원자로 증기발생기 재료 및 구조

증기발생기 개요

증기발생기는 1차 계통수의 열을 이용하여 2차 계통 냉각수를 증기로 만드는 대형열교환기이다. 여기서 만들어진 증기가 터빈을 돌려 발전을 하는 것이다. 가압경수형 원자력 발전소의 개략도를 그림 1에 나타냈다. 압력용기내의 노심에서 핵분열로 열이 발생하고 이 열은 1차 냉각수로 냉각되어 증기발생기로 전달된다.

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그림 1. 가압경수형 원자력발전소의 냉각수 흐름도

일반적으로 한 발전소에 2개 ~ 4개의 증기발생기가 있으며 한 증기발생기에는 수 천개의 열교환관 (전열관)이 설치되어 있다.  1차 냉각수가 전열관 내부를 통과하고 그 과정에서 전달되는 열로 2차 냉각수가 증기로 바뀌는 것이다. 전열관에 누설이 발생하거나 관 파단사고가 있을 경우 1차 냉각수 속의 방사능 물질이 원자로 격납용기(containment vessel)안이나 증기발생기 2차측 또는 터빈 속에 채워질 수 있기 때문에 전열관의 건전성이 유지되어야 한다.

증기발생기의 형태는 재순환형 (recirculating type)과 직류형 (once through type)등이 있으며 재순환형인 경우 급수관으로 공급된 물이 down comer 통로를 타고 아래로 내려가 관판 (Tube sheet)을 가로질러 흘러 상부로 올라가며 열을 흡수한다. 이 과정에서 관 내부로 1차 냉각수가 흐르는데 이 1차 냉각수 입구 (hot leg, 고온관측) 온도는  315oC~ 327oC 부근이며 열을 2차 측에 전달하고 난 뒤의 저온관 (cold leg) 온도는 288oC 부근이다.

증기발생기의 재료 및 구조

초기 발전소의 경우 mill annealing (MA)한 Alloy 600인 경우가 대부분이었으나 그 후 Alloy 600 HTMA 또는 TT 재료를 사용하였고 교체증기발생기나 최근의 증기발생기에는 Alloy 690 TT 전열관을 사용하고 있으며 회사별로 다른 열처리 공정을 적용하고 있다. 재료의 부식특성에 가장 큰 영향을 미치는 인자가 열처리 공정인데 705oC 에서 15시간 열처리하여 가공 중 형성된 변형의 효과나 잔류응력을 제거하고 입계에 입계 Cr 고갈을 최소화하면서 입계 탄화물을 생성시켜 입계응력부식균열 (Intergranular Stress Corrosion Cracking, IGSCC) 저항성을 높인다. 이 열처리 후에 관을 곧게 펴기 위한 공정을 적용하는데 이 과정에서 관에 다소의 잔류응력이 남게 된다. 그 후 표면연마를 통해 표면의 불순물을 제거한다. 이 과정에 표면에 약간의 압축에서 인장응력 범위의 가공 잔류응력이 남게 된다.  최종적으로 육안검사, 초음파검사 및 와전류 검사와 세척을 하고 경우에 따라서는 세라믹 입자를 이용한 관 내면 청소도 하게 된다. 증기발생기에 관이 장착되기 전 반경이 작은 U-자 형태로 구부리게 되는데 705oC 에서 15시간 열처리를 하지 않은 관인 경우, 705oC 에서 최소한 5분 이상의 열처리를 하여 곡관(Bending)과정에서 생긴 응력을 제거한다. 최근에는 Cr 함량을 두 배 (30% Cr)로 늘여 일차 냉각수 응력부식균열(PWSCC)저항성과 관외면 응력부식균열 (Outside Diameter Stress Corrosion Cracking, ODSCC) 저항성을 높인 Alloy 690 TT재료를 사용하고 있다.

Westinghouse사와 Combustion engineering사는 재 순환형 증기발생기 (Recirculating Steam Generator, RSGs)를 채택하고 있으며 Bobcock and Wilcox (B&W)의 경우에는 일관 유로형 (Once-through Steam Generator, OTSGs)을 사용한다. RSGs에서는 2차 냉각수가 1회 회전할 때마다 약 25%의 2차 계통수가 증기로 바뀌며 나머지는 물로 재순환된다.  U자 형 전열관 양쪽은 SG의 하부에 있는 관판(tubesheet)에 고정되어 있으며 상부는 ∩자 형태로 굽어져 있다. 더운 1차 계통수의 열은 관 내벽에 흐르면서 관 외부의 2차 계통 급수 (Feed water)를 데우는데 사용된다. OTSG의 경우에는 2차 계통수의 대부분이 증기로 바뀐다. 열전달관은 SG상, 하부의 관판에 고정된 직관 (straight tube)을 사용한다.  그림 2는 일관형 증기발생기와 재순환형 증기 발생기의 개략도이다.

Combustion Engineering(CE)사와 B&W사의 경우 발전소당 2개의 증기발생기가 있으며, Westinghouse의 경우 전력생산 용량에 따라 발전소당 2개~4개의 증기발생기로 구성되어 있다.  CE사와 B&W사의 증기발생기가 Westinghouse사에 비해 더 많은 전열관으로 구성되어 있다. Westinghouse사는 사각형 관 배열인데 비해 CE사와 B&W사는 삼각형 배열인 점도 다르다.

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그림 2. PWR 증기발생기의 개략도 – Once through Steam generator and Rieculating steam generator

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