원자로의 유형6 - HTGR(고온기체냉각로)

고온기체냉각로(HTGR - High Temperature Gas Cooled Reactor)

 

GCR 중 최근에 개발된 원자로 형태입니다.

흑연을 감속재로, 헬륨기체를 냉각재로 사용합니다.
냉각재는 950℃ 정도이며, 원자로의 이용률은 최대 50% 정도가 됩니다.
이 원자로는 미국에서 경수형 원자로를 개발하면서 동시에 개발해 왔으며, 90% 이상으로 농축된 핵연료를 사용합니다.

 

AGR에서와 같이 원자로의 압력용기는 콘크리트 압력용기로, 그 내부는 탄소강으로 막아 헬륨이 콘크리트 압력용기 밖으로 새어나가지 못하도록 합니다.
내부벽에는 경수가 순환되는 관이 설치되어 콘크리트 압력용기의 콘크리트와 탄소강 철판을 냉각시킵니다.

흑연의 노심에는 제어봉이 진입되는 안내관, 원자로의 노심을 지지하는 바닥 밑에는 증기발생기 모듈과 냉각 기체를 순환시키는 순환장치가 확산장치와 연결되어 있습니다.
따라서, HTGR에서는 헬륨 냉각재가 노심 상단에서 하단으로 흘러 내려오면서 노심으로부터 열을 전달받고 약 770℃의 냉각 기체는 증기발생기 모듈의 상단으로 들어옵니다.
이 증기발생기 모듈은 과열기, 재열기, 증발기로 구성되어 냉각 기체가 흘러내려오는 동안 2차계통의 경수를 증기로 만들어 터빈으로 보냅니다.

 

증기발생 장치를 통과한 냉각 기체는 순환기에 의해 노심 위로 올라가서 재순환하는데, 증기발생기 모듈이 12개, 냉각 순환기 4개가 콘크리트 압력용기 속 원자로 노심 하단에 설치되어 있습니다.

HTGR의 노심을 흑연으로 구성되어 있습니다.
이 노심에는 정육각형 모양의 핵연료 채널이 250개 있고, 각각의 채널에는 흑연 핵연료 요소 6개가 장전됩니다.
이 핵연료 요소는 흑연으로 만들어지는데, 핵연료 구슬이 들어있는 구멍과 냉각재가 흐르는 구멍이 있습니다.

핵연료 구슬은 표면을 2중으로 피막시켜 제조합니다.
즉, 93%로 농축된 우라늄과 Th-232(U238과 동일하게, 중성자를 흡수하면 분열하지 않고 핵분열 물질로 변환될 수 있는 핵종)가 UC2(이탄화 우라늄)와 ThC2(탄화토튬)로 혼합되어 만들어진 입자편을 밀도가 낮은 흑연으로 피막하여 핵분열 기체를 흡수하고 핵연료가 열에 의해 팽창되는 것을 완화시켜 외부피막을 보호하는 완충역할을 합니다.
이 표면에 다시 높은 강도를 갖도록 내부 피막위에 흑연으로 피막하고, 그 위에 탄화규소를 다시 피막한 후 마지막으로 흑연으로 최종 피막합니다.
이 때 피막은 연속적으로 해야하며, 탄화규소는 사용 후 핵연료를 재처리할 때 순수한 ThC2 구슬과 분리가 쉽게 하기 위한 것입니다.

 

이렇게 만들어진 개개의 외부피막은 다른 원자로의 핵연료 피복관과 같이 압력관 역할을 하기때문에, HTGR에는 흑연이 핵연료피복재, 감속재, 반사체와 노심구조물에 이르기까지 다양하게 쓰입니다.

U-233을 생산하기 위해 만들어지는 ThC2 구슬은 표면을 흑연으로 한번만 피막하고 구슬의 크기로 핵연료구슬에 비해 2배정도 큰 직경으로 제조됩니다.
HTGR에 사용되는 핵연료 요소를 만들기 위해 이 구슬들은 육각형의 흑연 요소에 구멍을 뚫고 넣어 고온으로 열처리하면 원자로에 장전할 수 있는 핵연료 요소가 됩니다.
제어봉은 B-10이 70% 농축된 B4C를 역시 흑연으로 피막하여 만들고 콘크리트 압력용기 상단에서 안내관들을 통하여 노심으로 삽입됩니다.