원자로 계통에 대해 알아보자 - RCP,RCS-

원자로 냉각재 계통(React Coolant System, RCS)은 원자력 발전소에서 핵심적인 역할을 수행하는 시스템으로, 원자로의 안전하고 효율적인 운영을 보장하는 데 필수적입니다. RCS는 원자로에서 발생한 열을 효과적으로 제거하고, 이를 통해 원자로의 온도를 조절하며, 핵분열 생성물의 방출을 방지하는 기능을 합니다.

 

 

 

 

 

 

OPR 1000의 원자로 냉각재계통 구성도

 

 

 

RCS의 주요 구성 요소

1. 원자로 압력 용기 (Reactor Pressure Vessel, RPV): 원자로의 핵연료가 위치하며, 핵분열 반응이 일어나는 장소입니다. 이 용기는 고온과 고압의 냉각재를 안전하게 유지하는 역할을 합니다.
2. 냉각재 펌프 (Reactor Coolant Pump, RCP): 냉각재를 순환시켜 원자로와 증기 발생기 사이에서 열을 전달합니다. 이 펌프는 냉각재가 원자로에서 발생한 열을 증기 발생기로 이동시키는 데 필수적입니다.
3. 증기 발생기 (Steam Generator, SG): RCS에서 순환된 냉각재가 이곳에서 열을 전달하여 2차 계통의 물을 증기로 변환합니다. 이 과정은 발전소의 터빈을 구동하는 데 필요한 증기를 생성합니다.
4. 가압기 (Pressurizer): RCS의 압력을 조절하여 냉각재가 비등하지 않도록 유지합니다. 가압기는 시스템 내 압력을 일정하게 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.
5. 냉각재 배관 (Coolant Piping): RCS의 모든 구성 요소를 연결하며, 냉각재가 흐르는 경로를 제공합니다. 이 배관은 고온과 고압에 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다

 

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RCS의 기능과 중요성

• 냉각수 순환 : RCS는 폐쇄회로 내에서 냉각수를 순환시켜 원자로의 안전한 작동을 보장합니다.
• 열 제거 : RCS는 원자로의 과열을 방지하고, 안정적인 열 제거를 통해 원자로의 효율적인 작동을 지원합니다.
• 안전성 확보 : RCS는 원자로의 안전성을 유지하는 데 필수적인 요소로, 냉각수의 순환이 원활하지 않으면 원자로의 안전에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.
• 이차계통과의 연계 : RCS는 이차계통과의 연계를 통해 열을 효과적으로 전달하여 전력 생산에 기여합니다.

 

RCS의 안전성

• 안전 밸브: 과압 발생 시 냉각재를 방출하여 시스템을 보호합니다.
• 이중 배관: 냉각재 누출을 방지하기 위해 이중 배관 시스템을 사용합니다.
• 온도 압력 센서 : 실시간으로 시스템의 상태를 모니터링하여 이상 발생 시 경고를 제공합니다.
• 비상 냉각 시스템: 주 냉각 시스템이 고장 날 경우를 대비한 비상 냉각 시스템이 마련되어 있습니다.
• 정기 점검: 시스템의 안전성을 유지하기 위해 정기적인 점검과 유지보수가 이루어집니다.

 

 

• 열 제거: 원자로에서 발생한 열을 효과적으로 제거하여 과열을 방지합니다.
• 압력 유지: 가압기를 통해 시스템 내 압력을 조절하여 냉각재가 비등하지 않도록 합니다.
• 안전성 확보: RCS는 방사성 물질이 외부로 유출되지 않도록 하는 방벽 역할을 하며, 사고 발생 시에도 핵분열 생성물이 격납용기로 유입되지 않도록 설계되어 있습니다
•  냉각수 순환 : RCS는 폐쇄회로 내에서 냉각수를 순환시켜 원자로의 안전한 작동을 보장합니다.

 

 

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RCP (원자로 냉각재 펌프)

냉각재펌프(RCP)는 냉각재를 노심, 증기발생기 등으로 순환시켜 주는 역할을 하는 핵증기공급계통(NSSS)의 중요한 기기 중 하나입니다. RCP는 출력운전 중에는 냉각수를 순환시켜 노심의 열을 적절히 제거할 수 있도록 하며, 정지 시에도 노심에서 발생하는 핵분열생성물의 붕괴에 의한 열을 제거해 주고 또한 발전소 기동 시에는 펌프의 원심형 회전날개(impeller)와 냉각재의 마찰에 의해 발생하는 열을 이용하여 원자로 냉각재를 가열해 주는 역할도 수행한다.

 

 

펌프의 종류에는 설계, 공급자에 따라 여러 형태가 있다. 대표적인 것으로 그림 8에 OPR 1000의 냉각재펌프 개략 구조도를 보였다.

 

RCP 구조

 

 

RCP 작동 원리

원자로 냉각재 펌프(RCP)는 원자로의 핵심 구성 요소로, 원자로 코어에서 발생하는 열을 효과적으로 제거하기 위해 냉각재를 순환시키는 역할을 합니다. RCP의 작동 원리는 다음과 같습니다.

• 축류 펌프 구조: RCP는 캔드모터형 축류펌프로 설계되어 있으며, 전동기의 회전축과 임펠러의 회전축이 일체로 되어 있습니다. 이 구조는 기계적 밀봉장치가 필요 없도록 하여 누수 위험을 줄입니다. 즉, 회전축이 냉각재에 잠긴 상태에서 작동하므로, 밀봉장치의 손상으로 인한 냉각재 손실 사고를 방지할 수 있습니다

* 캔드모터란??

