원자력기사 시험에서 꼭 나오는 요점 요약 정리 1. CVCS

1. CVCS

 1. 개요
      1) 목적
• 발전소 출력 운전 중 RCS의 냉각재는 화학성분 및 체적의 제어가 요구된다.
-> 이를 위해서 고온, 고압의 냉각재를 상온, 상압의 냉각재로 전환해야 한다.

• CVCS는 RCS에서 냉각재를 ‘저온관’에서 유출하여 냉각재 압력을 낮추기 위해 오리피스 또는 제어밸브를 통과시키고, 냉각재 온도를 낮추기 위해 열교환기를 통과시키며, 정화하기 위해 탈염기를 거쳐 VCT(Volume Control Tank ; 체적제어탱크)로 보내진다.
-> VCT 냉각재는 충전펌프를 이용하여 다시 RCS로 주입한다.

• 발전소 부하 감소시 발전소 출력이 증가하여 터빈 부하가 증가함에 따라 RCS 냉각재가 팽창하고
-> 발전소 부하 증가시 발전소 출력과 터빈 부하의 감소로 RCS 냉각재가 수축한다.

      2) 기능
(1) RCS 냉각재 재고량 유지
• RCS 로부터의 유출유량과 그로의 충전유량을 조절하여 RCS 가압기의 수위를 제어함으로써 적절한 냉각재의 양을 유지한다.

(2) RCS 화학성분 조절 및 순도 유지
• 하이드라진() 또는 수소를 사용해 용존산소를 제거한다.(저온에서는 하이드라진을, 고온에서는 수소를 이용)
• 이온교환기, 화학첨가설비를 사용하여 pH 조절 및 리튬농도 조절
• 이온교환기로 용해성 핵종, 비용해성 핵종을 여과기로 현탁부식생성물을 제거한다.

(3) RCS 냉각재 붕산농도 제어
• RCS 냉각재의 붕산 농도는 냉각재의 온도 변화, 장기반응도인 핵연료 연소도 변화, Xe 과도현상에 따른 반응도 변화를 보상하고, 원자로 노심의 제어봉 위치를 최적화시키며, 핵연료 장전시 정지여유도를 만족시키기 위해 제어된다.

(4) RCS 가압기 압력 제어 보조기능
• RCP의 토출 측에서 일정 유량을 이용하여 가압기 상부에 분무하여 압력을 조절한다.
-> RCP 정지시 CVCS의 충전펌프의 충전유량의 일부를 가압기 보조분무관으로 보내어 가압기의 압려을 제어한다.

(5) RCP 밀봉수 공급
• 발전소 운전 중 RCP 회전축 밀봉부에 CVCS의 충전유량의 일부로 밀봉수를 공급하며 이로부터 유출되는 일부는 다시 CVCS의 VCT로 회수한다.

 

6) 원자로 핵연료 건전성 확인

• RCS로부터 CVCS로 유출되는 관에 공정방사능감시기(PRM, Process Radiation Monitor)를 설치하여 RCS 냉각재의 방사능 준위를 지속적으로 감시해 핵연료 건전성을 확인할 수 있다.

 

(7) RCS 누설 시험

(8) RCS 냉각재 보충

(9) 원자로 정지 냉각 중 냉각재 수질 정화

• 원자로 정지냉각 상태에서 원자로에서 발생되는 잔열, 붕괴열을 냉각시키기 위한 SCS(정지냉각계통, Shutdown Cooling System) 냉각재 순환유량 중 일부를 CVCS로 유출시켜 CVCS의 여과기, 이온교환기를 활용해 수질을 정화시킨다.

(10) 사용후 핵연료 저장조에 붕산수 공급

(11) RCS의 부식, 핵분열로 인한 생성물, 불활성기체 제거

(12) 가압기 수위 조절(고수위 -> RCS 유입 유량 감소)

 

      2) CVCS 주요기기
(1) 유출관 차단밸브
• RCS에서 유출된 냉각재는 재생열교환기(RHE, Regenerative Heat Exchange)로 들어가기 전 두 개의 유출관 차단밸브에 의해 차단될 수 있다.
-> A밸브는 안전주입작동신호(SIAS, Safety Injection Actuation Signal)와 RHE 후단의 고온신호에 의해 자동적으로 차단된다.
-> B밸브는 원자로건물격리신호(CIAS, Containment Isolation Actuation Signal)에 의해 자동적으로 차단된다.

(2) 재생열교환기(RHE)
• 유출수의 온도를 RCS 충전수로 전달하여 에너지 절약 효과 및 RCS 유입 노즐의 열충격을 최소화하여 RCS 냉각재 온도 감소에 따른 정반응도 상승을 방지한다.
-> RHE는 RCS 유출수의 온도를 230℃ 이하로 유지하도록 한다.

