흑연감속 비등경수 압력관형 원자로
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1. 개요
흑연감속 비등경수 압력관형 원자로(RBMK)는 소련에서 개발된 원자로로, 흑연을 감속재로, 경수를 냉각재로 사용하며, 플루토늄 생산과 원자력 발전을 동시에 목표로 했다. 1968년 RBMK-1000 설계가 완료되었으며, 당시 세계 최대 원자로 설계였다. RBMK는 대형 원자로 압력 용기가 필요 없는 장점을 가졌지만, 높은 양의 보이드 계수로 인해 제어가 어렵고, 체르노빌 사고와 같은 치명적인 사고의 위험을 안고 있었다. 체르노빌 사고 이후 안전성 개선을 위한 개량이 이루어졌지만, 국제적인 안전 우려로 인해 여러 RBMK 원자로가 폐쇄되었으며, 현재는 러시아 내 일부 원자로만 운전 중이다.
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| 흑연감속 비등경수 압력관형 원자로 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 개념 | 흑연 감속 경수 냉각로 |
| 세대 | 2세대 원자로 |
| 노형 계열 | RBMK |
| 원자로 유형 | RBMK-1000, RBMK-1500, RBMKP-2400 (미건설) |
| 상태 | "26개의 블록:" 7개 가동 중 1개 사고 발생 1개 부분 손상 9개 취소 10개 폐쇄 3개의 소형 EGP-6 흑연 감속 비등수형 원자로 가동 중 (2021년 12월 기준) |
| 핵연료 유형 | NU_SEU_LEU |
| 핵연료 상태 | 고체 |
| 스펙트럼 | 열 |
| 제어 | 제어봉 |
| 냉각재 | 액체 (경수) |
| 감속재 | 흑연 |
| 전기 출력 | "RBMK-1000: 1,000 MWe" "RBMK-1500: 1,500 MWe" "RBMKP-2400: 2,400 MWe" |
| 열 출력 | "RBMK-1000: 3,200 MWth" "RBMK-1500: 4,800 MWth" "RBMKP-2400: 6,500 MWth" |
| 용도 | 전력 생산 |
| 명칭 | |
| 러시아어 | реа́ктор большо́й мо́щности кана́льный (략토르 볼쇼이 모쉬노스티 카날니) |
| 특징 | |
| 주요 특징 | 채널형 원자로, 양의 기포 계수 |
2. 역사
RBMK는 소련의 핵무기 개발과 원자력 발전소 건설을 병행 추진하는 과정에서 탄생했다. 1954년, 최초의 RBMK인 옵닌스크 AM-1이 가동되어 5MW의 전력을 생산했다.[11] 이후 벨로야르스크 원자력 발전소에 AMB-100, AMB-200 원자로가 건설되었다.[11]
RBMK는 흑연 감속재와 경수 냉각재를 사용하는 독특한 설계의 원자로이다. 비등수형 원자로와 비슷하게, 7m 높이의 압력관 내에서 경수가 290°C에서 끓으며, 이 압력관은 흑연 감속재를 통과한다. 연료로는 저농축 우라늄을 사용하며, 3.5m 길이의 연료 집합체 형태로 압력관에 장착된다.
RBMK는 저농축 우라늄 연료(1.8% 농축 우라늄)를 사용할 수 있도록 설계되어, 특수 공장이 아닌 현장에서 부품을 제작하여 빠르게 건설할 수 있었다.[11] 초기 1000MWe 설계는 더 강력한 원자로 개발의 가능성을 열어두었다. 예를 들어, 리투아니아의 이그날리나 원자력 발전소에 있는 RBMK 원자로는 각각 1500MWe로, 당시와 21세기 초에도 매우 큰 규모였다.[11]
1968년에 RBMK-1000의 설계가 완료되었다.[11] 당시에는 서방 설계와 VVER(초기 소련 PWR 원자로 설계)의 출력 및 물리적 크기를 능가하는 세계 최대 원자로 설계였다.[11] CANDU 원자로와 마찬가지로 VVER 원자로에서 사용되는 것과 같은 크고 두꺼운 벽의 원자로 압력 용기에 필요한 전문 산업 없이 생산할 수 있었고, 따라서 RBMK 원자로 구성 요소를 제조할 수 있는 공장의 수를 늘렸다.[11] RBMK는 프로토타입 없이 바로 대량 생산에 들어갔다.
RBMK는 독특한 설계, 큰 크기 및 출력으로 인해 일부 사람들에 의해 소련의 국가 원자로로 선언되었다. 한편 VVER 설계는 많은 서방 원자로와 공유되는 가압수형 원자로(PWR) 설계로 인해 "미국 원자로"라고 불렸다.[11] RBMK 설계에 대한 일급 비밀 발명 특허는 쿠르차토프 원자력 연구소의 아나톨리 알렉산드로프가 소련 특허청에 제출했다.[11]
RBMK는 1964년부터 1966년까지 아나톨리 알렉산드로프와 니콜라이 돌레잘이 각각 이끄는 쿠르차토프 원자력 연구소와 НИКИЭТ имени Н. А. Доллежаля|NIKIETru에서 주로 설계되었다.[11]
최초 RBMK 장치의 건설 명령은 1966년 소련 정부에 의해 레닌그라드에 발부되었고, 쿠르차토프 연구소 내부를 포함한 다른 사람들도 설계 결함을 인식하고 있었지만, 우려 사항은 소련 공산당 중앙위원회와 소련 각료 회의에 전달되었다.[12] 1968년에 최종 확정된 설계는 수년 후 발견된 추가 결함을 해결하지 못했다.[12] 레닌그라드 원자력 발전소의 최초 RBMK 건설은 1970년에 시작되어, 1973년에 레닌그라드 1호기가 가동되었다.[12]
레닌그라드에서는 RBMK가 높은 양의 보이드 계수로 인해 우라늄 연료가 소비되거나 연소됨에 따라 제어하기 어려워지고, 3년 후 유지 보수를 위해 폐쇄될 때 예측 불가능해진다는 사실이 발견되었다.[12] 이 문제를 완화하기 위해 농축률은 1.8%에서 2.0%로 증가했다.
