르게 나타난다.2. 2. 심봉
심봉은 비교적 큰 출력을 조절하거나 핵분열 생성물에 의한 반응도 감소를 보완하는 데 사용된다.[1] 심봉을 삽입하면 흡수할 수 있는 중성자의 양은 많지만 반응 속도는 매우 서서히 나타난다.[1]2. 3. 안전봉
안전봉은 원자로를 급히 정지시킬 때 사용되며, 원자로의 안전을 유지하는 역할을 한다.[1] 안전봉은 중성자 흡수량이 매우 크고 반응속도도 빠르다.[1]대부분의 원자로 설계에서, 안전 조치로 제어봉은 직접적인 기계적 연결 대신 전자석에 의해 들어올리는 기계에 부착된다.[1] 이는 전원 고장 시, 또는 들어올리는 기계의 고장으로 수동으로 작동될 경우, 중력에 의해 제어봉이 자동으로 반응로 안으로 완전히 떨어져 반응을 멈추게 함을 의미한다.[1] 이러한 페일 세이프 작동 방식의 주목할 만한 예외는 비등수형 원자로(BWR)로, 비상 정지 시 고압의 특수 탱크에서 물을 사용하여 유압 삽입이 필요하다.[1] 이와 같이 원자로를 신속하게 정지시키는 것을 스크램이라고 한다.[1]
3. 작동 원리
제어봉은 원자로 노심에 삽입되어 제어를 통해 핵분열 연쇄 반응의 반응률을 조절하며, 이를 통해 원자로의 열출력, 증기 생산율, 발전소의 전력 출력을 제어한다.
삽입된 제어봉의 수와 삽입 깊이는 원자로의 ''반응도''에 큰 영향을 미친다. 반응도(유효 중성자 증배 계수)가 1보다 크면 핵분열 연쇄 반응의 속도가 시간이 지남에 따라 지수적으로 증가한다. 반응도가 1보다 작으면 반응 속도가 시간이 지남에 따라 지수적으로 감소한다. 모든 제어봉이 완전히 삽입되면 반응도를 0보다 약간 높게 유지하여 작동 중인 원자로를 빠르게 정지시키고 정지 상태를 유지한다(정지). 모든 제어봉을 완전히 제거하면 반응도가 1보다 상당히 높아지고 원자로는 다른 요인(예: 온도 반응도 피드백)이 반응 속도를 늦출 때까지 점점 더 뜨거워진다. 일정한 출력 유지를 위해서는 장기 평균 중성자 증배 계수를 1에 가깝게 유지해야 한다.
새로운 원자로는 제어봉을 완전히 삽입한 상태로 조립된다. 핵분열 연쇄 반응을 시작하고 원하는 출력 수준으로 증가시키기 위해 제어봉을 노심에서 부분적으로 제거한다. 중성자속을 측정할 수 있으며, 이는 반응률과 출력 수준에 대략 비례한다. 출력 출력을 증가시키기 위해 일부 제어봉을 잠시 동안 약간의 거리를 빼낸다. 출력 출력을 감소시키기 위해 일부 제어봉을 잠시 동안 약간의 거리를 밀어 넣는다. 몇 가지 다른 요인이 반응도에 영향을 미치며, 이러한 요인을 보상하기 위해 자동 제어 시스템은 일부 원자로에서 필요에 따라 제어봉을 약간씩 넣거나 빼는 방식으로 조정한다. 각 제어봉은 다른 부분보다 원자로의 일부에 더 큰 영향을 미치며, 노심의 다른 부분에서 유사한 반응률과 온도를 유지하기 위해 연료 분포에 대한 계산된 조정이 이루어질 수 있다.
정지 시간은 유럽형 가압 경수로 또는 진보형 CANDU 원자로와 같은 최신 원자로의 경우 90% 감소에 2초가 소요되며, 이는 붕괴열에 의해 제한된다.
4. 원자로 유형별 제어봉
비등수형 원자로(BWR)는 가압수형 원자로(PWR)와 달리 원자로 정지 및 출력 제어에 사용되는 제어봉 설계에서 차이가 있다. BWR은 원자로 상부에 증기분리기 등이 있어 제어봉 집합체가 원자로 하부에 위치하며, 노심 하부에서 고압 유압 계통에 의해 삽입된다. 또한, BWR에는 Torus 또는 Suppression Pool이 있어, 원자로나 원자로 재순환 계통에서 많은 양의 증기가 방출되는 사고 발생 시 방출된 열을 제거하는 데 사용된다. 체르노빌 원자력 발전소에는 200개의 제어봉이 있었다.[17]
BWR은 냉각수 수량 증감에 따른 노내 증기 보이드(거품) 양으로 단기적인 출력 조절이 가능하므로, 제어봉은 주로 장기적인 반응도 조절에 사용된다. 개량형 비등수형 원자로(ABWR)의 제어봉 구동 장치(CRD)는 수압과 전동(미세 구동)을 결합한 방식이다.
