1.1.1 노심 반응도 제어방법 (1) [원자력기사]

1. 노심 반응도 제어방법

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원자로 제어란 반응도를 변화시켜 원자로의 출력을 증가 또는 감소 시키는 것을 말한다.

반응도의 제어는 제어봉이나 붕소와 같이 중성자를 흡수하는 독물질을 이용하여 직접적으로 반응도를 변화시키는 방법도 있고, 발전소의 조건(온도 등)에 따라 자연적으로 발생하는 인자들도 있다.

원자력 발전소 운전원은 반응도 제어의 여러 방법을 고려하여 발전소가 안전하게 최대의 출력을 발생 시킬 수 있도록 적절히 조절한다.

노심의 반응도 제어는 원자로 내의 중성자 흡수 물질의 양을 조절함으로써 핵연료와 중성자의 반응을 제어한다.

주로 사용하는 방법은 제어봉과 수용성 독물질이다.

■ 제어봉

제어봉은 열중성자를 잘 흡수하는 재료이다.

원자로에 따라 사용하는 중성자 흡수 물질, 즉, 독물질은 다르지만 일반적으로 붕소(Boron)을 사용한다.

제어봉에 사용되는 붕소는 고체 형태인 보론 카바이드(B4C)가 사용된다.

붕소 이외에도 중요한 흡수 물질로는 은(Ag), 인듐(Indium), 카드뮴(Cadmium)의 합금으로 만들어진 제어봉도 있다.

또한 가돌리늄(Gadolinium), 어르븀(Erbium) 및 어르비아(Erbia) 등이 사용된다.

제어봉은 그림 1과 같이 원자로의 상단에 위치하여 노심에 넣었다 뺐다 하면서 핵연료의 반응도를 조절한다.

그림 1. 원자로 모형

■ 수용성 독물질

수용성 독물질은 보통 붕산(H3BO3)를 사용한다.

원자로가 정상 운전 중에는 붕소 농도를 조절하여 장기간에 걸쳐 반응도의 변화를 제어한다.

그러나 제어봉이 고장이 나거나 발전소에 사고가 발생하여 긴급하게 발전소를 정지해야 할때에도 다랸의 붕산을 주입할 수도 있다.

수용성 독물질은 노심 전체에 균일하게 분포되기 때문에 제어봉에 비하여 중성자의 분포를 균일하게 한다.

따라서 원자로가 정상 운전 중일때는 제어봉을 많이 인출해놓고 수용성 독물질(붕소)의 농도를 조절하여 출력을 제어한다.

이러한 수용성 독물질은 화학및 체적제어계통(CVCS, Chemical and Volume Control System)을 이용하여 붕산을 주입 및 희석 시킨다.

예제 1 (2011년 원자력기사 기출)

가압경수로형 원전의 노심 반응도 제어에 관한 설명중 틀린 것은?

① 노심 반응도 제어는 화학 및 체적제어계통을 통한 붕산의 희석 및 주입과 노심에 제어봉 집합체를 삽입 및 인출하는 두가지 방법이 있다.

② 제어봉은 노심 반응도를 신속히 변경시켜야 할 경우에는 제논진동을 완화시켜 국부적인 반응도 제어를 가능케 해준다.

③ 붕산수는 감속재에 균일하게 용해되어 있으므로 독물질 농도가 편중되어 나타날 수 있는 국부적인 과잉 열속 현상을 최소화 시킬 수 있다.

④ 붕산에 의한 반응도 제어는 감속재 내의 균일한 붕산농도 분포로 인하여 축방향 출력분포를 변경하는 것이 용이다.

정답) ④ 

② 긴급한 상황이 발생하여 원자로를 신속히 정지해야 할 경우에는 모든 제어봉이 순간적으로 원자로 내부로 삽입된다. 원자로 내부로 모든 제어봉이 삽입되면, 대부분의 열중성자는 제어봉에 흡수되어 핵분열이 급속히 감소하고 원자로 추출력도 급감한다. (제논 진동은 원자력기초 2.8.1장 참조)

④축방향 출력분포는 핵연료의 축 방향(세로방향)에 따라 발생되는 열이 다른 것을 의미한다. 예를들어, 핵연료의 위쪽은 열이 많이 발생하고 아래쪽은 적게 발생하여 위 아래가 불균형을 이룬 것을 말한다. 따라서 축방향의 출력분포가 다를 경우에는 일부분의 출력만 감소 시켜야 한다. 그러나 붕산은 원자로냉각재에 전체적으로 고루 분포되는 수용성 독물질 이므로 불균형을 해소하기에는 적절하지 않다.