증기발생기(원자력)

Steam generator (nuclear power)
연소 엔지니어링 증기 발생기의 반전된 U-튜브 번들.

증기발생기원자로 노심에서 생성된 열로부터 물을 증기로 전환하기 위해 사용되는 열교환기다.1차 및 2차 냉각수 루프 사이의 가압수 원자로(PWR)에 사용된다.

일반적인 PWR 설계에서 1차 냉각수는 고순도 물이며, 끓을 수 없도록 고압으로 유지된다.이 1차 냉각수는 원자로 노심을 통해 펌핑되어 연료봉으로부터 열을 흡수한다.그런 다음 증기발생기를 통과해 열(금속을 통한 전도를 통해)을 저압수로 전달해 끓게 한다.

목적

PWR과 달리 비등수형 원자로(BWR)는 증기발생기를 사용하지 않는다.1차 냉각수는 원자로 노심 내에서 직접 끓을 수 있고 증기는 단순히 증기터빈을 통과한다.이론적으로는 간단하지만, 이것은 유지보수의 단점이 있다.노심을 통과하는 동안 1차 냉각수는 높은 중성자 유속을 받는다.이것은 물 속에 산소와 용해된 질소활성화시킨다.주요 반응은[1] 산소-16의 원자가 중성자 1개를 흡수하고 양성자를 1개 방출하여 질소-16이 된다는 것이다.질소-16은 7초 반감기를 가지며 산소-16으로 다시 소멸할 때 감마선을 생성한다.7초 반감기는 물이 원자로 밖으로 순환할 수 있을 정도로 길다.BWR에서 이것은 물이 감마선을 방출할 때 증기 터빈에 있을 수 있다는 것을 의미한다.이러한 반응에 의해 장수하는 방사성 동위원소는 생성되지 않지만 감마선은 원자로 운전 중과 그 후 짧은 시간 동안 BWR의 터빈 홀에 인간이 존재할 수 없다는 것을 의미한다.

이와는 대조적으로, PWR에서는 증기발생기가 증기터빈을 통과하는 2차 냉각재로부터 활성화된 1차 냉각수를 분리한다.따라서 인간은 운전 중에 PWR의 터빈과 다른 증기 발전소 부품에 자유롭게 접근할 수 있다.이것은 유지 비용을 절감하고 가동 시간을 향상시킨다.

설명

수직 재순환식 증기발생기(Westinghouse 및 연소공학 설계 원자로) 및 구성부품.

상업용 발전소의 경우 원자로당 2~4개의 증기발생기가 있다. 각 증기발생기의 높이는 최대 21m이고 무게는 최대 800t이다.각 증기발생기는 3,000 - 16,000개의 튜브를 포함할 수 있으며, 각각 직경 약 75인치(19 mm)이다.비등 방지를 위해 고압으로 유지되는 냉각재(처리수)는 원자로 노심을 통해 펌핑된다.열전달은 원자로 노심과 순환수 사이에서 이루어지며 냉각수는 원자로 노심으로 돌아가기 전에 냉각수 펌프에 의해 증기발생기의 1차 튜브 쪽을 통해 펌프된다.이것을 일차 루프라고 한다.

증기발생기를 통해 흐르는 물은 (일차측보다 낮은 압력으로 유지되는) 껍질측에서 물을 끓여서 증기를 발생시킨다.이것을 2차 루프라고 한다.이차측 증기는 터빈에 전달되어 전기를 만든다.증기는 이후 3차 루프에서 냉각된 물을 통해 응축되고 증기발생기로 돌아가 다시 한번 가열된다.3차 냉각수는 더 많은 증기를 응축하기 전에 폐열을 배출하는 냉각탑으로 재순환될 수 있다.1회 관통 3차 냉각은 강, 호수 또는 바다에 의해 제공될 수 있다.이 1차, 2차, 3차 냉각방식은 가압수형 원자로의 기초로서, 세계적으로 가장 보편적인 원자력 발전소 설계다.

CANDU 설계의 가압 중수로와 같은 다른 유형의 원자로에서는 1차 유체가 중수다.러시아 BN-600 원자로와 같은 액체 금속 냉각 원자로는 나트륨과 같은 액체 금속을 1차 냉각재로 사용한다.또한 1차 금속 냉각수와 2차 냉각수 사이에 열 교환기를 사용하므로 2차 및 3차 냉각은 PWR과 유사하다.

증기발생기의 열교환관은 방사능과 비방사성 유체계통을 분리하기 때문에 중요한 안전 역할을 한다. (일차 냉각수는 노심 피폭으로부터 잠시 방사능이 되며, 파이프에서 철의 용해된 원자와 같이 그 안에 소량의 장수 방사성 동위원소가 용해된다.)1차 냉각수가 더 높은 압력에 있기 때문에 열교환관이 파열되면 1차 냉각수가 2차 루프로 누출될 수 있다.일반적으로 이것은 수리를 위해 발전소를 정지해야 할 것이다.이러한 1차 2차 누출을 방지하기 위해 황류 시험에 의해 증기발생기 튜브를 주기적으로 검사하고 개별 튜브를 꽂아 작동에서 제거할 수 있다.[2]많은 핵 부품과 마찬가지로 기계 엔지니어는 물질의 부식 및 균열 전파 속도를 이용하여 검사 빈도를 결정한다.검사 결과 튜브 벽이 얇아서 다음 검사 전에 부식될 수 있는 경우 튜브를 꽂는다.(관 플러그를 꼽는 것은 일반적으로 수리를 시도하는 것보다 쉽다.소형 열교환관이 많고, 증기발생기는 일부 플러그를 꽂을 수 있도록 과잉 튜브로 설계되어 있다.)

