안녕하세요!!
오늘은 저번 시간의 증기발생기에 이어 가압기를 설명해보고자 합니다.
증기발생기는 원자력발전소에서 냉각재가 흐르는 순환계통을 따로 격리시키기 위해 만든 장치라고 설명했었습니다.
그리고 순환은 원자로-가압기-증기발생기-펌프 순이라고 언급했었습니다.
이러한 과정 중에 바로 가압기가 존재합니다. 그럼 가압기의 역할은 무엇일까요?
가압기
아마도 압력을 가하는 장치라는 느낌을 이름 그대로에서 받으실 겁니다. 하지만 조금 더 정확한 표현은 압력을 가변하는 장치라는 표현이 맞습니다.
즉, 이 장치는 압력을 변화시켜주는 장치입니다.
압력을 변화시키는 이유는 원자로의 안전을 위해서입니다.
설계기준의 압력을 원자로와 냉각재가 흐르는 RCS 배관 및 증기발생기의 U-튜브 등이 압력경계를 형성해 내부에는 높은 압력을 가지고 있습니다.
우선, 한가지 설명하고 넘어가겠습니다. 왜 압력이 높을까요?
제가 전에도 랭킨사이클이라는 열기관 구조를 통해 간략하게 설명했었지만 압력이 높을수록 끓는 온도가 높아집니다.
하나의 예로 고산지대에서는 압력이 낮아 물이 빨리 끓어 밥이 설익지만 위에 돌멩이를 놓고 익히면 압력이 높아져 밥이 익게 됩니다.
이처럼 압력이 높은 상태로 물이 끓도록 만들면 최대한 많은 열을 함유시키도록 할 수 있고 수증기는 더 높은 에너지를 가지고 터빈으로 들어가게 됩니다. 그런데 저번 시간에도 언급했지만 PWR은 증기발생기를 통해 간접적으로 전달해 이 효과가 많이 줄어들게 됩니다.
어쨌든, 원자로는 약 대기압의 150배인 150기압 정도의 압력으로 가압된 상태로 운전을 하게 됩니다. 매우 높은 압력이죠.
이 압력을 유지해야 하는 이유는 중요합니다.
원자로의 출력 증가로 열 발생량이 늘어서 증기가 발생하면 급격한 부피증가가 일어납니다. 보통 대략 1600배? 정도 팽창한다고 하죠. 이런 부피 증가는 압력증가를 불러오고 설계기준을 넘어버린다면 압력경계는 무너져 폭발해버릴지도 모릅니다.
그럼 압력이 감소하는 경우는 어떨까요?
냉각재상실사고라고 하는 LOCA가 발생하면 압력이 감소합니다. 아까 뭐라고 했었죠?
압력이 낮으면 끓는점이 낮다고 했었죠?
네, 압력이 낮아지면서 뜨겁지만 물 상태였던 냉각재들이 다 기화 됩니다. 원자로는 식힐 수 없게 되어 녹아버리게 될 겁니다.
이런 일을 막는 장치들이 여러 개가 있습니다.
사고시에 냉각재를 추가적으로 공급해주는 장치들도 있고 압력을 조절해주는 장치도 있습니다.
여기서 압력을 조절해주는 장치가 가압기입니다.
우선, 기본적으로 1차측은 일정한 압력을 유지하기 위해 증기를 발생시키지 않습니다.
즉, 증기발생기를 지나는 유체는 뜨거운 물로 들어가 덜 뜨거운 물로 나올뿐 입니다. 그래서 일정한 압력을 유지하게 됩니다.
사실, 덜 뜨거운 물도 아주 뜨겁습니다.^^
가압기도 이 1차측에 존재하는 만큼 냉각재가 채워져 있습니다.
절반 정도만 말이죠.
절반 정도는 증기(포화증기)로 가득 차 있고 절반 정도는 물(포화수)이 채워져 있습니다.
포화증기 포화수는 조금만 가해주어도 증기에서 물로 물에서 증기로 가는 각각의 상태를 가진 증기와 물을 말합니다.