: 모터가 금속 캔(canned)으로 완전히 밀봉되어 있어, 냉각재나 유체와의 접촉을 방지합니다.

 

즉 RCP의 원리는 캔 안에 있는 전기 모터가 회전하며 유체를 축 방향으로 이동시킵니다. 유체가 동시에 모터의 냉각 및 윤활 역할을 수행하여 유체 누출이 거의 없고, 안전성을 보장합니다.

 

 

 

• 냉각재 순환: RCP는 원자로 코어에서 발생한 열을 증기 발생기로 전달하기 위해 냉각재를 강제로 순환시킵니다. 이 과정에서 펌프는 충분한 유량을 유지하여 코어의 과열을 방지하고 연료 손상을 막습니다. 펌프의 임펠러가 회전하면서 냉각재를 흡입하고 압력을 증가시켜 배출합니다
• 회전속도 측정: RCP 상단에는 회전속도 측정기가 설치되어 있어, 회전축에 부착된 영구자석이 회전할 때 발생하는 기전력을 통해 회전속도를 측정합니다. 이 정보는 원자로 보호 시스템에 입력되어 안전성을 높이는 데 기여합니다
• 가스 제거 통로: 원자로 운전 중 발생할 수 있는 질소 가스를 제거하기 위한 가스 제거 통로가 설계되어 있습니다. 이는 상부 저널 베어링이 가스에 노출되는 것을 방지하여 베어링의 수명을 연장합니다
• 안전성 및 신뢰성: RCP는 고온 및 고압 환경에서도 안정적으로 작동하도록 설계되어 있으며, 다양한 안전 장치가 포함되어 있어 비상 상황에서도 원자로의 안전성을 유지합니다

RCS 사고

RCS는 원자로의 안전성을 보장하는 가장 중요한 시스템 중 하나로, 적절한 작동이 이루어지지 않을 경우 심각한 사고로 이어질 수 있습니다. 또한, 효율적인 열 제거와 압력 유지는 발전소의 전반적인 효율성을 높이는 데 기여하며, 방사성 물질이 외부로 유출되는 것을 방지하여 환경 보호에 기여합니다

• 후쿠시마 사고: 2011년 후쿠시마 원전 사고는 자연재해 냉각 시스템의 실패로 인한 대규모 사고였습니다.
• 쓰리마일: 1979년 쓰리마일 사고는 냉각재 순환 펌프의 고장으로 원자로 냉각이 제대로 이루어지지 않아 발생했습니다.
• 첨언 : 체르노빌은 원자로 노형이 RBMK이기 때문에 고유의 특성 (양의 보이드 계수)를 가지고 있어 냉각재가 줄어들어 반응도가 증가하는 위험성을 가지고 사고 당시 출력이 급격히 상승하면서 원자로를 제어할 수 없게 되고 터졌습니다.

 

 

 

새로운 냉각 방식

액침 냉각 : 전자기기나 데이터센에서 주로 사용되며, 장비를 냉각액에 직접 담그는 방식으로 열을 효율적으로 제거하는 냉각 기술입니다. 

액침냉각 방식

 

특징

액침냉각 기술은 기본적으로 미네랄 오일, 합성 액체(예: 3M Novec), 또는 특수 냉각유와 같은 전기를 전도하지 않는 액체를 사용합니다.

 

1. 높은 냉각 효율: 공기보다 밀도가 높은 액체를 사용해 직접적으로 열을 흡수하므로, 공랭식이나 수랭식보다 냉각 효율이 높습니다
   
2. 에너지 절감: 공랭식 대비 전력 소비량을 약 30% 이상 줄일 수 있어 에너지 효율성이 높습니다

 

1.  
2. 화재 위험 감소: 액체에 장치를 직접 담그는 방식이기 때문에 화재 위험성을 크게 낮출 수 있습니다
3. 균일한 온도 유지: 액체가 실시간으로 열을 흡수해 일정 온도를 유지하도록 도와줍니다
4. 소음 감소: 팬이나 기타 기계적 장치 없이도 작동할 수 있어 소음이 적습니다
5. 공간 효율성: 복잡한 공랭식 냉각 시스템에 비해 더 적은 공간을 차지하며, 서버 랙 등의 밀집도를 높일 수 있습니다
    
6. 장비 보호: 밀폐된 환경에서 작동하므로 먼지나 기타 오염물질로부터 장치를 보호할 수 있습니다

 

 

 

액침냉각 방식을 원자로 냉각 시스템에 적용?

 

원자로를 냉각시키기 위해 액침냉각 방법을 적용할 수 없을까 생각해봤는데 역시나 여러가지 생각을 해봤을 때 안되는 것 같습니다.1. 온도 차이가 너무 납니다 : 원자로의 작동 온도는 일반적인 액침냉각 시스템이 다른는 온도보 다 훨씬 높습니다. 보통 300'C 이사잉지요.2. 방사선 영향을 받을 수 있습니다 : 내부의 강한 방사선으로 유체의 화학적 구조를 변화시킬 수 있습니다.3. 안전성이 부적합 합니다 : 액침냉각은 안정 요구사항을 만족시키기 어려울 수 있습니다.

 

 

https://news.kixxoil.com/immersion-cooling-systems-what-it-is-and-how-it-works/?lang=ko

[Kixxpedia] 탄소중립 시대를 위한 차세대 열관리 방식, ‘액침냉각’이란?