1980년, NIKIET는 기밀 연구를 완료한 후 정상 작동 중에도 RBMK 사고가 발생할 가능성이 있음을 깨달았지만, 결함을 수정하기 위한 조치는 취해지지 않았다.[13]
3. 설계
RBMK는 흑연 감속재를 사용하기 때문에 양의 보이드 계수를 갖는 특성이 있다. 이는 원자로 내에서 증기 기포가 발생하면 핵반응이 증폭되는 현상을 의미하며, 체르노빌 원자력 발전소 사고의 주요 원인 중 하나로 지목된다.[13]
RBMK는 운전 중 연료 교환이 가능하다는 장점이 있다. 이는 다른 원자로에 비해 가동률을 높일 수 있지만, 핵무기 개발에 악용될 수 있다는 우려를 낳기도 한다.
RBMK는 소련 원자력 프로그램의 일환으로 개발되었으며, 군사용 플루토늄 생산 원자로를 기반으로 설계되었다. 최초의 RBMK인 옵닌스크 AM-1은 1954년부터 1959년까지 가동되었다. 이후 벨로야르스크 원자력 발전소에 AMB-100 및 AMB-200 원자로가 건설되었다.
RBMK-1000의 설계는 1968년에 완료되었으며, 당시 세계 최대 규모의 원자로였다. CANDU 원자로와 마찬가지로, RBMK는 원자로 압력 용기 없이 생산할 수 있어 제조 공장 수를 늘릴 수 있었다. RBMK는 독특한 설계와 큰 크기로 인해 소련의 국가 원자로로 선언되기도 했다.
RBMK는 1964년부터 1966년까지 아나톨리 알렉산드로프와 니콜라이 돌레잘이 이끄는 연구소에서 설계되었다. RBMK는 제조 용이성과 높은 출력으로 인해 소련에서 선호되었으며, 중앙 경제 계획 목표 달성에 기여했다.[11]
최초의 RBMK는 레닌그라드 원자력 발전소에 건설되었으며, 1973년에 가동되었다. 그러나 RBMK는 높은 양의 보이드 계수로 인해 제어가 어렵다는 문제점이 발견되었다.
1980년, NIKIET는 RBMK 사고 가능성을 인지했지만, 결함 수정 조치는 취해지지 않았다. 대신, 설명서가 수정되었고, 이를 따르면 안전하다고 믿었다. 그러나 설명서는 모호했고, 소련 발전소 직원들은 규칙을 어기는 경향이 있었다.[13]
3. 1. 원자로 용기, 감속재 및 차폐
원자로 용기는 중공 벽이 있고 질소 가스로 가압된 환형 강철 실린더로, 내경과 높이는 14.52m × 9.7m이며, 벽 두께는 16mm이다.[25] 축 방향 열팽창 하중을 흡수하기 위해 내부 및 외부 벽 사이의 공간에 상단과 하단에 각각 하나씩 두 개의 환형 벨로즈 보상기가 장착되어 있다.
용기는 원자력 흑연으로 만들어진 흑연 감속재 블록 스택을 둘러싸고 있다. 흑연 감속재는 헬륨-질소 혼합물로 유지되어 흑연에 비활성 분위기를 제공하여 화재로부터 보호하고 흑연에서 냉각 채널로 과도한 열을 전달하는 것을 촉진한다.[25]
감속재 블록은 채널에 수직인 평면의 치수는 25cm × 25cm이고 스택의 위치에 따라 20cm에서 60cm 사이의 여러 종방향 치수를 갖는다. 연료 및 제어 채널을 위한 블록의 종축을 따라 직경 11.4cm의 구멍이 있다. 블록은 원자로 용기로 둘러싸여 직경과 높이가 14m × 8m인 원통형 노심으로 쌓여 있다.[25] 흑연의 최대 허용 온도는 최대 730°C이다.[24]
원자로는 활성 노심 영역의 직경이 11.8m이고 높이가 7m이다. RBMK-1000 원자로에는 1700톤의 흑연 블록이 있다.[13] 용기 내부의 가압된 질소는 흑연 스택을 냉각하는 데 사용되는 헬륨-질소 혼합물의 유출을 방지한다.
