1.1.2 수화학 (1) [원자력기사]

1.2 수화학 (Water Chemistry) -1

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우리는 1.1절에서 부식에서 물과 산소가 필요하다는 것에 대해 알아보았다.

원자력발전소에서는 물을 냉각재로 사용하므로 산소만 있다면 발전소 내부는 부식되기 쉬운 조건이다.

따라서 발전소의 안전을 위하여 원자력발전소에 사용되는 물은 수(水)화학처리를 통하여 관리하며, 수화학의 정의는 다음과 같다.

「 원자로 금속재료의 부식과 관련하여 냉각수의 수질 및 냉각수 현상을 화학적으로 검토하는 학문 」

1차계통의 수화학 관리의 일반적인 목적은 세가지 이다.

▶ 1차계통 압력경계의 건정성 확보

▶ 핵연료 피복재의 건전성 보장 및 핵연료 성능 유지

▶ 원자로 외부의 방사선 준위 최소화

1) 1차계통 압력경계의 건전성 확보

1차계통 압력경계란 그림 1에 표시되어 있는 1차계통의 물을 감싸고 있는 폐회로를 말한다.

1차계통의 냉각수는 원자로 → 가압기 → 증기발생기 U-튜브 → 원자로냉각재펌프 → 원자로를  순환한다.

그림 1. 1차계통 압력경계

이 영역은 핵연료와 직접 닿아 있어 압력경계의 부식으로 누설이 발생하면 방사성 물질들이 외부로 누출될 수 있으므로 원자력발전소의 안전성 측면에서 가중 중요하다.

1차계통 압력경계 중 가장 취약한 부위는 증기발생기 튜브와 기기들의 연결 용접부 이다.

수화학 관리를 통하여 1차계통 금속의 전면부식과 응력부식균열을 방지할 수 있도록 한다.

2) 핵연료 피복재의 건전성 보장 및 핵연료 성능 유지

부식된 물질들이 핵연료 피복재에 침적되어 중성자 조사를 받게되면 부식 침전물들은 방사성물질로 전환된다.

핵연료의 피복재에 부식 손상이 발생하면 핵연료에서 발생한 방사능 물질로 인하여 원자로냉각재의 방사선 준위가 증가하게 되어 결국 발전소를 정지해야 한다.

3) 원자로 외부의 방사선 준위 최소화

만약 핵연료의 피복재에 부식 손상이 발생한 상태에서 원자로냉각재의 누설이 발생하면, 원자로 외부로 방사능 물질이 누출된다.

이는 발전소에서 고려하고 있는 매우 심각한 사고이다.

따라서 원자로 외부의 방사선 준위를 최소화 해야 한다.

수화학 관리는 위 세가지 목표가 적절히 달성될 수 있도록 조절해야 한다.

그러나 위 세가지 목표를 동시에 만족시키기는 매우 어렵다.

예를들어 pH를 높은 상태로 유지하면 계통 방사선 준위를 감소시키는 효과가 있다. 

그러나 증기발생기에 주로 사용되는 Alloy-600(니켈합금)은 pH가 높을 경우, 균열이 증가될 수 있다.

반대로 pH를 낮은 상태로 유지하면, Alloy-600의 균열은 감소되나, 방사선 준위를 감소시킬수 없는 문제가 있다.

핵연료 피복재의 경우, pH를 낮은 상태로 유지하면 크러드 침적을 야기하여 핵연료 피복재의 손상을 유발할 수 있다.

반대로 발전소는 수산화리튬(LiOH)을 이용하여 pH를 제어하므로 pH를 높은 상태로 유지하면 리튬 농도가 증가하여 피복재의 부식을 발생시킬 수 있다.

2차계통(그림 1 참조)은 관련된 설비들이 많아 여러 종류의 금속재료로 구성되어 있다.

이에 따라 수화학 관리목적은 증기발생기를 우선으로 하여 2차계통 기기의 부식을 감소시키고 원자력발전소의 건전성을 유지하여 발전소를 안전하게 운전하는 것이다. 

이를 위해 원자력발전소 감시항목을 설정하고 다양한 재료의 건전성 확보관점에서 수질관리치를 설정하고 이에 근거하여 관리를 한다. 

예제 1 (2007년 원자력기사 기출)

원전에서 계통의 신뢰도는 수질에 의존하는데 통상적인 수질관리를 위하여 행하는 일반적 원자로 수화학의 목적이 아닌 것은?

① 재료에 대한 물의 공격성 감소

② 노심내 불순물 유입 최소화

③ 연료 표면의 오염방지

④ 침전물에 의한 중성자 포획

정답) ④

① 수화학 관리를 통하여 1차계통 금속의 전면부식과 응력부식균열을 방지할 수 있도록 한다.

② 유기물은 탄소를 포함하고 있는 물질로 유기 화합물이 핵연료와 재질의 건전성 또는 발전소 방사능 준위에 미치는 영향은 아직 잘 알려지지 않고 있다. 그러나 발전소에서는 유기물에 대한 제한치를 두고 있으므로 원자로 내부로 유입되지 않도록 하고 있다. 

③ 핵연료 피복재(연료표면)에 오염이 유지되어 중성자 조사를 받으면 부식 침전물은 방사성 물질로 전환되며, 수화학의 목적은 이를 방지하기 위함이다. 

④ 핵연료 피복재에 부식물이 침전되어 중성자 조사를 받으면 부식 침전물은 방사성 물질로 전환되며, 수화학의 목적은 이를 방지하기 위함이다.

예제 2 (2012년 원자력기사 기출)

원자력발전소 계통의 신뢰도는 수질에 의존한다. 수질관리를 위하여 행하는 일반적 원자로 수화학의 목적으로 맞는 것은?

① 침전물에 의한 중성자 포획

② 연료표면의 오염 유지

③ 노심 내 유기물 유입 최대화

④ 재료에 대한 물의 공격성 감소

정답) ④

① 핵연료 피복재에 부식물이 침전되어 중성자 조사를 받으면 부식 침전물은 방사성 물질로 전환되며, 수화학의 목적은 이를 방지하기 위함이다.

② 핵연료 피복재(연료표면)에 오염이 유지되어 중성자 조사를 받으면 부식 침전물은 방사성 물질로 전환되며, 수화학의 목적은 이를 방지하기 위함이다. 

③ 유기물은 탄소를 포함하고 있는 물질로 유기 화합물이 핵연료와 재질의 건전성 또는 발전소 방사능 준위에 미치는 영향은 아직 잘 알려지지 않고 있다. 그러나 발전소에서는 유기물에 대한 제한치를 두고 있으므로 원자로 내부로 유입되지 않도록 하고 있다. 따라서 유입 최대화는 틀린 말이다.

④ 수화학 관리를 통하여 1차계통 금속의 전면부식과 응력부식균열을 방지할 수 있도록 한다.

예제 3 (2014년 원자력기사 기출)

다음중 가압경수로형 원전의 1차계통 수화학관리 목적과 가장 거리가 먼 것은?

① 1차계통 압력경계에서 재료 건전성 확보

② 핵연료 피복재의 건전성 보장 및 핵연료 설계 성능 달성

③ 노심 외부의 방사선준위 최소화

④ 핵분열 생성물 발생의 최소화

정답) ④

①, ②, ③ 번의 앞 본문에서 설명한 수화학관리의 일반적인 목적과 일치한다. 그러나 ④ 번의 핵분열 생성물의 발생양은 수화학과 관계없이 발전소 운전에 따른 결과이다.