iSMR 노심분야 질의 (for 주영)

상용 원전의 노심과 iSMR 노심의 차이점은 무엇인가?

노심설계 관점에서 가장 큰 차이점은 냉각수에 포함된 붕산의 유무이다. 노심의 반응도를 제어하는 수단은 크게 3가지로 구분할 수 있다. 운전 중에 제어하는 양이 조절 가능한 수단은 첫 번째가 제어봉의 삽입, 인출이고 두 번째가 붕산수의 붕산 농도이고, 세 번째는 설계 단계에서 그 양을 미리 고려해야 하는 수단인 가연성흡수체의 양이다. 그중에서 붕산수는 노심의 출력변화나 연료 연소에 따른 반응도 변화를 제어하기 위한 목적으로 사용되는 가장 중요한 반응도 제어수단이다.

한편, 현재 개발 중인 iSMR은 냉각재에 붕산이 포함되지 않은 무붕산 노심을 설계 요건으로 채택하였다. 노심을 붕산 없이 설계한다는 것은 상용 원전의 냉각재에 붕산을 용해시키지 않고 순수한 물(H2O)을 사용한다는 것이다. 무붕산 노심 설계는 붕산수와 관련된 여러 계통을 없애서 계통의 부피를 줄이고 설계를 단순화하고 붕산수 농도를 수시로 변화시킬 때 발생하는 방사성 폐기물을 줄이는 데에 그 목적이 있다. 그러나 원전에서 붕산수가 제거된다는 것은 노심의 반응도 제어 수단 중 가장 효과가 뛰어난 수단 하나가 사라진다는 것을 의미한다. 이에 따라 남아 있는 반응도 제어 수단인 제어봉과 가연성흡수체의 역할이 가중되었다. 그 예로 제어봉의 물질은 더 큰 제어능을 갖는 물질로 변경되고 핀 수은 늘어났다. 가연성흡수체 역시, 물질과 함량이 증가될 수밖에 없다. 

장전모형 축방향 구성을 살펴보면, 노심 상부 일부의 구성이 아래쪽과 다르게 보인다. 이러한 구성을 선택한 이유는 무엇인가?

이는 축방향 일부분에서 가연성흡수물질을 포함시키지 않고 우라늄만 삽입하여 구성한 것으로, "Cutback"이라고 합니다. Cutback은 축방향 출력분포의 치우침을 줄이기 위한 목적으로 사용된다. 중성자흡수물질이 빠진 부분은 흡수물질이 포함된 부분과 비교하여 출력이 높게 나타난다. 상용노심에서는 상하부 모두에 Cutback을 적용하는데, 이는 상하부의 출력을 높여서 노심 중앙에 몰려있는 출력을 분산시키는 효과를 주기 위함이다. 다시 말해, 노심 위아래 출력을 높여서 다른 부분에 출력이 집중되는 것을 방지할 수 있다. 반면 무붕산노심인 iSMR은 상부에만 Cutback을 적용했는데, 이는 노심의 출력이 하부로 치우쳐 있는 현상을 완화하기 위한 목적이다.

그렇다면 왜 iSMR 노심의 출력이 하부로 치우쳐 있는 것일까?

이는 iSMR의 냉각재로 붕산이 포함되지 않은 물(경수)을 사용하기 때문이다. 붕산이 포함된 물을 사용하는 노심은 붕산이 포함되지 않은 물을 사용하는 노심에 비해 MTC가 Positive 한 경향을 보인다. 즉, 냉각수에 붕산이 포함되지 않은 무붕산 노심은 MTC가 Negative 하다. MTC는 단위 온도 변화량에 따른 반응도 변화량을 나타내는 변수로, 만약 MTC가 Negative 하다면 온도가 높은 노심 상부의 반응도는 상대적으로 크게 감소한다. 이에 따라 출력이 하부로 치우쳐 있는 것이다.

노심 출력이 하부로 치우쳐있으면 안되나?

기본적으로 노심의 출력이 한쪽으로 치우쳐 있는 있는 것은 연료의 안전성에 부정적인 영향을 줄 수 있다. '국부출력첨두' 또는 '국부출력밀도'라는 용어를 사용하는데, 국부적으로 출력이 높은 노심의 경우, 평균출력이 증가하는 사건이 발생했을 때 DNB나 연료의 용융 등의 현상이 발생 수 있다. 예를 들어, 물이 흐르는 갑천에 연결된 100개의 실개천 중에서 한 개의 천에만 평소에 많은 양의 물이 흐른다고 가정해 보자. 여름에 홍수가 발생하여 갑천에 유입되는 물의 양이 폭증했고 100개의 실개천에 동일한 비율로 물이 증가했다. 어느 실개천의 가장 먼저 파괴되겠는가? 단, 모든 실개천은 동일한 기준으로 설계되었으므로 파괴되는 기준은 모두 동일하다는 가정이다. 노심에 있는 수십만 개의 연료봉 중에서 출력이 일부분에 집중되어 있거나,  수백만 개의 펠렛 중에 출력이 일부분에 몰려 있다면 노심의 안전성은 낮을 수 있다. 따라서 출력이 증가하는 사건이 발생해도 그 영향이 적을 수 있도록 장전모형 선정 단계에서 출력을 평탄화시키는 것이 중요하다. 

왜 2-배치 노심을 적용하였나?

1배치 노심은 모든 연료가 한 번에 장전되어 연소된 후 다 같이 인출되는 장전전략이다. 이와 달리 2배치 노심은 한 주기 운전이 종료되었을 때 집합체의 절반 정도가 인출되고 나머지 절반은 다음 주기에 재사용된다. 인출된 연료의 개수 만큼 신연료가 장전된다. 1배치와 2배치의 차이점은 절반의 연료를 재사용함으로써 연료의 경제성을 높일 수 있다는 점이다. 그러나나 2배치로 변경될 경우, 주기 길이는 1배치에 비해 짧다는 단점이 있다. 설계 과정에서 원하는 주기길이를 확보할 수 있는 선에서 경제성을 최대로 높이는 설계 최적화가 필요하다. 국내에서 운영중인 대형노심은 3배치 설계를 적용하는데 주기길이와 경제성, 안전성이 적절하게 배분되어 수렴한 설계 결과라고 할 수 있다. 반면에 iSMR은 대형노심과 달리 2배치 설계를 적용하였는데 그 이유는 3배치 노심으로는 원하는 주기길이를 확보할 수 없기 때문이다. 참고로 iSMR은 노심의 크기가 작아 중성자의 누설률이 높고 이는 노심의 반응도를 낮추는 효과를 준다. 반응도가 낮은 노심은 미임계에 도달하는 속도가 빠르기 때문에 신연료를 보충하여 반응도를 높여주어야 하는 것이다.