원자로 압력 용기

Reactor pressure vessel
미국 최초의 상업용 원전인 '해운포트 원자력 발전소'에 사용된 원자로 용기. 1956년 사진.

원자력발전소의 원자로 압력용기(RPV)는 원자로냉각재, 노심 쉬라우드 및 원자로 노심이 들어 있는 압력용기다.

원자로 분류

일반적인 RPV

러시아 소비에트 시대 RBMK 원자로는 각각의 연료 조립체를 압력 용기를 가지기 보다는 직경 8cm의 개별 파이프로 둘러싸여 있다. 대부분의 원자로는 압력 용기를 가지고 있지만, 일반적으로 냉각수를 담는 용기의 구성이 아니라 냉각재 유형에 따라 분류된다. 분류는 다음과 같다.

  • 경수로 - 가압수형 원자로와 비등수형 원자로를 포함한다. 대부분의 원자로는 이런 유형이다.
  • 흑연 감속 원자로 - 체르노빌 원자로(RBMK)를 포함한다. 체르노빌 원자로는 러시아 및 전 세계의 원자력 발전소의 대부분에 비해 매우 특이한 원자로 구성을 가지고 있다.
  • 가스냉각 열로 - 첨단 가스냉각 원자로, 가스냉각 고속증식 원자로 및 고온 가스냉각 원자로를 포함한다. 가스 냉각 원자로의 예는 영국 마그녹스다.
  • 가압 중수로 - 중수 또는 수소 동위원소 중수소의 정상 비율보다 높은 물을 어떤 방식으로 사용한다. 그러나 DO2(중수)는 더 비싸고 주성분으로 사용될 수 있지만 이 경우 반드시 냉각제로 사용되지는 않는다. 중수로의 예로는 캐나다의 CANDU 원자로가 있다.
  • 액체 금속 냉각 원자로 - 나트륨 또는 납-비스무트 합금과 같은 액체 금속을 사용하여 원자로 노심을 냉각시킨다.
  • 용융 염화 원자로 - 일반적으로 알칼리 금속과 알칼리 접지 금속의 플루오르화 염을 냉각제로 사용한다. 운전은 고온과 저압의 금속 냉각 원자로와 유사하여 원자로 용기에 가해지는 압력을 물이나 증기 냉각 설계에 비해 감소시킨다.

압력용기가 있는 원자로의 주요 등급 중 가압수형 원자로는 압력용기가 운전 중에 상당한 중성자 조사(유량이라고 함)를 겪으며, 그 결과 시간이 지남에 따라 깨지기 쉬워질 수 있다는 점에서 독특하다. 특히 끓는수로의 큰 압력 용기는 중성자속으로부터 더 잘 차폐되기 때문에 애초에 이 추가 크기 때문에 제조 비용이 더 비싸지만 수명을 연장하기 위해 어네일링이 필요 없다는 장점이 있다.

가압수형 원자로 용기의 가동 수명을 연장하기 위해 원자로 용기의 수명을 연장하는 것은 원자력 서비스 제공 업체(AREVA)와 가압수형 원자로 운영자 모두가 적극적으로 개발하고 있는 복잡하고 가치가 높은 기술이다.

가압수형 원자로 압력 용기의 구성품

드레스덴 발전소로 운송되는 원자로 용기 본체 및 용기 헤드

모든 가압수형 원자로 압력 용기는 특정 설계에 관계없이 일부 특징을 공유한다.

원자로 용기 본체

원자로 용기 본체는 가장 큰 구성 요소로, 냉각재 흐름과 지지 구조물을 지지하기 위해 연료 조립체, 냉각재 및 피팅을 포함하도록 설계되었다. 그것은 보통 원통형 모양이며 연료가 적재될 수 있도록 상단에서 열려 있다.

원자로 용기 헤드

가압수형 원자로용 원자로 용기 헤드

이 구조물은 원자로 용기 본체의 상단에 부착되어 있다. 제어봉 구동 메커니즘이 연료 어셈블리의 제어봉에 부착될 수 있도록 관통부를 포함하고 있다. 냉각재 수위 측정 탐침도 원자로 용기 헤드를 통해 용기로 들어간다.