(3) 원자로 건물 차단 밸브

(4) 유출유량 격리밸브(압력강하, 32kgf/cm2까지)

(5) 유출열 교환기(LHE, Letdown Heat Exchange)
• LHE는 유출수를 정화하기 위해 이온교환수지의 운전온도인 약 49℃까지 이를 냉가시킨다.

(6) 유출관 배압 제어밸브(압력강하, 4.2kg/cm2까지)




(7) 유출수 정화 여과기(LDPF ; Let-Down Purification Filter)
• LDPF는 배압제어밸브 후단에 설치되어 입자에 대해서 98% 제거효과를 보이는 카트리지 여과기 장착되어 있다.

(8) 공정방사능감시기(PRM) 및 붕산농도측정기(Bronometer)

(9) 정화 및 탈붕산이온교환기, 전환밸브
• 정화, 탈붕산이온교환기 전단에 3유로 밸브가 설치된다.
-> 이는 공기에 의해 작동되며 스프링에 의해 복원된다.
-> 밸브의 정상위치에서는 냉각재를 정화, 이온교환기로 보내고 공기, 전원 상실시 VCT로 우회시킨다. 만약, 공기 및 전원 상실시 VCT로 우회시킨다.
-> 또한 LHE 출구에서의 냉각재 온도가 49도 이상에서는 수지손상을 방지하기 위해 냉각재를 VCT로 우회시킨다.

• 정화이온교환기는 2개로 구성되는데 하나는 냉각재로부터의 불순물, 방사성 핵종을 연속적으로 제거하고, 다른 하나는 Li 농도를 제한치 이내로 제어하기 위해 간헐적으로 이용된다.
-> 이 때 사용되는 수지는 붕산으로 포화시켜 붕산을 제거하지 않도록 한다.

• 탈붕산 이온교환기는 노심수명 말기에 붕산을 제어하기 위해 사용되며 붕산농도가 30ppm으로 도달 시 운전된다.
-> 이는 노심말기 붕산농도를 희석시키는 데 소요되는 물의 양을 줄일 수 있다.

(10) VCT(체적 제어 탱크)
• VCT는 RCS 유출수와 RCS 공급수량을 완충시키는 역할로 그 체적을 제어한다.
-> 탱크의 용량을 정상운전범위에서 유체의 보충 없이 전출력범위를 감당할 수 있어야 한다.
-> 탱크는 새 붕산농도로 혼합될 수 있는 공간을 제공하며, 충전펌프 흡입수두를 유지시키기 위한 저수조 역할을 한다.

• 탱크의 상부에는 수소를 충전하여 출력 운전 중 계통을 부식시키는 용존산소의 양을 감소시킨다.
-> 또 정지 중 공기의 유입을 방지하기 위해 질소가 주입되고, 기체방사성폐기물처리계통으로 배기관이 연결되어 수소, 질소, 헬륨 및 핵분열성 기체 등을 배기시킬 수 있다.

(11) VCT 방출밸브
• VCT 수위가 5%가 되면 경보에 따라 폐쇄되고 15% 수위에서 재개방되어 충전펌프의 흡입수두 상실을 방지한다.

(12) 충전펌프(저온관주입)
(13) 충전관격리밸브
• 충전펌프의 토출 측의 충전수 유량은 원자로에 들어가기 전 이 밸브를 통과한다.
->  RHE를 지난 충전수의 열응력을 최소화하기 위해 유입수로부터 열을 빼앗는다.
(14) CVCS 보충수 공급원
① 원자로 보충수 탱크(RMWT ; Reactor Make-up Water Tank)
• 용해되어 있는 중성자 흡수물질의 농도를 감소시키려 할 때 RMWT, RMWP로부터 순수를 공급받는다.

② 붕산수 보충 탱크(RWT ; Refueling Water Tank)
• 용해된 중성자 흡수물질의 농도를 증가시키기 위해 RWT로부터 붕산수를 공급받는다.

③ 붕산 교반 탱크(BABT ; Boric Acid Batch Tank)
• 12wt%(2,000ppm)의 붕산을 희석시켜 RWT에 필요한 붕산수를 공급한다.

④ 화학 첨가 탱크(CAT ; Chemical Addition Tank)
• RCS 냉각재의 pH 제어를 위해 LiOH를 사용한다.
• 냉각재 온도가 약 121도 이하, 감마선 비 존재시 하이드라진으로 용존산소를 제거한다.