전체 증기발생기는 흔히 발전소 중생기에 교체되는데, 이것은 주요 사업이다.대부분의 미국 PWR 발전소는 증기 발생기를 교체했다.[2]

역사

원자력 발전기는 최초의 원자력 잠수함USS 노틸러스호(SSN-571)의 발전소로 출발했다.그것은 웨스팅하우스 전력회사가 잠수함을 위해 설계하고 건설했다. 거기서부터 그 회사는 원자력 발전기의 개발과 연구를 시작했다.[3]평화로운 원자로가 발전소로 사용될 수 있도록 합법화되자, 발전 회사들은 점점 더 발전하는 원자력 증기 발전기의 개발을 활용할 수 있는 기회에 뛰어들었다.웨스팅하우스는 1960년에 최초의 원자력 발전소 중 하나인 양키 로웨 원자력 발전소(NPS)를 건설했는데, 이 발전소는 원자력 발전기도 사용했다.이 발전소는 100 MWe(메가 와트 전기)의 출력을 가지고 있었다.그에 비해, 일부 현대식 발전소는 1100 MWe 이상의 출력을 가지고 있다.결국, 배콕 & 윌콕스, 연소 엔지니어링과 같은 다른 국제 회사들은 원자력 증기 발생기의 연구와 개발을 위한 그들만의 프로그램을 시작했다.

종류들

Babcock & Wilcox 원자력 증기발생기는 오하이오 바버턴에서 펜 중앙 철도남부 철도를 거쳐 S.C. 오코네Duke Energy 부지로 특별열차(20mph)로 이동했다.이 발전기의 중량은 1,140,000lbs이며, 당시(1970년) 철도청의 기록적인 출하량이다.

웨스팅하우스연소공학 설계는 1차 급수용 역관이 있는 수직 U-튜브를 갖추고 있다.캐나다, 일본, 프랑스, 독일 PWR 공급업체도 수직 구성을 사용한다.러시아 VVER 원자로 설계는 수평 증기 발생기를 사용하며, 이 발전기는 튜브를 수평으로 장착한다.Babcock & Wilcox 발전소(예: Three Mile Island)는 물을 OTSG 상단을 통과하도록 하는 소형 증기발생기(Once-through 증기발생기; 급수로 역류)와 하부를 통해 원자로냉각재펌프에 의해 재순환되는 소형 증기발생기를 가지고 있다.수평 설계는 수직 U-튜브 설계보다 열화에 덜 취약하다는 것이 입증되었다.

자재 및 시공

원자력 증기발생기의 터빈과 파이프를 구성하는 물질은 원자로의 과 방사선에 견딜 수 있도록 특별히 제작되고 특별히 설계되었다.또한 수관은 장기간 동안 물로부터의 부식을 견딜 수 있어야 한다.미국 원자로에서 사용되는 파이프는 합금 600 또는 합금 690 중 하나로 인코넬로 만들어진다.합금 690은 여분의 크롬으로 만들어지며 대부분의 시설 열은 금속을 열과 부식에 더 잘 견딜 수 있도록 처리한다.알로이 600과 알로이 690의 니켈 함량이 높아 산과 높은 스트레스와 온도에 저항하기에 적합하다.

분해

아닐레드 또는 열처리된 알로이 600은 수화학으로 인해 튜브가 찌그러지고 얇아지기 쉬웠다.따라서, 수관에 합금 600을 사용한 식물들은 새로운 물 화학 조절기를 설치하고 물에 넣는 화학물질을 바꾸어야 했다.이 때문에 배관 박리가 처리됐지만 드물게 튜브 덴트가 발생해 누수와 파열이 발생하는 경우도 있다.이를 막는 유일한 방법은 정기적인 유지보수와 점검이지만, 이로 인해 원자로가 강제로 정지된다.어떤 경우에는 발전소가 합금 600 튜브를 합금 690 튜브로 교체하고 몇 개의 발전소를 정지시켰다.원전용 증기터빈 제조업체들은 향후 문제를 막기 위해 제작 기법을 개선하고 스테인리스강 등 다른 소재를 사용해 튜브가 찌그러지지 않도록 했다.[4]

일반적인 작동 조건

미국의 "일반적인" PWR의 증기발생기는 다음과 같은 작동조건을 가지고 있다.

측면 압력
(iii)
흡입구
온도
콘센트
온도
1차측(튜브측) 15.5 MPa
(2,250 psi)
315 °C
(599°F)
(수분)
275 °C
(527°F)
(수분)
보조 측(셸 측) 6.2 MPa
(900 psi)
220 °C
(428°F)
(수분)
275 °C
(527°F)
(증기)

튜브 소재

증기발생기 배관에는 타입 316 스테인리스강, 합금 400, 합금 600MA(밀어닐링), 합금 600 등 다양한 고성능 합금과 슈퍼 알로이가 사용되어 왔다.TT(열처리), 합금 690TT 및 합금 800Mod.

참고 항목

참조

  1. ^ http://mafija.fmf.uni-lj.si/seminar/files/2015_2016/Andrej_Zohar_Activation.pdf[bare URL PDF]
  2. ^ a b "US steam generator replacement a winner". World Nuclear News. 30 January 2014. Retrieved 1 February 2014.
  3. ^ 원자력 발전 개요, 세계 원자력 협회(2014년)
  4. ^ 원자력 발전, 멜버른 대학(2014년)에 대해 알고 싶은 모든 것 Nuclearinfo.net

외부 링크