초임계압 경수 냉각로

3. 디자인

초임계압 경수 냉각로는 초임계압 상태의 물을 냉각재와 감속재로 사용한다. 초임계 상태에서는 증기와 액체의 구분이 없어지므로, 증기 발생기나 가압기 등이 필요 없어 구조가 단순해진다.

이 원자로에서 사용되는 초임계압 경수는 22.1MPa 이상으로 가압된 경수를 의미한다. 물은 임계점인 374℃, 22.1MPa 이상의 고온, 고압 조건에서는 끓는 현상이 나타나지 않으며^[18], 이러한 성질을 이 원자로에서 활용한다. 한편, 화력 발전에서는 초임계압 경수를 이전부터 (1960년대 이후) 사용해 왔다^[19]。

초임계압 경수로는 초임계압에서 작동하며, 원자로 출구 냉각재는 초임계수이다. 경수는 중성자 감속재와 냉각재로 사용된다. 임계점 이상에서는 증기와 액체의 밀도가 같아 구별이 불가능하므로, PWR에 필요한 가압기 및 증기 발생기나, BWR에 필요한 제트 펌프/재순환 펌프, 증기 분리기 및 건조기가 필요하지 않다. 또한, 비등을 피함으로써 SCWR은 밀도와 감속 효과가 적은 혼돈적인 보이드(기포)를 생성하지 않는다. 경수로에서는 이는 열 전달과 물 흐름에 영향을 미칠 수 있으며, 피드백으로 인해 원자로 출력을 예측하고 제어하기가 더 어려워질 수 있다. 출력 분포를 예측하려면 중성자 및 열수력 결합 계산이 필요하다. SCWR의 단순화는 건설 비용을 절감하고 신뢰성과 안전성을 향상시킬 것이다.

경수로형 SCWR은 단열재가 있는 물관을 채택하고, CANDU형 SCWR은 칼란드리아 탱크에 물 감속재를 유지한다. 경수로형 SCWR의 고속로심은 고변환 경수로로서 좁은 연료봉 격자를 채택한다. 고속 중성자 스펙트럼 SCWR은 더 높은 출력 밀도의 장점을 가지지만, 재처리에서 얻을 수 있는 플루토늄과 우라늄 혼합 산화물 연료가 필요하다.

3. 1. 감속재

3. 2. 연료

3. 3. 냉각재

3. 4. 제어

4. 장점

초임계압 경수 냉각로는 높은 열효율(약 45%)을 통해 핵연료 이용률을 높이고 발전 단가를 낮출 수 있다.^[8] 일반 경수로의 열효율이 33%인 데 비해, 초임계압 경수 냉각로는 45%의 높은 열효율을 보인다. 이는 초임계 랭킨 사이클을 사용하기 때문인데, 현재 가압 경수로(PWR)나 비등 경수로(BWR)의 효율(약 33%)보다 훨씬 높다. 높은 효율은 연료 경제성을 향상시키고, 붕괴열을 줄이는 효과를 가져온다.^[8]

초임계수 냉각재는 높은 엔탈피를 가지므로 열전달 효율이 우수하다. 초임계수는 뛰어난 열 전달 특성을 지녀 고출력 밀도, 작은 노심 및 작은 격납 구조를 가능하게 한다.^[8]

증기 발생기, 가압기 등이 불필요하여 구조가 단순하고, 건설 비용 절감 및 안전성 향상이 가능하다. 초임계압 경수 냉각로는 순환 펌프, 가압기, 증기 발생기, 증기 분류기 및 건조기가 필요 없다. 일반적으로 노심에서 나오는 증기 또는 뜨거운 초임계수를 증기 터빈에서 직접 사용하는 직접 사이클로 설계되어 설계를 단순화 시킨다. 비등 경수로(BWR)가 가압 경수로(PWR)보다 더 단순하듯이, SCWR은 동일한 전기 출력을 갖는 덜 효율적인 BWR보다 훨씬 더 단순하고 소형화된다. 압력 용기 내에는 증기 분리기, 증기 건조기, 내부 재순환 펌프 또는 재순환 흐름이 없다.^[8]

물은 저렴하고 무독성이며 투명하여 검사 및 수리가 용이하다는 장점이 있다. 이는 액체 금속 냉각로와 비교했을 때 큰 장점이다.^[8] 또한, 경수로의 냉각수는 고온에서 순환하므로 전량 정화 처리가 어렵지만, 초임계압 수 냉각로는 노심 냉각수 전량이 터빈으로 보내지는 관류형이므로, 초임계압 화력 발전과 같이 복수 전량을 저온에서 정화 처리할 수 있다. 이는 구조 재료의 응력 부식 균열 대책에 유리하다.

고속 중성자로 설계 시, 증식로로 기능하여 장수명 악티늄 동위원소를 연소시킬 수 있다. 고속 SCWR은 청정하고 환경 친화적인 첨단 반응로와 같이 증식로가 될 수 있으며, 장수명 악티늄 동위원소를 연소시킬 수 있다.^[8] 출력 밀도가 높기 때문에 같은 직경의 원자로 용기에서도 열출력을 크게 할 수 있다는 장점이 있다.