이 가압기의 증기량을 조절해 압력을 조절합니다.
압력이 높아지면 증기량을 줄여 부피를 늘려주고 압력이 낮아지면 증기량을 늘려 가압을 해줍니다.
이 방법은 두가지 방법에 대해서 나누어 설명하겠습니다.
압력이 감소하는 상황
압력이 감소하면 가압기에 있는 포화수에 열을 가해 증기로 만들어 주어야 합니다.
이를 위해 가압기전열기를 사용합니다.
여기에는 OPR-1000의 경우는 36개의 전열기가 존재합니다.
압력 증가하는 상황
압력이 증가해 설계기준 위험하다는 판단이 발생하면 자동으로 가압기의 가압기분무밸브를 작동시킵니다.
이 밸브는 원자로-증기발생기-펌프를 지나 원자로를 들어가기 직전의 비교적 차가운 물을 조금 빼와서 가압기 상부에서 살수합니다.
정상운전시에는 분무 노즐이 과도한 열에 의해 파손됨을 방지하기 위해 분당 1.5g 정도의 소량의 냉각수를 살수합니다.
하지만, 압력이 증가하면 비례하여 분무량이 증가합니다.
이 밸브는 2개가 직렬이 아닌 병렬로 독립적으로 설치되고 총 분무량은 분당 375g 정도를 분사해냅니다. 그리고 작동전원은 공기 구동 방식을 사용합니다.
만약, 급한 상황에 이 밸브들이 제대로 작동하지 않는다면?
이에 대한 걱정으로 대비용 밸브를 2개더 만들어 놓았습니다. 이를 보조분무밸브라고 합니다.
보조분무밸브는 위 밸브들과 다르게 전원을 공급받는 방식을 전기적 구동방식을 채택했습니다.
안전감압장치
가압기에는 압력을 낮춰주는 분무관과 압력을 높여주는 전열기가 존재합니다.
그런데 여기서 끝이 아닙니다. 가압기의 상단에는 3개의 안전감압밸브가 존재합니다.
이 밸브들은 TMI사고의 범인들입니다.
스리마일 섬 원자력 발전소 사고
이 밸브들이 이때 사고에서 제대로 닫히지 않아서 냉각재가 새는 LOCA가 발생했지만 운전원들은 처음에 이곳에서 발생했다고 생각하지 못하여 원인을 찾는데 시간이 오래 걸려 사고 규모를 키웠던 사고입니다. 유일한 PWR의 대형사고 이자 최초의 원자력 발전소 사고입니다. 뭐.. 많은 타이틀을 가졌죠.
그런데 이 사고의 원인은 이 가압기 상단에 설치되어 있는 밸브였습니다.
압력이 올라서 작동했지만, 압력이 감소하고 다시 닫혔을 때 제대로 안 닫힌겁니다.
제가 이 포스팅에서도 언급했지만, 이 사고 발생후에 우리나라의 모든 발전기에는 이 사고의 후속조치를 적용한 설계를 합니다.
TMI사고에서는 고장이 났지만, 닫혀있는 것으로 나왔던 현상이 있었으므로 이를 해결하기 위해
밸브가 고장이 나면 고장난 상태를 그대로 유지하도록 만들어졌고(Fail As-Is) 위치지시계를 추가로 설치하여 안전성을 높였습니다.
사실, 이것은 밸브에만 한정한 내용이고 이 부분 말고도 많은 부분에서 개선을 진행했고 기존의 설비들도 적합성을 점검했다고 합니다.
오늘 한 내용을 정리하자면 원자로의 안전을 보장하는 설계기준압력을 유지하기 위해 압력을 조절하는 장치인 가압기가 설치가 된다!
책을 원자력책만 챙겨와서 원자력만 쓰고 있네요…ㅎ
여러분 지겨우시지는 않으시죠…?ㅎ
내일은 인터넷에 검색을 좀 많이 해서라도 MRI하던 내용을 이어서 쓸까 생각 중입니다.^^
오늘은 여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!