      3) 화학제어제
(1) pH 및 산소 제어
• pH 제어를 위해 사용되는 화합물은 Li-OH으로 이 계통의 재질인 스테인리스 강에 대해 화학적으로 안정하며, 냉각재 내 붕소가 중성자를 흡수 시 Li이 생성되는 사실을 고려하면 적절한 화합물이다.
-> LiOH는 CAT를 통해 RCS로 주입되며, 농도가 특정치 이상일 경우 교환수지에 의해 제거된다.
-> Li는 낮은 중성자 흡수율을 가지며, Li은 삼중수소생성으로 인해 잘 사용하지 않는다.

• 저온 상태로부터 원자로 가동(120도 이하)시 하이드라진을 주입하여 용존산소를 제어한다.
-> 고온에서는 수소를 투입한다.
-> 과산화수소는  등의 CRUD를 산화, 용해시켜 탈염기로 제거한다.

(2) 화학제어제
• 냉각재 내에 용해되어 있는 중성자 흡수물질로서 중,장기 반응도 변화를 보상하고 농축도가 다른 연료배치와 함께 출력첨두계수를 낮추는 역할을 한다.
-> 냉각재 내 용해되어 있는 화학제어제의 농도를 변화시키는 데 상당한 시간이 걸리나 원자로 내 균일하게 분포되어 균일한 제어도 효과를 나타내기에 출력 변화 시 제어봉과 함께 반응도 제어에 이용된다.







• 붕소는 제어 독물질로서 적절하게 이용된다.
-> 급격한 반응도 변화 시 제어봉을 인출하거나 삽입하여 반응도를 조절할 수 있으나 부하의 변화율이 적을 때는 제어봉 근처에서 중성자 속이 균일하지 못하게 된다.
-> 붕소는 열중성자에 대한 흡수단면적이 높다.
-> 공명흡수영역을 갖지 않으며, 흡수단면적은 열중성자, 열외중성자 영역에서 에 비례해 감소한다.
-> 수용성 분말인 붕산()의 형태로 사용하거나 고체형태인  형태로 사용될 수 있다.
-> 열, 방사선에 대해 물리, 화학적으로 안정하다.
-> 수용성 독물질로 붕산을 사용 시 노심 전체에 균일하게 분포됨으로써 제어봉에 비해 중성자속을 균일하게 할 수 있다.
-> 장기반응도 제어 인자이며 사고 시 노심에 다량 주입이 용이하다.

• 수용성 붕소농도의 조절과 보충수 공급은 보충주 제어계통에 의해 적절히 이루어진다.
-> 초기 공급 및 보충용 붕산수는 12w%의 농도로 교반탱크에 의해 용해되어 있다.
-> 이는 이송펌프에 의해 붕산수 탱크로 보내지게 된다.

      4) CVCS 보조계통
(1) 붕산수 회수계통
• RCS의 기동정지, 붕산 희석 운전동안 RCS에 연결되어 있는 CVCS의 VCT가 수용될 수 없어 유출시키는 붕산수, 원자로 내부에 설치된 기기로부터 냉각재 누설, 밸브스템 누설, 배수, 방출밸브의 방출수 등이 모이는 원자로 배수탱크(RDT, Reactor Drain Tank), 보조건물 내부에 설치되어있는 기기배수탱크(EDT, Equipment Drain Tank)로부터 유출수를 여과, 이온교환, 기체제거, 농축처리하여 붕산을 회수하고 재사용해줄 수 있는 계통

(2) 1차 기기냉각수 계통(CCWS, Component Cooling Water System)
• 발전소 정상 운전 및 사고시 열을 제거할 필요가 있는 그리고 방사능 오염 가능성이 있는 계통으로부터 냉각할 필요가 있는 그리고 방사능 오염 가능성이 있는 계통으로부터 냉각하는 과정에서 열교환기 튜브의 누설로 인해 방사성 물질이 환경으로부터 누설될 수 있으므로 해수를 사용할 수 없다.
-> 즉, 방사성 물질로 오염가능성이 있는 계통과 기기냉각 해수계통(NSCWS, Nuclear Service Cooling Water System) 사이에서 중간 방호벽 역할을 하는 1차 기기 냉각수 계통이 요구된다.
(1차 기기냉각수 계통의 정화는 를 이용)

(3) 1차 기기냉각 해수 계통
• 기기냉각수계통으로부터 열을 받아 최종적으로 바다에 버리는 역할
-> 여름인 경우 해수의 온도가 증가해 냉각수를 냉각시키는 정도가 작아 비용이 증대되지만,
-> 겨울인 경우 해수의 온도가 감소해 냉각수를 냉각시키는 정도의 비용이 감소된다.
※ 기기냉각수 부하요인(Thermal Load)
• 원자로살수계통/정지냉각계통/비상디젤발전기/사용후연료저장조 열교환기, 응축기