원자로 용기 외측에는 일체형 원통형 환형 물 탱크가 있으며,[14] 벽 두께가 3cm인 용접 구조, 내경 16.6m, 외경 19m로 내부가 16개의 수직 구획으로 나뉘어 있다. 물은 비상 원자로 냉각에 사용될 수 있다. 탱크에는 물 온도를 감지하는 열전대와 원자로 출력을 모니터링하는 이온 전리함이 들어 있다.[30] 탱크는 탱크의 외부와 피트의 내부 사이의 환형 모래층[13] 및 원자로 피트의 비교적 두꺼운 콘크리트와 함께 측면 생물학적 차폐 역할을 한다.
3. 2. 연료 채널
연료 채널은 지르칼로이 압력 튜브로 구성되어 있으며, 흑연 감속재 블록 중앙의 채널을 통과한다. 이 튜브는 내부 직경 8cm, 벽 두께 4mm로 용접되어 있다.[25] 튜브의 상단과 하단 부분은 스테인리스강으로 만들어졌으며, 지르코늄-강철 합금 커플링을 사용하여 중앙 지르칼로이 부분과 연결된다. 압력 튜브는 흑연 스택 채널에 20mm 높이의 두 종류의 분할 흑연 링으로 고정된다. 하나는 튜브와 직접 접촉하고 흑연 스택에 1.5mm 간격이 있으며, 다른 하나는 흑연 스택에 직접 닿고 튜브에 1.3mm 간격이 있다. 이 조립체는 중성자 조사 팽윤, 블록의 열팽창 및 기타 요인으로 인한 기계적 부하가 압력 튜브로 전달되는 것을 줄이는 동시에 흑연 블록으로부터의 열 전달을 용이하게 한다.[25] 압력 튜브는 원자로 용기의 상단 및 하단 플레이트에 용접된다.
연료 채널은 연료 집합체를 지지하고 냉각수를 흐르게 하는 역할을 한다. 1세대 RBMK 원자로에는 1693개, 2세대 RBMK 원자로에는 1661개의 연료 채널이 있다. 연료 조립체는 씰 플러그가 있는 브래킷에 연료 채널에 매달려 있으며, 씰 플러그는 원격 제어 온라인 재장전 기계로 제거 및 설치를 용이하게 하도록 간단한 설계를 가지고 있다.
연료 채널은 연료 대신 고정된 중성자 흡수재를 포함하거나 냉각수로 완전히 채워질 수 있다. 또한 도핑을 위한 반도체를 위해 연료 조립체 대신 실리콘으로 채워진 튜브를 포함할 수도 있다.
압력 채널과 흑연 블록 사이의 작은 간격은 흑연 코어를 손상되기 쉽게 만든다. 압력 채널이 내부 압력이 너무 높아서 변형될 경우, 흑연 블록에 상당한 압력 부하를 유발하여 손상될 수 있다.
3. 3. 핵연료
연료 펠릿은 이산화 우라늄(UO2) 분말을 적절한 바인더와 함께 사용하여 직경 11.5 mm, 길이 15 mm 크기로 소결하여 만든다. 이 펠릿에는 새 연료와 부분적으로 사용된 연료 집합체 사이의 반응성 차이를 줄이기 위해 가연성 핵독인 산화 유로퓸이 첨가될 수 있다.[17] 펠릿에는 열팽창 문제와 피복재와의 상호 작용을 줄이기 위해 반구형 홈이 있으며, 펠릿 축을 관통하는 2 mm 구멍은 펠릿 중심부의 온도를 낮추고 기체 핵분열 생성물의 제거를 돕는다. 1980년의 농축 수준은 2%였다(집합체의 끝 펠릿의 경우 0.4%). 연료 펠릿의 최대 허용 온도는 2100 °C이다.
연료봉은 외경 13.6 mm, 두께 0.825 mm의 지르칼로이(1% 니오브) 튜브로 만들어진다. 이 막대는 0.5 MPa의 헬륨으로 채워져 밀봉된다. 유지 링은 펠릿이 튜브 중앙에 위치하도록 돕고 펠릿에서 튜브로의 열 전달을 용이하게 한다. 펠릿은 스프링에 의해 축 방향으로 제자리에 고정된다. 각 연료봉은 3.5 kg의 연료 펠릿을 포함하며, 길이는 3.64 m이고, 그 중 3.4 m가 유효 길이이다. 연료봉의 최대 허용 온도는 600 °C이다.[20]
연료 집합체는 18개의 연료봉과 1개의 캐리어봉으로 구성된 두 세트("하위 집합체")로 구성된다. 연료봉은 외경 1.3 cm의 중앙 캐리어봉을 따라 배열된다. 연료 집합체의 모든 막대는 360 mm 간격으로 분리된 10개의 스테인리스강 스페이서로 제자리에 고정된다. 두 개의 하위 집합체는 집합체의 중앙에 있는 실린더로 연결된다. 원자로 작동 중 연료가 없는 이 빈 공간은 원자로의 중앙 평면에서 중성자 플럭스를 낮춘다. 연료 집합체 내 우라늄의 총 질량은 114.7 kg이다. 연료 연소도는 20 MW·d/kg이다. 연료 집합체의 총 길이는 10.025 m이며, 유효 영역은 6.862 m이다.
일반 연료 집합체 외에도 중앙 캐리어에 중성자 플럭스 검출기를 포함하는 계측 집합체가 있다. 이 경우 막대는 벽 두께가 2.5 mm이고 외경이 15 mm인 튜브로 교체된다.[18]
RBMK 연료 집합체는 둥근 압력 채널에 맞도록 원통형이다.