4. 1. 가압수형 원자로 (PWR)
가압수형 원자로 (PWR)에서는 제어봉을 사용하여 단기적인 출력 조절을 한다. 제어봉은 연료 집합체 내부에 분산, 조립되어 일괄적으로 제어되는데, 이를 "제어봉 클러스터"라고 부른다. 제어봉 클러스터는 원자로 압력 용기 상부에 설치된 전동 제어봉 구동 장치(CRD)에 의해 노심 내에 삽입된다. 비상시에는 제어봉이 CRD에서 분리되어 중력에 의해 노심 내로 완전히 삽입된다. 제어봉의 단면은 연료봉과 같이 원형이며, 하나의 CRD에는 4개 연료 집합체의 제어봉 클러스터가 연결되어 있다. BWR과는 용도가 달라 제어봉 재질도 다르다. PWR에서 장기적인 반응도 조정은 1차 냉각수의 붕산 농도를 조절하여 이루어진다.4. 2. 비등수형 원자로 (BWR)
가압수형 원자로(PWR)와 달리 비등수형 원자로(BWR)는 원자로 상부에 증기분리기 등이 있어 제어봉 집합체가 원자로 하부에 위치한다. 제어봉은 노심 하부에서 고압 유압 계통에 의해 삽입된다. 장기적인 반응도 조절에는 제어봉이 사용되지만, 단기적인 출력 조절은 냉각수의 수량 증감에 따른 노내 증기 보이드(거품)의 양으로 조절한다.[17]제어봉 단면은 4개의 연료 집합체 사이에 끼워지는 십자형이다. 비상시에는 축압 탱크(어큐뮬레이터)에 의한 가압수의 수압으로 노심에 전 삽입된다.[16]
4. 3. 개량형 비등수형 원자로 (ABWR)
개량형 비등수형 원자로(ABWR)의 제어봉 구동 장치(CRD)는 수압과 전동(미세 구동)을 결합한 방식이다.5. 재료
- '''은-인듐-카드뮴 합금(Silver-indium-cadmium alloys영어)''': 일반적으로 80% Ag, 15% In, 5% Cd로 구성되며, 가압 경수로(PWR)의 일반적인 제어봉 재료이다.[6] 에너지 흡수 영역이 약간씩 달라 우수한 중성자 흡수체로 작용한다. 기계적 강도가 좋고 쉽게 제작할 수 있으나, 뜨거운 물에서 부식을 방지하기 위해 스테인리스강으로 덮어야 한다.[7]
- '''탄화 붕소(B₄C)''': PWR과 비등수형 원자로(BWR) 모두에서 제어봉 재료로 사용된다. 10B와 11B의 단면적이 다르기 때문에 동위원소 분리를 통해 10B로 농축된 붕소를 포함하는 재료가 자주 사용된다. 붕소는 넓은 흡수 스펙트럼을 가져 중성자 차폐재로도 적합하다.[2]
- '''하프늄(Hf)''': 감속재와 냉각재로 모두 물을 사용하는 원자로에 탁월한 특성을 보인다. 기계적 강도가 우수하고 제작이 쉬우며, 뜨거운 물에서의 부식에 강하다.[8] 주로 미 해군 원자로에서 사용된다.
6. 반응도 제어의 추가 수단
화학적 독물질(chemical shim)은 냉각재에 중성자를 잘 흡수하는 물질을 섞어 놓은 것으로, 붕산이 대표적이다. 제어봉에 비해 반응속도가 느려서 장기적인 반응도를 제어하는 데 사용되며, 노심 전체에 균일하게 분포되므로 원자로 내의 중성자 분포를 균일하게 유지할 수 있다.[15] 가압 경수로에서는 반응로 냉각수에 용해성 중성자 흡수제(붕산)를 첨가하여 정지 상태에서 제어봉을 완전히 인출하여 전체 노심에 균등한 출력 및 플럭스 분포를 보장하기도 한다.
연료 펠릿 내에 연소성 중성자 독을 사용하는 것도 노심의 장기적인 반응도 조절을 돕는 데 사용된다.[15]
비등수형 원자로(BWR)의 운전자는 반응로 재순환 펌프의 속도를 변경하여 냉각수를 통해 흐르는 유량을 사용하여 반응도를 제어한다. 노심을 통한 냉각수 유량 증가는 증기 기포 제거를 개선하여 냉각수/감속재의 밀도를 증가시켜 출력을 증가시킨다.
7. 안전
대부분의 원자로 설계에서, 안전 조치로 제어봉은 직접적인 기계적 연결 대신 전자석에 의해 들어올리는 기계에 부착된다. 이는 전원 고장 시, 또는 들어올리는 기계의 고장으로 수동으로 작동될 경우, 중력에 의해 제어봉이 자동으로 반응로 안으로 완전히 떨어져 반응을 멈추게 함을 의미한다. 이러한 페일 세이프 작동 방식의 주목할 만한 예외는 비등수형 원자로(BWR)로, 비상 정지 시 고압의 특수 탱크에서 물을 사용하여 유압 삽입이 필요하다. 이와 같이 원자로를 신속하게 정지시키는 것을 스크램이라고 한다. 핵사고의 경우, SL-1 폭발 사고 및 체르노빌 원자력 발전소 사고를 포함하여, 부적절한 관리나 제어봉 고장이 원인으로 자주 지목된다.
균질 중성자 흡수체는 핵분열성 물질의 수용액을 포함하는 임계 사고를 관리하는 데 자주 사용되어 왔다. 몇몇 사고에서 붕사(나트륨 붕산염) 또는 카드뮴 화합물이 시스템에 추가되었다. 카드뮴은 핵분열성 물질의 질산 용액에 금속 형태로 첨가될 수 있으며, 산에서 카드뮴의 부식은 이후 카드뮴 질산염을 ''현장''에서 생성한다.
참조
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