1.1.2 수화학 (2) [원자력기사]

1.2 수화학 (Water Chemistry) -2

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수화학 관리는 전면부식과 응력부식균열에 영향을 준다.

따라서 수화학 관리는 1차계통과 2차 계통의 건전성을 유지하기 위해 반드시 필요한 관리이다.

수화학 처리에서 관리되는 항목은 대략 10가지 이상이다.

수화학 관리 목록은 다음과 같다.

1. 용존산소

2. 용존수소

3. 염소염

4. 불소염

5. 황산염

6. 리튬

7. 유기물

8. 아연

9. 불소

10. 알루미늄, 칼슘, 마그네슘, 실리카

11. pH

12. 리튬

13. 아연

이중 수화학 관리에서 주요하게 다루어 지는 요소들을 살펴보자.

1. 용존산소 (Dissolved oxygen)

용존산소는 물 속에 녹아있는 분자상태의 산소의 양을 의미한다.

일반적으로 온도가 낮을수록, 그리고 압력이 높을 수록 용존 산소량은 많아진다.

용존산소는 부식을 완전히 방지하지는 못해도 부식을 최소화 할 수 있는 인자이다.

산소와 수소의 화합물인 과산화수소(H2O2)는 원자로냉각재에서 생성되는 산화종이다.

산화상태는 부식생성물의 생성과 이동 증가, 방사선 준위 증가, 반응도 비정상, 핵연료 표면의 크러드 축적, 핵연료봉의 부식 증가 등 원자로냉각재에서 부식을 유발한다.

이러한 부작용을 유발하는 용존산소는 하이드라진(기동운전시)과 수소(출력운전시)를 이용하여 제거한다.

(하이드라진(Hydrazine, N2H4)은 암모니아와 유사한 냄새가 나는 무색의 가연성 액체화합물이며, 강한 환원제이다.)

2. pH (pH value)

pH는 물의 산성이나 알칼리성의 정도를 나타내는 수치로서 수소이온의 농도이다.

중성의 pH는 7이다. 

pH가 7 미만은 산성, pH가 7 초과하는 것은 알칼리성이다.

pH가 6.9~7.4 이내에서는 핵연료 피복재에 미치는 영향은 없다.

그러나 핵연료 피복재에 침적되는 침적물에는 영향을 줄 수 있어 부식을 유발할 수 있다.

pH가 높은 상태로 유지되면, 원자로냉각재에 리튬 농도를 높여 지르코늄 합금의 부식을 유발할 수 있다.

반대로, pH가 6.9 이하에서는 핵연료 피복재에 침적물이 증가될 수 있다.

1차계통의 pH를 조절하기 위하여 수산화리튬(Li7OH)이 사용된다.

그리고 2차계통의 pH는 수산화암모늄(NH4OH)가 사용된다.

3. 아연

아연은 핵연료 피복재의 PWSCC(1차측 내면에서 2차측 외면으로 균열이 진행되는 부식) 완화와 선량율 감소효과가 있는 것으로 알려져 있다.

아연이온은 철, 니켈 또는 코발트와 같은 2가 양이온과 부분적으로 교체되어 스피넬 형태의 산화물 결정격자에 결합하여 보호막을 형성한다.

이 보호막은 코발트(Co-58)과 같은 방사성 부식생성물의 결합을 감소시키고 부식율을 감소시켜 방사선량도 감소시킨다.

예제 1 (2010년 원자력기사 기출) 

가압경수로형 원전에서 냉각재의 pH를 조절하기 위해 주로 사용하는 물질은?

① Li6OH

② Li7OH

③ NA23OH

④ NA24OH

정답) ②

가압경수로의 원자로냉각재의 pH를 조절은 수산화리튬(Li7OH)을 사용하여 조절한다.

예제 2 (2010년 원자력기사 기출) 

일반적으로 냉각재 중의 수소농도는 화학 및 체적제어계통(CVCS)에서 수소압력을 조절하므로써 조절된다. 이와같이 수소 농도를 조절하는 목적은?

① 리튬농도 제어

② 붕소농도 제어

③ CRUD 제거

④ 용존산소농도 제어

정답) ④

화학 및 체적제어계통은(CVCS)는 1차계통의 수화학을 조절하는 계통이다. 문제에서는 화학 및 체적제어계통의 역할 보다는 수소압력을 조절하는 목적을 묻고 있다. 수소의 농도를 조절하는 이유는 수소와 산소를 결합하여 용존산소농도를 제어하여 부식을 방지하기 위함이다.