연료 재장전기는 갠트리 크레인에 장착되어 원격으로 제어된다. 연료 집합체는 원자로를 끄지 않고도 교체할 수 있는데, 이는 무기급 플루토늄 생산에 중요하며, 민간 환경에서는 원자로 가동 시간 향상에 기여한다. 연료 집합체를 교체해야 할 경우, 기계는 연료 채널 위에 위치한 후, 연료 채널에 결합되어 내부의 압력을 동일하게 하고, 막대를 당겨 신선한 막대를 삽입한다. 소모된 막대는 냉각 연못에 배치된다. 정격 전력 수준의 원자로를 갖춘 연료 재장전기의 용량은 하루에 두 개의 연료 집합체이며, 최대 용량은 하루에 다섯 개이다.
정상 상태에서 연료의 총량은 192톤이다.[16]
3. 4. 제어봉
RBMK의 제어봉은 중성자 흡수재인 붕소 탄화물 아래에 흑연 감속재(변위기)가 있는 형태이다. 제어봉이 완전히 인출된 상태에서 흑연 변위기는 노심 높이의 중간에 위치하며, 양 끝에 1.25m의 물이 있다. 제어봉을 삽입하면 흑연 변위기가 먼저 연료봉 옆을 지나가면서 중성자를 흡수하는 물을 대체하여 순간적으로 반응성이 증가한 뒤, 붕소 탄화물이 중성자를 흡수하여 반응을 정지시킨다. 이러한 "양의 스크램" 효과는 1983년 이그날리나 원자력 발전소에서 발견되었다.[25]
제어봉 채널은 독립적인 물 회로로 냉각되며 40°C에서 70°C로 유지된다. 제어봉과 채널 사이의 좁은 공간은 봉이 움직이는 동안 물의 흐름을 방해하여 유체 댐퍼 역할을 하며, 이는 원자로 제어 및 보호 시스템 봉의 느린 삽입 시간(약 0.4m/s, 18~21초)의 주요 원인이다. 체르노빌 원자력 발전소 사고 이후, 다른 RBMK 원자로의 제어봉 서보는 더 빠른 봉 움직임을 허용하도록 교체되었다.[25]
대부분의 제어봉은 위에서 삽입되지만, 24개의 단축 제어봉은 아래에서 삽입되어 노심의 축 방향 출력 분포 제어를 보강한다. 12개의 자동 제어봉을 제외하고, 제어봉은 끝 부분에 4.5m 길이의 흑연 부분(변위기)이 있으며, 1.25m 길이의 텔레스코프(흑연과 흡수재 사이에 물로 채워진 공간)와 붕소 탄화물 중성자 흡수재 부분으로 분리되어 있다.[25]
제어봉의 수동 및 비상 보호 그룹은 임의적으로 재할당될 수 있다. 추가적인 정적 붕소 기반 흡수재는 신선한 연료로 코어가 로드될 때 코어에 삽입되며, 초기 코어 로딩 시 약 240개의 흡수재가 추가되었다가 연소율이 증가함에 따라 점차 제거된다. 정상적인 반응도 여유는 43~48개의 제어봉이다.[25]
체르노빌 사고 이후, RBMK의 제어봉 설계는 다음과 같이 변경되었다.[25]3. 5. 가스 순환계
흑연감속 비등경수 압력관형 원자로(RBMK)는 헬륨-질소 혼합 가스 대기에서 작동하며, 가스 순환계는 흑연의 산화를 방지하고 원자로 내 열 전달을 돕는다.
3. 6. 1차 냉각 계통
원자로는 각각 원자로의 절반을 담당하는 4개의 주 순환 펌프(3개 작동, 1개 대기)를 가진 두 개의 독립적인 냉각 회로를 가지고 있다.[22] 냉각수는 하부 수관을 통해 원자로에 공급되어 공통 압력 헤더(각 냉각 회로당 하나)로 연결되며, 이는 22개의 그룹 분배 헤더로 분할되어 각 헤더는 냉각수가 끓는 노심을 통해 38~41개의 압력 채널에 공급한다. 증기와 물의 혼합물은 각 압력 채널당 하나씩 상부 증기관을 통해 원자로 상단에서 증기 분리기로 연결된다.[22]
주 순환 펌프는 5,500~12,000 m3/h의 용량을 가지며 6 kV 전동기로 구동된다. 정상적인 냉각수 흐름은 펌프당 8000 m3/h이며, 원자로 출력이 500 MWt 미만일 때는 제어 밸브에 의해 6,000~7,000 m3/h로 조절된다. 각 펌프에는 유량 제어 밸브와 배출구에 역류 방지 체크 밸브가 있으며, 입구와 출구 모두에 차단 밸브가 있다. 노심의 각 압력 채널에는 자체 유량 제어 밸브가 있어 원자로 노심의 온도 분포를 최적화할 수 있다. 각 채널에는 볼 타입의 유량계가 있다.