5. 단점

초임계압 경수 냉각로는 다음과 같은 단점을 갖는다.

• 재료: 고온, 고압 환경에 견딜 수 있는 재료 개발이 필요하며, 이는 비용 증가의 요인이 될 수 있다.^[9] 이는 현재의 기술적 한계를 나타내는 것이기도 하다.
• 핵화학: 초임계압에서의 핵화학 과정에 대한 연구가 더 필요하다.^[9]
• 가동 절차: 불안정 상태를 피하기 위한 특유의 가동 절차가 필요하다.^[12] 이는 비등수형원자로와 같이 전력 대 냉각재 유량 비율에 의해 관리되지만, SCWR에서는 냉각재 밀도 변화가 비등수형원자로보다 작다는 특징이 있다.
• 열 완충 능력: 낮은 물 재고량으로 인해 사고 발생 시 열 완충 능력이 적을 수 있다.^[9] 하지만, 스테인리스강 피복재에는 너무 높지 않다. 경수로형 SCWR의 안전성 분석 결과, 전체 흐름 손실 및 냉각재 상실 사고를 포함한 사고 및 비정상적인 과도 현상에서 안전 기준이 여유를 가지고 충족되는 것으로 나타났다.^[10][4][9] 일방향 냉각재 순환으로 인해 양단 파단이 발생하지 않으며, 노심은 냉각재 상실 사고 시 유도된 흐름에 의해 냉각된다.
• 기계적/열적 응력: 더 높은 압력은 더 높은 온도와 결합되고, 노심 전체에 걸쳐 더 높은 온도 상승(가압수형원자로/비등수형원자로에 비해)은 용기 재료에 대한 기계적 및 열적 응력을 증가시킨다.^[11] 경수로형 설계의 경우, 원자로 압력 용기 내벽은 가압수형원자로와 같이 입구 냉각재에 의해 냉각되며, 출구 냉각재 노즐에는 열 슬리브가 장착되어 있다.
• 감속재 배치: 냉각재는 노심 끝에서 밀도를 크게 감소시켜 거기에 추가 감속재를 배치해야 한다.^[11] 경수로형 SCWR 설계는 비등수형원자로와 같이 연료 집합체에 물봉을 채택하며, 물봉의 냉각재 밀도는 얇은 열 절연을 사용하여 높게 유지된다.
• 연구 부족: 방사선 하에서 초임계수 화학에 대한 광범위한 재료 개발 및 연구가 필요하다. 하지만 SCWR 냉각재 전체는 응축 후 정화되어 수질 관리에 유리하다.
• 복잡한 원자로 노심: 고속 SCWR은 음의 보이드 계수를 갖기 위해 비교적 복잡한 원자로 노심이 필요하다. 하지만 단일 냉각재 흐름 통과 노심이 가능하다.^[7]
• 기술 부족: 현재 널리 사용되는 설계의 모든 대안과 마찬가지로, 적어도 초기에 수십 년 된 입증된 기술이나 3세대+ 원자로와 같은 진화적 개선보다 기술, 부품 공급업체가 적고 전문 지식이 부족할 것이다. 하지만 초임계 화석 연료 발전소는 1950년대 이후에 개발되었으며, 관련 부품들은 상업적 응용 분야에 존재한다.^[13][4]
• 화학 시임: 화학 시임은 초임계수의 용액 특성이 액체수와 매우 다르므로 극적으로 다르게 동작할 수 있다. 하지만 화학 시임은 양의 냉각재 보이드 계수로 인해 SCWR뿐만 아니라 비등수형원자로에서도 사용할 수 없다.
• 온라인 재장전: 설계에 따라 온라인 재장전이 불가능할 수 있다. CANDU는 온라인 재장전이 가능하지만, 다른 경수 감속 원자로는 그렇지 않다. 하지만 경수로의 이용률은 이미 미국에서 높고, 90% 이상이다.

6. 안전성

SCWR은 냉각수 수위가 아닌 노심 유량 확보를 통해 안전성을 확보한다. 사고 시에는 수위보다 유량을 더 확실하게 측정할 수 있다.^[23] 관류형 설계로 인해 배관 파단 시 노심 냉각류가 발생하며, 경수로에서처럼 배관 양쪽에서 냉각수가 유출(200% 손실)되는 일은 발생하지 않는다. 원자로 용기 상부 돔의 물은 원자로 용기 내 축압기로 작용한다.^[23]

주요 기기는 경수로 및 화력 발전에서 사용되는 것과 유사한 온도 조건에서 운전되며, 운전 경험이 풍부하여 높은 신뢰성을 가진다. 제어봉은 가압수형 원자로와 마찬가지로 상부에서 삽입되며, 비상시에는 구동 기구에서 분리되어 자유 낙하 방식으로 노심에 삽입된다.