예제 3 (2011년 원자력기사 기출) 

가압경수로형 원자력발전소 1차계통의 수화학 처리에 관한 설명 중 옳지 않은 것은?

① 장주기 운전은 크러드 발생을 억제하며 비정상축방향 출력편차를 완화시키는데 기여한다.

② 용존산소는 발전소 기동시 배기 또는 진공 충수한 뒤 하이드라진과 수소로 제거한다.

③ 용존수소는 원자로냉각재를 환원상태로 유지하여 계통 부식을 최소화 한다.

④ 수산화리튬은 원자로냉각재계통 pH 제어를 위해 사용한다.

정답) ①

크러드는 냉각재의 방사화로 생성되는 부식물이므로, 발전소를 운전하면 점점 많이 발생하는 물질이다.

예제 4 (2012년 원자력기사 기출) 

가압경수로형 원자력발전소 냉각재의 수화학 관리에 관한 설명으로 틀린 것은?

① 저온정지 상태에서 하이드라진(N2H4)을 첨가하여 용존산소를 제거한다.

② 출력운전 상태에서는 수소기체를 주입하여 용존산소를 제거한다.

③ 붕소는 주로 반응도 제어를 위해 사용한다.

④ 주기 초보다 주기 말에 붕소의 농도가 높다.

정답) ④

①,② 발전소를 막 운전하기 시작한 조건과, 발전소를 정지하는 상태의 온도, 압력 조건은 동일하다. 따라서 기동운전시(혹은 저온정지 시) 용존산소의 제거는 하이드라진을 사용하고, 출력운전중에는 수소를 주입한다.

③ 붕소는 원자로 내의 중성자를 포획하여 핵연료와 중성자의 반응도를 제어하여 결과적으로 원자로 출력을 조절 할 수 있다. 이는 발전소 운전에 중요한 인자이다(원자로운전과 안전 참고). 

④ 원자력발전소를 운전하면 초기에는 연료가 활발하게 중성자와 반응하여 출력을 발생시킨다. 따라서 출력을 제어하기 위해서 주기초에는 붕산의 농도를 높게 유지한다. 그러나 연료를 교체할 때가된 주기말의 연료의 주기초보다 중성자 반응이 줄어드므로, 그만큼 붕소 농도를 낮게 유지한다.

예제 5 (2013년 원자력기사 기출) 

가압경수로형 원전의 1차계통 수화학 관리에 관한 설명으로 가장 맞는 것은?

① 원자로의 출력운전시 냉각재를 약산성 조건으로 유지한다.

② 냉각재에 존재하는 방사화된 부식생성물은 주로 망간 페라이트 형태이다.

③ 원자로를 정지하기 전에 냉각재의 부식생성물을 용해시키기 위해 수산화리튬을 첨가한다.

④ 원자로의 기동운전시 냉각재의 용존산소 제거를 위해 하이드라진을 첨가한다.

정답) ④

① 원자로의 운전시 pH를 6.9~7.4 정도(약알칼리)를 유지하며, 산성 조건에 도달시 수산화리튬 등을 이용하여 약 알칼리를 유지한다.

② 냉각재에 존재하는 방사화된 부식생성물은 주로 코발트 산화물 형태이다.

③ 원자로를 정지하기 전에 냉각재의 부식생성물을 용해시키기 위해 과산화수를 첨가하여 제어한다.

예제 6 (2015년 원자력기사 기출)

가압경수로형 원자력발전소에서 1차 또는 2차 계통수의 pH를 조절하기 위해 사용하는 화합물끼리 묶은 것은?

① LiO2, N2H4

② LiOH, NH4OH

③ HNO3, N2H4

④ HNO3, NH3

정답) ②

원자력발전소에서는 1차계통과 2차계통에서 각각 수산화리튬(LiOH)과 수산화 암모늄(NH4OH)을 이용하여 pH를 조절한다.

예제 7 (2016년 원자력기사 기출) 

가압경수로 1차계통 선량율을 저감하고 구조재료의 균열 발생을 억제할 목적으로 냉각재 내에 주입하는 것은?

① 리튬(Li)

② 아연(Zn)

③ 붕소(B)

④ 철(Fe)

정답) ②

아연(Zn)은 Alloy-600의 PWSCC(1차측 내면에서 2차측 외면으로 균열이 진행되는 부식)의 완화와 선량율 감소 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 그리고 아연은 핵연료피복재에 침적물을 형성하지 않고 그 어떤 영향도 주지 않는 것으로 알려져 있다.