원자로를 통한 공칭 냉각수 유량은 46,000~48,000 m3/h이다. 최대 출력 시 증기 유량은 5440ton 에서 5600ton/h이다.[24]
원자로 입구에서의 공칭 냉각수 온도는 약 265°C 에서 270°C이고, 출구 온도는 284°C이며, 드럼 분리기 및 원자로의 압력은 6.9MPa이다.[24][13]
3. 7. 비상 노심 냉각 계통 (ECCS)
RBMK 원자로에는 연료봉 누출 감지기가 장착되어 있다. 단명하는 핵분열 생성물의 에너지에 민감한 섬광 계수기 검출기가 특수 돌리에 장착되어 연료 채널의 출구 위로 이동하며, 증기-수 흐름에서 방사능 증가가 감지되면 경고를 보낸다.[27]
3. 8. 원자로 제어/감시 시스템
RBMK의 원자로 제어/감시 시스템은 원자로의 출력 분포, 반응도, 냉각수 유량 등을 감시하고 제어한다. 이 시스템은 노심 출력을 감시하는 피드백 센서를 포함하고 있어, 출력이 증가하면 자동적으로 제어봉을 삽입하여 출력을 낮추고, 출력이 낮아지면 제어봉을 인출하여 출력을 높인다. 비정상적인 급격한 출력 상승을 감지하면 211개의 붕소 제어봉이 노심으로 들어가 반응을 중단시킨다.[60]
하지만, 체르노빌 원자력 발전소 사고 이전의 RBMK는 저출력 영역에서 매우 큰 양의 반응도 피드백 특성을 가지고 있었다. 이는 원자로 내의 제논 오버라이드 현상 때문이며, 고출력 시에는 비교적 제어가 용이하지만, 저출력 시에는 불안정한 상태에 빠지기 쉬운 단점이 있었다. 높은 양의 보이드 계수는 원자로가 저출력 상태로 방치되면 핵반응을 폭주시켜 노심 용융을 일으킬 수 있음을 의미했다. 원래 설계에서 보이드 계수는 +4.5 b였다.
RBMK의 설계는 반응도를 제어하고 필요에 따라 반응을 완전히 멈추는 컴퓨터 제어 제어봉을 포함하고 있었지만, 높은 양의 보이드 계수는 수동적으로 안전한 원자로가 아니게 만들었다.
3. 9. 격납
RBMK는 완전한 격납 건물을 갖추고 있지 않다. 이는 체르노빌 원자력 발전소 사고 당시 방사성 물질의 확산을 막지 못한 주요 원인 중 하나로 지목된다.[29] 원자로 하단 부분은 기밀 구획에 갇혀 있으며, 압력 억제 풀이 설치되어 있다.[29]
원자로 하단과 바닥 사이에는 공간이 있다. 원자로 공동 과압 보호 시스템은 바닥에 내장되어 있고, 파열판으로 덮여 있으며, 원자로 아래 +6 레벨의 증기 분배 복도로 열리는 증기 배출 어셈블리로 구성된다. 복도 바닥에는 +3 레벨과 +0 레벨에 위치한 압력 억제 풀("버블러" 풀) 바닥으로 이어지는 다수의 수직 파이프 입구가 있다. 사고 발생 시, 최대 1~2개의 압력 채널 파열을 예측했는데, 증기는 물을 통해 버블링되어 응축되어 기밀 구획의 과압을 감소시키도록 설계되었다. 풀로 가는 파이프의 유량 용량은 두 개의 압력 채널의 동시 파열에 대한 보호 용량을 제한했다.[29]
RBMK 원자로 노심은 매우 높기 때문에(약 7m), 무거운 격납 구조물을 건설하는 데 드는 비용과 어려움으로 인해 원자로 노심 상단의 파이프에 대한 추가적인 비상 격납 구조물 건설은 불가능했다.[29]
RBMK 설계에서는 통상적인 운전에 필요한 몇 가지 종류의 격납을 시행했다. 통상 섭씨 700도까지 올라가는 흑연이 산소와 접촉하지 않도록 금속성 격납 구조에 흑연을 수납하고, 불활성 가스로 채워 밀봉했다. 노심에서 대량으로 나오는 강력한 방사선을 흡수하기 위한 차폐로서, 하부에 콘크리트 두꺼운 판, 측면에 모래와 콘크리트, 상부에 콘크리트 판이 있었다.