연료 조립체

핵연료의 연료조립은 보통 우라늄 또는 우라늄-플루토늄 혼합물로 구성된다. 그것은 보통 사각형의 격자형 연료봉 블록이다.

중성자 반사체 또는 흡수기

연료 어셈블리에서 빠져나오는 고속 중성자로부터 용기 내부를 보호하는 것은 연료 어셈블리를 감싸고 있는 원통형 차폐다. 반사체는 연료를 더 잘 활용하기 위해 중성자를 연료 어셈블리로 다시 보낸다. 그러나 주요 목적은 혈관을 약하게 만들고 내용 수명을 줄일 수 있는 빠른 중성자 유도 손상으로부터 혈관을 보호하는 것이다.

자재

RPV는 PWR 원자로의 안전에 중요한 역할을 제공하며 사용된 재료는 상승된 온도와 압력에서 원자로 노심을 포함할 수 있어야 한다.[1][2] 선박의 원통형 쉘에 사용되는 재료는 시간이 지남에 따라 진화해 왔으나, 일반적으로는 3-10mm의 오스테나이트 스테인리스강을 입힌 저알로이 페리틱 강으로 구성되어 있다. 스테인리스강 피복재는 부식을 최소화하기 위해 냉각수와 접촉하는 위치에 주로 사용된다.[2] 1960년 중반까지 선박의 몸통에는 몰리브덴마그네슘 판강인 SA-302, B등급이 사용되었다.[2] 설계 변경을 위해서는 더 큰 압력 용기가 필요하므로 항복 강도를 높이기 위해 이 합금에 니켈을 약 0.4-0.7 wt% 더해야 했다.[2] 다른 일반적인 강철 합금에는 SA-533 B 등급 1과 SA-508 등급 2가 포함된다. 두 물질 모두 니켈, 망간, 몰리브덴, 실리콘의 주합금 원소를 가지고 있지만, 후자 역시 0.25-0.45 wt% 크롬을 포함하고 있다.[2] 참고문헌에 기재된 모든 합금에도 0.04 wt% 이상의 황이 있다.[2] 저합금 니모엠(NiMoMn) 페리틱 강재는 열전도율이 높고 열팽창률이 낮아 열충격에 강한 특성이 있어 이를 위한 매력이다.[3] 단, 이러한 강철의 특성을 고려할 때 방사선 손상에 대한 반응을 고려해야 한다. 가혹한 조건 때문에 RPV 실린더 쉘 소재는 원자로의 수명 제한 부품인 경우가 많다.[1] 방사선이 물리적 및 기계적 특성에 더하여 미세 구조에 미치는 영향을 이해하면 과학자들이 방사선 손상에 대한 내성을 더 많이 가진 합금을 설계할 수 있게 될 것이다.

2018년에 Rosatom은 방사선 손상을 개선하고 사용 수명을 15년에서 30년 연장하는 RPV용 열 어닐링 기술을 개발했다고 발표했다. 이는 발라코보 원전 1호기에서 입증된 바 있다.[4]