7. 연구 현황

초임계압 경수로(SCWR)는 제4세대 원자로 중 유일한 수냉각 원자로로서, 현재 캐나다, EU, 일본, 중국, 러시아 등 여러 국가에서 연구 개발 및 정보 교환에 참여하고 있다.^[26]

일본에서는 1980년대 말 대학에서 자율 연구로 시작되어 개념 설계 결과 및 안전 해석이 학술 잡지, 초임계압 경수 냉각로 심포지엄(SCR 심포지엄) 등의 국제 회의 논문, 영문 서적 및 국제 기관 강연 자료로 발표되었다.^{[21][24][25][23]} 2000년대부터 2010년대에는 국가 경쟁 자금을 활용한 실험 및 설계 연구가 대학, 연구 개발 기관,^[27][28] BWR 제조사에 의해^[29] 수행되었으며, 대학과 산업계 간 정보 교환도 이루어졌다.^[17]

유럽에서는 고성능 경수로(HPLWR, High Performance Light Water Reactor)라는 명칭으로 2000년대부터 유럽 공동체의 프레임워크 프로그램으로 연구가 진행되었다.^[30] 2020년부터는 ECC smart라는 명칭으로 소형 모듈 원자로 연구가 유럽 각국, 캐나다, 중국이 참여하는 EURATOM 프로그램으로 진행되고 있다.^[31]

참조

_[1] 웹사이트 Supercritical-Water-Cooled Reactor (SCWR) https://www.gen-4.or[...] 2016-04-07
_[2] 간행물 The Supercritical Water Cooled Reactor: Ongoing Research and Development in the U.S American Nuclear Society - ANS, La Grange Park (United States) 2004-07
_[3] 논문 Supercritical-pressure, Once-through Cycle Light Water Cooled Reactor Concept
_[4] 서적 Super Light Water Rectors and Super Fast Reactors Springer
_[5] 웹사이트 GIF R&D Outlook for Generation IV Nuclear Energy Systems https://www.gen-4.or[...]
_[6] 웹사이트 European Commission : CORDIS : Projects and Results : Final Report Summary - SCWR-FQT (Supercritical Water Reactor - Fuel Qualification Test) http://cordis.europa[...] 2018-04-21
_[7] 서적 Supercritical-Pressure Light Water Cooled Reactors Springer
_[8] 논문 Supercritical steam cycle for nuclear power plant http://faculty.olin.[...] 2013-09-25
_[9] 간행물 Feasibility Study of Supercritical Light Water Cooled Reactors for Electric Power Production - Progress Report for Work Through September 2003 - 2nd Annual Report and 8th Quarterly Report http://large.stanfor[...] Idaho National Laboratory
_[10] 웹사이트 Special lecture Super LWR and Super FR R&D", Joint ICTP-IAEA Course on Science and Technology of Supercritical Water-Cooled Rectors (SCWRs), International Center for Theoretical Physics, Trieste, Italy, 27 June to 1 July, 2011 https://indico.ictp.[...] 2022-10-21
_[11] 논문 Conceptual fuel channel designs for CANDU-SCWR http://www.kns.org/j[...]
_[12] 웹사이트 SC19, Plant dynamics and control http://www.f.waseda.[...] 2022-10-23
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_[14] 서적 Mastering the Dynamics of Innovation Harvard Business School Press
_[15] 웹사이트 Joint European Canadian Chinese Development of Small Modular Reactor Technology https://ecc-smart.eu[...] 2022-10-22
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_[27] 웹사이트 岡　芳明（研究代表者、東京大学）軽水冷却スーパー高速炉に関する研究開発 科学技術振興機構　原子力システム研究開発事業　平成20年度成果報告会資料集　2009年1月28日　　平成17－20年度 https://www.nsystemk[...] 科学技術振興機構 2022-10-22
_[28] 웹사이트 岡　芳明（研究代表者、早稲田大学）軽水冷却スーパー高速炉に関する研究開発 原子力システム研究開発及び原子力基礎基盤戦略イニシアティブ　平成26年度成果報告会 平成27年1月16日　研究開発期間　平成22年度―25年度 https://www.nsystemk[...] www.nsystemkoubo.jp 2022-10-24
_[29] 웹사이트 塩入章夫他　超臨界圧水冷却炉の実用化に関する技術開発　平成15年度 期間：平成12年度から平成16年度 革新的実用原子力技術開発費補助事業、 https://www.iae.or.j[...] エネルギー総合工学研究所 2022-10-24
_[30] 웹사이트 Status report 109 - High Performance Light Water Reactor (HP-LWR)　IAEA 2011 Karlsruhe Institute of Technology, Last update 29-08-2011 https://aris.iaea.or[...] aris.iaea.org 2022-10-24
_[31] 웹사이트 ECC smart https://ecc-smart.eu[...] ecc-smart.eu 2022-10-24