3. 10. 기타 시스템
발전소는 330kV 및 750kV 전력망에 연결되어 있다. 블록에는 단일 발전기 변압기를 통해 750kV 전력망에 연결된 두 대의 발전기가 있다. 발전기는 직렬로 연결된 두 개의 스위치를 통해 공통 변압기에 연결된다. 그 사이에, 단위 변압기는 발전소 자체 시스템에 전력을 공급하도록 연결된다. 따라서 각 발전기는 발전소에 전력을 공급하기 위해 단위 변압기에 연결되거나, 단위 변압기와 발전기 변압기에 연결되어 전력망에도 전력을 공급할 수 있다. 330kV 선은 일반적으로 사용되지 않으며, 변전소 변압기를 통해 발전소의 전기 시스템에 연결된 외부 전원 공급 장치 역할을 한다.[30]
발전소는 자체 발전기로 전력을 공급받거나, 발전기 변압기를 통해 750kV 전력망에서 전력을 공급받거나, 변전소 변압기를 통해 330kV 전력망에서 전력을 공급받거나, 두 개의 예비 모선을 통해 다른 발전소 블록에서 전력을 공급받을 수 있다. 외부 전력 완전 손실의 경우, 필수 시스템은 디젤 발전기로 전력을 공급받을 수 있다. 각 단위 변압기는 두 개의 6kV 주 전력반(A 및 B, 예: 발전기 7 및 8의 경우 7A, 7B, 8A, 8B)에 연결되어 주요 비필수 구동 장치에 전력을 공급하고, 4kV 주 전력 및 4kV 예비 모선을 위한 변압기에 연결된다.[30]
7A, 7B, 8B 보드는 또한 냉각수 펌프용으로 세 개의 필수 전력선에 연결되어 있으며, 각 전력선에는 자체 디젤 발전기도 있다. 외부 전력 손실과 동시에 냉각 회로 고장이 발생할 경우, 필수 전력은 약 45~50초 동안 터빈 발전기의 회전을 낮추어 공급할 수 있으며, 이 시간 동안 디젤 발전기가 시동되어야 한다. 발전기는 외부 전력 손실 시 15초 이내에 자동으로 시동된다.[30]
전력 에너지는 500MW급 수소 냉각 터보발전기 한 쌍에 의해 생산된다. 이 터보발전기들은 원자로 건물 옆에 있는 600m 길이의 기계실에 위치해 있다. 이 터빈은 5기통의 K-500-65/3000 모델로, 하르키우 터빈 공장에서 공급받았다. 전기 발전기는 TVV-500 모델이다. 터빈과 발전기 회전자는 동일한 샤프트에 장착되어 있다. 터빈의 회전자 전체 무게는 거의 200ton에 달하며, 정격 회전 속도는 3000 rpm이다.[25]
터보발전기의 길이는 39m이며, 총 무게는 1200ton이다. 각 터빈의 냉각수 흐름은 82880ton/h이다. 발전기는 20kV 50Hz 교류 전력을 생산한다. 발전기 고정자는 물로 냉각되고, 회전자는 수소로 냉각된다. 발전기용 수소는 현장에서 전기 분해로 생산된다.[25] 터빈의 설계와 신뢰성은 1979년 우크라이나 국립상을 수상했다.
하르키우 터빈 공장 (현재 터보아톰)은 귀중한 금속 사용을 줄이기 위해 터빈의 새로운 버전인 K-500-65/3000-2를 개발했다. 체르노빌 발전소에는 두 종류의 터빈이 모두 장착되었으며, 4호기에는 신형 터빈이 설치되었다.
4. 설계 결함 및 안전 문제
RBMK 원자로는 독특한 설계, 큰 크기 및 출력으로 인해 일부 사람들에 의해 소련의 국가 원자로로 선언되었다. RBMK 설계에 대한 일급 비밀 발명 특허는 쿠르차토프 원자력 연구소의 아나톨리 알렉산드로프가 소련 특허청에 제출했다. RBMK는 1964년부터 1966년까지 아나톨리 알렉산드로프와 니콜라이 돌레잘이 각각 이끄는 쿠르차토프 원자력 연구소와 НИКИЭТ имени Н. А. Доллежаляru에서 주로 설계되었다.
RBMK는 흑연 감속 플루토늄 생산 군사용 원자로를 기반으로 이중 용도로 사용할 수 있는 수냉식 발전용 원자로를 생산하려는 소련 원자력 프로그램의 정점이었다. 냉각을 위해 일반(경수)를 사용하고 감속을 위해 흑연을 사용하는 최소 설계로 인해 저농축 연료(4% 농축보다 훨씬 비싼 1.8% 농축 우라늄)를 사용할 수 있었다. 이를 통해 특수 공장이 아닌 현장에서 제작된 부품으로 빠르게 건설할 수 있는 매우 크고 강력한 원자로를 만들 수 있었다. RBMK의 프로토타입은 제작되지 않았으며 바로 대량 생산에 들어갔다.[11]
최초 장치가 건설되기 전 쿠르차토프 연구소 내부를 포함한 다른 사람들도 원래 RBMK 설계의 결함을 인식했지만, 최초 RBMK 장치의 건설 명령은 레닌그라드에 있었으며, 1966년에 소련 정부에 의해 이미 발부되었고, 우려 사항이 소련 공산당 중앙위원회와 소련 각료 회의에 도달했다. 이로 인해 RBMK가 갑작스럽게 개편되었다. RBMK에서 플루토늄 생산은 특수 열 매개변수 하에서 원자로를 작동함으로써 달성되었지만, 이 기능은 초기에 포기되었다.[12] 이것이 1968년에 최종 확정된 설계였다. 재설계는 수년 후에 발견된 추가 결함을 해결하지 못했다.
RBMK는 소련의 일부 사람들에게 체르노빌 1호기가 가동된 직후 이미 구식이 된 것으로 간주되었다. 알렉산드로프와 돌레잘은 RBMK의 문제를 더 이상 조사하거나 심지어 깊이 이해하지 못했고, 보이드 계수는 원자로 설명서에서 분석되지 않았다. 1980년까지 NIKIET는 기밀 연구를 완료한 후 RBMK 사고가 정상 작동 중에도 발생할 가능성이 있다는 것을 깨달았지만, RBMK의 결함을 수정하기 위한 조치는 취해지지 않았다. 대신, 설명서가 수정되었으며, 이를 면밀히 따르면 안전한 작동을 보장하기에 충분하다고 믿었다.[13]
RBMK는 다음과 같은 설계 결함 및 안전 문제를 가지고 있었다.