금속 및 합금의 방사선 손상

원자력 발전의 특성상 RPV에 사용되는 물질은 고에너지 입자에 의해 끊임없이 폭격을 받는다. 이 입자들은 중성자일 수도 있고 핵분열 사건에 의해 생성된 원자의 파편일 수도 있다.[5] 이러한 입자 중 하나가 물질 내 원자와 충돌할 때, 그것은 운동 에너지의 일부를 전달하고 격자 내 원자를 그것의 위치에서 떨어뜨릴 것이다. 이렇게 되면 이 1차 "노크온(knock-on)" 원자(PKA)가 변위되고 그 정력적인 입자가 반동하여 격자 안의 다른 원자와 충돌할 수 있다. 이것은 연쇄 반응을 일으켜 많은 원자들이 원래의 위치에서 이탈하게 할 수 있다.[5] 이러한 원자 움직임은 많은 종류의 결함을 만들어낸다.[5] 다양한 결함의 축적은 거시적 성질의 저하로 이어질 수 있는 미세구조적 변화를 야기할 수 있다. 앞서 언급했듯이, PKA에 의한 연쇄반응은 종종 가장자리에 결함의 흔적과 결함의 무리를 남긴다. 이것을 변위 폭포라고 한다.[6] 변위 폭포의 빈 공간이 많은 코어 또한 탈구 루프로 붕괴될 수 있다. 조사로 인해 재료는 일반적인 강철에 존재하는 결함보다 더 높은 농도의 결함을 발생시키는 경향이 있으며, 작동 온도가 높으면 결함의 이주가 유도된다. 이것은 침전물 또는 공실을 만들거나 용해시킬 수 있는 상호간의 결합과 같은 결함의 군집화와 같은 것들을 야기할 수 있다. 싱크대 또는 열역학적으로 결함이 이동하기에 유리한 장소로는 곡물 경계, 공극, 일관성 없는 침전물 및 탈구가 있다.

방사선에 의한 분리

결함과 합금 원소 사이의 상호작용은 곡물 경계와 같은 싱크대에서 원자의 재배포를 유발할 수 있다. 발생할 수 있는 물리적 효과는 이러한 영역에서 특정 요소가 농축되거나 고갈되어 곡물 경계가 부서지거나 기타 유해한 특성 변화로 이어지는 경우가 많다. 이는 싱크대 쪽으로 공실이 유동하고 원자가 떨어져 있거나 싱크대 쪽으로도 확산 계수가 다를 수 있기 때문이다. 균일하지 않은 확산 속도는 반드시 정확한 합금 비율에 있지 않을 원자의 농도를 유발한다. 니켈, 구리,[6][7] 실리콘은 싱크대에서 농축되는 반면 크롬은 고갈되는 경향이 있다고 보고되었다. 그 결과 물리적 효과는 곡물 경계 또는 공극/불합성 침전물 주위의 화학적 구성을 변화시키고 있으며, 이는 싱크대 역할도 한다.

공극 및 거품 형성

공극은 결원의 군집화로 인해 형성되며 일반적으로 높은 온도에서 더 쉽게 형성된다. 기포는 단순히 가스로 채워진 공극일 뿐, 중성자 폭격으로 인한 원자의 파괴로 기체가 형성되는 것을 의미하는 투과반응이 일어나게 된다.[6] 공극과 거품의 가장 큰 문제는 치수 불안정이다. 이것이 매우 문제가 되는 예로는 고정 장치의 나사산과 같이 치수 공차가 엄격한 영역을 들 수 있다.

방사선 경화

공극이나 거품, 침전물, 탈구 루프나 선, 결점 클러스터 등의 결점 생성은 탈구 운동을 차단하기 때문에 물질을 강화시킬 수 있다. 탈구의 움직임이 플라스틱 변형으로 이어지는 것이다. 이렇게 하면 재질이 단단해지는 반면, 단점은 연성이 손실된다는 것이다. RPV에서 연성을 상실하거나, 취미를 증가시키는 것은 위험하다. 왜냐하면 그것은 경고 없이 치명적인 고장으로 이어질 수 있기 때문이다. 연성 소재가 고장 나면 고장 전 상당한 변형이 있어 이를 모니터링할 수 있다. 부서지기 쉬운 재료는 큰 사전 변형 없이 압력을 받으면 금이 가고 폭발하기 때문에, 그 재료가 언제 고장날지 감지할 수 있는 엔지니어가 할 수 있는 일은 많지 않다. 강철에서 특히 손상되어 경화되거나 부서질 수 있는 원소는 구리다. Cu-rich 침전물은 매우 작아서(1~3nm) 탈구를 고정하는데 효과적이다.[6][8] 특히 불순물 수준이 0.1wt%[8] 이상일 경우 구리가 RPV에 사용되는 강철의 주요 유해 요소라는 사실이 인정되었다. 따라서 "깨끗한" 강철, 즉 불순물 수준이 매우 낮은 강철의 개발은 방사선에 의한 경화를 줄이는 데 중요하다.

