AOA 부식생성물 부착 개념
AOA (Axial Offset Anomaly)는 핵연료 피복관에 CRUD가 침착되어 발생한다. 핵연료 피복관 표면에 CRUD가 침착되고, 이러한 침착이 증가하는 경우 Boron이 CRUD의 빈 공간 (Pore)에 농축된 형태의 용액이나 고체 형태의 화합물로 쌓이게 된다[1]. 이렇게 Boron이 핵연료 피복관 높이에 따라 다르지만 피복관 표면에 침착되는 양이 증가하면, 중성자를 더 많이 흡수하게 되어 따라서 중성자 분포가 변하게 되어, 원전 운전의 안전 여유도가 감소하게 되고 출력감발을 하게 된다. 이러한 AOA 문제는 특히 고연소도 장주기로 운전하거나 또는 출력을 증강하여 운전하는 경우 발생하고 있으며, 한국을 포함한 외국의 여러 원전[2]에서 보고되고 있다.
국내 가동하고 있는 여러 원자력발전소에서 이러한 AOA로 인한 문제가 발생하고 있으며, 세계적인 추세인 출력을 증가시키는 경우 사전에 해결하여야 되는 중요한 문제이다. 그러나 이러한 AOA에 관한 연구는 외국에서도 개발이 미비하고 실증시험 자료가 매우 제한적이다. 따라서 수화학적 변수에 따라 이러한 AOA가 일어나는 현상을 이해하고 이러한 변수를 조절하여 AOA를 완화시킬 수 있는 기술을 개발하여야 한다.
AOA 평가 실증시험
원전 핵연료 피복관 표면에서 AOA를 발생시키는 조건을 실증하기 위한 시험 Loop을 KAERI가 설계하고 제작하였다. 이러한 AOA 실증 시험장치를 활용하여, 1차계통 수화학 조건을 변수로 하여 핵연료 피복관 표면에 형성되는 Deposit 량을 최소화하여 AOA를 완화하고, AOA 관점에서 해로운 것으로 보고되고 있는 침상의 Deposit이 형성되는 것을 억제하는 조건을 확인하고 검증하고자 한다.
그림 1은 KAERI에서 설계 제작한 Test Loop을 보여주는 개략도이다. Test Section 부분을 설계하기 위하여, 외국 연구기관의 자료 (CRIEPI, Studsvik, GE, Georgia Tech. 등)를 분석하였다. 원전의 수질조건을 실증하도록 조절된 상온의 냉각수는 Preheater를 통과하면서 일정 온도로 가열되고, Test Section의 경우 Internal Heater에 의하여 다시 가열되며, 핵연료 피복관재료 시편을 통과하는 용액 온도가 Loop System의 압력을 조절하여 설정 온도가 되도록 한다. 이 때 시편 표면의 측정온도와 설정 용액온도와의 차이 정도에 따라 SNB (Subcooled Nucleated Boiling) 조건을 이루도록 운전한다. 시편 표면의 측정 온도가 압력에 따라 결정되는 용액 온도보다 높으면, Bulk Boiling 또는 SNB 조건을 이루게 된다.
그림 1. Schematic drawing of AOA test loop at KAERI
향후 연구계획
이러한 AOA 실증 시험장치를 활용하여, 1차계통 수화학 조건을 변수로 하여 핵연료 피복관 표면에 형성되는 Deposit 량을 최소화하여 AOA를 완화하고, AOA 관점에서 해로운 것으로 보고되고 있는 침상의 Deposit이 형성되는 것을 억제하는 조건을 평가하고, AOA를 일으키는 부식생성물 부착을 억제할 수 있도록 수화학 운전조건을 평가하고 개선하며 이에 대하여 검증하고자 한다.
참고문헌
- J. Henshaw, J. McGuire, H. Sims, A. Tuson, S. Dickinson, “The chemistry of fuel deposits and its effect on AOA in PWR plants”, Proc. int. conf. on water chemistry of nuclear reactor systems, Jeju, Korea (2006).
- W. Byers, J. Deshon, “Structure and chemistry of PWR crud”, Proc. int. conf. on water chemistry of nuclear reactor systems, San Fransisco, U.S.A., (2004).