- 높은 양의 보이드 계수: RBMK는 감속재로 흑연을 사용하기 때문에 양의 보이드 계수를 가지며, 이는 원자로의 불안정성을 야기하고 사고 발생 시 제어를 어렵게 만든다. 경수로에서는 경수가 감소하면 경수에 의한 중성자 감속 효과가 저하되어 보충되는 중성자가 감소하기 때문에 핵분열 반응이 저하되는 음의 보이드 효과를 가진다. 반면, 흑연로에서는 중성자 감속의 대부분을 고정된 흑연에 의존하기 때문에, 경수가 감소하면 감속되지 않은 중성자가 더 많이 흑연에 흡수되어 반응이 상승하며, 여기에 경수에 의한 방열이 저하되면서 노심의 온도가 급상승하는 큰 양의 보이드 계수를 가진다.
- 제어봉 설계 결함: 제어봉은 끝 부분에 흑연 변위기가 있어, 삽입 시 코어 하단에서 국부적인 반응도 증가를 유발하는 "양의 스크램" 효과를 일으킬 수 있다. 제어봉 채널은 독립적인 물 회로로 냉각되며, 봉과 채널 사이의 좁은 공간은 봉의 움직임을 방해하여 느린 삽입 시간을 초래한다.
- 격납 건물의 부재: RBMK의 큰 크기로 인해 격납 건물은 매우 크고 비싸서 원래 설계에서 생략되었다. 각 연료 집합체를 자체 채널에 두고 냉각수를 흐르게 하는 것이 격납의 허용 가능한 대안이라는 주장이 설계자들에 의해 제기되었다. 원자로의 하단 부분은 기밀 구획에 갇혀 있지만, 압력 억제 시스템의 용량은 제한적이었다.
- 안전보다 생산성 우선: 초기 RBMK 설계는 안전성보다 생산성을 우선시한 결과, 여러 가지 안전 문제를 내포하고 있었다.
체르노빌 원자력 발전소 사고 이후, 모든 RBMK 원자로는 중요한 개수를 받았다. 양의 보이드 계수는 +4.5 β에서 +0.7 β로 감소하여[38][39] 추가 반응도 사고의 가능성을 줄였다.[40]
5. 체르노빌 사고 이후의 개선 사항
체르노빌 사고 이후, 모든 RBMK 원자로에는 대대적인 안전 개선 작업이 이루어졌다. 가장 큰 변화는 제어봉 설계였다. 기존 RBMK 제어봉은 붕소 흡수재 아래에 흑연 감속재가 있는 형태였다. 이 구조에서는 제어봉을 과도하게 올리면 감속재가 연료봉보다 위로 올라가, 반응을 낮추기 위해 제어봉을 삽입하면 순간적으로 반응성이 급격히 증가하는 문제가 있었다. 체르노빌 사고는 이 결함이 원자로 폭발의 한 원인이 되었다.
개선 사항은 다음과 같다:
- 연료 농축률을 2%에서 2.4%로 높여 중성자 흡수율을 높이고 원자로 제어 신뢰성을 향상시켰다.
- 수동 제어봉 개수를 30개에서 45개로 늘렸다.
- RBMK 설계가 위험한 저출력 상태에서의 작동을 억제하기 위해 80개의 추가 중성자 흡수재를 설치했다.
- SCRAM(원자로 긴급 정지) 시간을 18초에서 12초로 단축시켰다.
- 긴급 안전 시스템에 대한 무단 접근을 방지하는 예방 조치를 취했다.
- BAZ(고속 원자로 비상 보호) 시스템[45]을 추가하여 24개의 봉을 1.8~2.5초 안에 원자로 노심에 삽입할 수 있도록 했다.
또한, RBMK-1500 원자로의 RELAP5-3D 모델이 개발되어 특정 과도 현상 분석을 위한 통합 열수력학-중성자 계산에 사용되었다.[46]
회고록에서 발레리 레가소프는 RBMK에 심각한 설계 결함이 있다는 것을 과학자들이 오랫동안 알고 있었다고 밝혔다.[41][42] 레가소프의 자살은 RBMK 설계 문제에 대한 논의를 더욱 공개적으로 만들었다.[43]
6. RBMK의 폐쇄
체르노빌 원자력 발전소 사고 이후, RBMK 원자로의 안전성에 대한 국제적인 우려가 높아져 일부 RBMK 원자로는 폐쇄되었다.[61] 체르노빌 원자력 발전소는 1991년 10월에 2호기, 1996년 11월에 1호기, 2000년 12월 15일에 3호기가 폐쇄되어, 현재 우크라이나 내에서 운전 중인 RBMK 원자로는 없다. 리투아니아의 이그날리나 원자력 발전소에 있던 2기의 RBMK-1500 중 1호기는 2004년 12월에, 2호기는 2009년에 폐쇄되었다.
2021년 12월 20일에는 쿠르스크 원자력 발전소의 쿠르스크 1호기가 폐쇄되었다.[61] 쿠르스크 원자력 발전소 외에도 레닌그라드, 스몰렌스크 원자력 발전소에서는 120만kW급 VVER로의 갱신이 진행되고 있다.