크리프

크리프는 시간이 지남에 따라 소성 변형을 유발하는 항복 응력 이하의 스트레스 수준에 물질이 고정될 때 발생한다. 이것은 특히 물질이 높은 온도에서 높은 스트레스에 노출되었을 때 확산과 탈구 운동이 더 빨리 일어나기 때문에 널리 퍼져 있다. 방사선 조사는 스트레스와 미세구조물 발달 사이의 상호작용 때문에 소름끼치는 원인이 될 수 있다.[6] 이 경우 고온에 의한 확산 증가는 크리프를 유발하는 데 그리 강한 요인이 아니다. 방사선 손상으로 형성된 결함에 따라 탈구 루프가 생성되어 적용된 응력 방향으로 물질의 치수가 증가할 가능성이 있다. 게다가, 가해진 스트레스는 간신들이 더 쉽게 탈구에 흡수될 수 있게 해 탈구 상승에 도움을 줄 수 있다. 탈구가 올라갈 수 있게 되면 과잉공백이 남아서 붓기도 할 수 있다.[6]

방사선 조사 보조 응력 부식 균열

균열 개시자 역할을 할 수 있는 곡물 경계의 부서짐 또는 기타 결함으로 인해 균열에서 방사선 공격을 추가하면 곡물 간 응력 부식 균열이 발생할 수 있다. 방사선에 의해 형성되는 주요 환경 스트레스 요인은 균열 끝의 수소 부서짐이다. 수소 이온은 물이 PWR의 냉각제이기 때문에 존재하는 물 분자를 방사능이 OH와− H로+ 쪼개면 생성된다. 수소 분쇄를 설명하는 여러 가지 의심스러운 메커니즘이 있는데, 그 중 세 가지는 탈부착 메커니즘, 압력 이론, 수소 공격법이다. 디코션 메커니즘에서는 수소 이온의 축적이 금속 대 금속 결합 강도를 감소시켜 원자를 분리하기 쉽다고 생각된다.[6] 압력 이론은 수소가 내부 결함에 기체로서 침전할 수 있고 물질 내에 거품을 발생시킬 수 있다는 생각이다. 가해진 스트레스 외에 거품이 팽창하면서 생기는 스트레스는 물질을 파괴하는 데 필요한 전반적인 스트레스를 낮추는 것이다.[6] 수소 공격 방법은 압력 이론과 유사하지만, 이 경우 수소가 강철의 탄소와 반응하여 메탄(metan)을 형성한 다음 표면에 물집과 거품을 형성하는 것으로 의심된다. 이 경우 거품에 의한 응력이 강재의 탈가르버링에 의해 강화되어 금속이 약해진다.[6] 수소 부서짐 외에도 방사선에 의해 유발된 크리프는 곡물 경계를 서로 미끄러지게 할 수 있다. 이것은 곡물 경계를 더욱 불안정하게 하여 균열이 그 길이에 따라 더 쉽게 전파되도록 한다.[6]

원자로 압력용기의 내복사성 재료 설계

매우 공격적인 환경은 시간이 지남에 따라 기계적 특성이 감소하는 것과 싸우기 위해 새로운 재료 접근법을 필요로 한다. 연구자들이 사용하려고 했던 방법 중 하나는 변질된 원자를 안정화하기 위한 특징들을 도입하는 것이다. 이는 결점 이동을 최소화하기 위해 곡물 경계, 과도한 크기의 용해제 또는 작은 산화물 분산제를 첨가함으로써 이루어질 수 있다.[5][6] 이렇게 함으로써, 방사선에 의해 유발되는 원소의 분리가 줄어들 것이고, 이는 결과적으로 더 많은 연성 곡물 경계와 곡물 간 응력 부식 균열을 감소시킬 것이다. 탈구와 결함 움직임을 차단하는 것도 방사선 방호 크리프에 대한 저항력을 높이는 데 도움이 될 것이다. 탈구운동을 차단하기 위해 이트리움 산소를 도입하려는 시도가 보고됐지만, 기술적 구현이 예상보다 큰 난제를 안고 있는 것으로 나타났다.[5] 원자력 발전소에서 사용하는 구조물의 방사선 손상 저항성을 지속적으로 개선하기 위한 추가 연구가 필요하다.