러시아 정부는 남아있는 11기의 RBMK 원자로를 최장 45년간 운전할 계획이다.[62]
7. RBMK 목록
| 위치[55] | 현재 국가 | 원자로 유형 | 가동 | 상태 | 순 출력 (MWe) | 총 출력 (MWe) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 체르노빌-1 | 우크라이나 | RBMK-1000 | 1977년 | 1996년 폐쇄 | 740 | 800 |
| 체르노빌-2 | 우크라이나 | RBMK-1000 | 1978년 | 터빈 화재로 1991년 폐쇄 | 925 | 1,000 |
| 체르노빌-3 | 우크라이나 | RBMK-1000 | 1981년 | 2000년 폐쇄 | 925 | 1,000 |
| 체르노빌-4 | 우크라이나 | RBMK-1000 | 1983년 | 1986년 파괴 | 925 | 1,000 |
| 체르노빌-5 | 우크라이나 | RBMK-1000 | 1984년 | 1988년 건설 취소 | 950 | 1,000 |
| 체르노빌-6 | 우크라이나 | RBMK-1000 | 1985년 | 1988년 건설 취소 | 950 | 1,000 |
| 이그날리나-1 | 리투아니아 | RBMK-1500 | 1983년 | 2004년 폐쇄 | 1,185 | 1,300 |
| 이그날리나-2 | 리투아니아 | RBMK-1500 | 1987년 | 2009년 폐쇄 | 1,185 | 1,300 |
| 이그날리나-3 | 리투아니아 | RBMK-1500 | N/A | 1988년 건설 취소 | 1,380 | 1,500 |
| 이그날리나-4 | 리투아니아 | RBMK-1500 | N/A | 1988년 계획 취소 | 1,380 | 1,500 |
| 코스트로마-1 | 러시아 | RBMKP-2400 | N/A | 1980년대 건설 취소 | 2,260 | 2400 |
| 코스트로마-2 | 러시아 | RBMKP-2400 | N/A | 1980년대 건설 취소 | 2,260 | 2400 |
| 쿠르스크-1 | 러시아 | RBMK-1000 | 1977년 | 2021년 폐쇄 | 925 | 1,000 |
| 쿠르스크-2 | 러시아 | RBMK-1000 | 1979년 | 2024년 폐쇄 | 925 | 1,000 |
| 쿠르스크-3 | 러시아 | RBMK-1000 | 1984년 | 2033년까지 운전[10] | 925 | 1,000 |
| 쿠르스크-4 | 러시아 | RBMK-1000 | 1985년 | 2035년까지 운전[10] | 925 | 1,000 |
| 쿠르스크-5[50] | 러시아 | RBMK-1000 | N/A | 2012년 건설 취소 | 925 | 1,000 |
| 쿠르스크-6 | 러시아 | RBMK-1000 | N/A | 1993년 건설 취소 | 925 | 1,000 |
| 레닌그라드-1 | 러시아 | RBMK-1000 | 1974년 | 2018년 폐쇄[56] | 925 | 1,000 |
| 레닌그라드-2 | 러시아 | RBMK-1000 | 1976년 | 2020년 폐쇄[57] | 925 | 1,000 |
| 레닌그라드-3 | 러시아 | RBMK-1000 | 1979년 | 2025년 6월까지 운전[58] | 925 | 1,000 |
| 레닌그라드-4 | 러시아 | RBMK-1000 | 1981년 | 2026년 8월까지 운전[58] | 925 | 1,000 |
| 스몰렌스크-1 | 러시아 | RBMK-1000 | 1983년 | 2028년까지 운전[58] | 925 | 1,000 |
| 스몰렌스크-2 | 러시아 | RBMK-1000 | 1985년 | 2030년까지 운전[58] | 925 | 1,000 |
| 스몰렌스크-3 | 러시아 | RBMK-1000 | 1990년 | 2034년까지 운전[58] | 925 | 1,000 |
| 스몰렌스크-4 | 러시아 | RBMK-1000 | N/A | 1993년 건설 취소 | 925 | 1,000 |
RBMK-1500은 1,500 MWe의 총 전기 출력으로 건설되었으며, 체르노빌 사고 이후 1,360 MW로 감발되었다.
8. 관련 사건/사고
- 1975년 1월 레닌그라드 원자력 발전소 1호기에서 방사성 가스를 담은 탱크가 폭발했다.[11]
- 1975년 레닌그라드 원자력 발전소 1호기에서 부분적인 노심 용융이 발생했다.[11]
- 1982년 체르노빌 원자력 발전소 1호기에서 부분적인 노심 용융이 발생했다.[11]
- 1983년 이그날리나 원자력 발전소 1호기에서 양의 스크램 효과가 발견되었다.[11]
- 1986년 체르노빌 원자력 발전소 사고가 발생했다.[11]
- 1991년 체르노빌 원자력 발전소 2호기에서 터빈 화재가 발생하여 영구 정지되었다.[11]
9. 추가 개발 (MKER)
RBMK의 소련 붕괴 이후 재설계 모델은 MKER(МКЭР|다중 루프 압력관형 원자로ru)로, 안전성이 향상되고 격납 건물이 추가되었다.[50][51] MKER-800, MKER-1000, MKER-1500은 레닌그라드 원자력 발전소에 설치될 예정이었다.[52][53][54]
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웹인용
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2017-01-05
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