제조자

첨단 대형 원자로 압력 용기와 제한된 시장을 건설하는 데 필요한 극한 요건 때문에 2020년 1월 현재 전 세계에는 다음을 포함한 소수의 제조업체만 존재한다.[9]

참고 항목

참조

  1. ^ a b Zinkle, Steven J. (2009). "Structural materials for fission & fusion energy". Materials Today. 12 (11): 12–19. doi:10.1016/S1369-7021(09)70294-9.
  2. ^ a b c d e f "Assessment and management of ageing of major nuclear power plant components important to safety: PWR pressure vessels". International Atomic Energy Agency. 1999.
  3. ^ Blagoeva, D.T.; Debarberis, L.; Jong, M.; ten Pierick, P. (2014). "Stability of ferritic steel to higher doses: Survey of reactor pressure vessel steel data and comparison with candidate materials for future nuclear systems". International Journal of Pressure Vessels and Piping. 122 (122): 1–5. doi:10.1016/j.ijpvp.2014.06.001.
  4. ^ "Rosatom launches annealing technology for VVER-1000 units". World Nuclear News. 27 November 2018. Retrieved 28 November 2018.
  5. ^ a b c d e "Development of Radiation Resistant Reactor Core Structural Materials". International Atomic Energy Agency. 2009.
  6. ^ a b c d e f g h i j k Was, Gary S. (2007). Fundamentals of Radiation Materials Science: Metals and Alloys. Springer. ISBN 978-3-540-49471-3.
  7. ^ "Fact Sheet on Reactor Pressure Vessel Issues". NRC: Fact Sheet on Reactor Pressure Vessel Issues. United States Nuclear Regulatory Commission.
  8. ^ a b Hoffelner, Wolfgang (2013). Materials for Nuclear Plants: From Safe Design to Residual Life Assessment. Springer. ISBN 978-1-4471-2914-1.
  9. ^ a b "Heavy Manufacturing of Power Plants - World Nuclear Association". www.world-nuclear.org.
  10. ^ "Reactor Pressure Vessel Is Installed in Hualong One". www.yicaiglobal.com.
  11. ^ "Framatome forge raises replacement parts production : Corporate - World Nuclear News". www.world-nuclear-news.org.
  12. ^ "Le Creusot to resume manufacture of forgings - World Nuclear News". www.world-nuclear-news.org.
  13. ^ Mishra, P.K; Shrivastav, Vivek. "Heavy steel forgings for Pressurised Water Reactor program" (PDF). BARC newsletter. 377 (July-August 2021): 38. Retrieved 30 August 2021.
  14. ^ Sarkar, Apu; Kumawat, Bhupendra K.; Chakravartty, J.K. (2015). "Ratchetting behavior of 20MnMoNi55 reactor pressure vessel steel". Journal of Nuclear Materials. 467: 500–504. doi:10.1016/j.jnucmat.2015.09.010.
  15. ^ Reporter, B. S. (26 July 2009). "L&T plays crucial role in building India's first nuclear-powered submarine". Business Standard India. Retrieved 10 April 2021.
  16. ^ "12 companies selected for the prestigious National Technology Awards 2020 for commercialization of innovative indigenous technologies". pib.gov.in. PIB Government of India.
  17. ^ "Toshiba Gives IHI Contract For Pressure Vessel For First ABWR In U.S. - News - Nuclear Power News - Nuclear Street - Nuclear Power Plant News, Jobs, and Careers". nuclearstreet.com.
  18. ^ Reuters Staff (October 19, 2018). "Toshiba, IHI to dissolve nuclear power venture" – via www.reuters.com.