경수로 2차 냉각계통 수화학 관리방법 및 기준

PWR 2차계통은 여러 종류의 금속재료로 구성되어 있는 데 수화학 관리목적은 증기발생기를 우선으로 하여 2차계통 기기의 부식을 저감하고 원자력발전소의 건전성을 유지시켜 고장없는 운전을 계속 유지하는 것이다. 이를 위해 원자력발전소 운전모드에 따른 감시항목을 설정하고 다양한 재료의 건전성 확보관점에서 수질관리치를 설정하고 이에 근거하여 관리를 한다. 원자력발전소 출력운전 시 각 관리항목의 관리목적과 이에 따른 관리치의 설정근거를 아래에 기술하였다.

몰비관리

증기발생기에서 부식에 의한 전열관 손상은 전열관과 관판사이의 틈새에서 대부분 발생되고 이 틈새에서의 수질환경에 좌우된다.  틈새에서는 과열도가 높아 미량의 불순물이 농축되면서 틈새 수화학 (crevice chemistry)은 증기발생기 내부수 수화학과는 달라진다.  전열관 손상을 억제하기 위해서는 틈새수질을 적절히 제어하여야 하는 데 이는 틈새 수화학을 정확히 분석평가할 수 있는 기술을 기반으로 하여야 한다.

원전 증기발생기의 잠복불순물 방출시험 자료로부터 틈새수질을 보다 정확히 평가할 수 있는 새로운 개념의 몰비지수(Molar Ratio Index, MRI) 방법이 최근 EPRI(Electric Power Research Institute)에서 제시되었고 EPRI 산하의 많은 발전소에서 적용중이며 국내원전에서도 몰비지수에 위한 몰비조절(Molar Ratio Control, MRC) 운전을 하고 있다.

몰비조절 방법을 적용할 경우, 발전소 운전 시에 2차측 냉각수의 Na와 Cl의 몰비를 일정한 값으로 유지한다. 그리고 틈새 화학환경을 평가한 후에 그 다음 주기 운전에서는 몰비를 새롭게 조절하여 다시 운전하게 된다. 틈새 환경 평가에 HOR 방법이 사용되는데, 원전 정지운전시 취출수(blow-down)의 불순물 농도를 분석하여 틈새 pH를 예측하는 것이다.

몰비지수 (MRI, Molar Ratio Index)로 pH를 평가하는 방법은 용해도가 큰 양이온과 음이온의 비가 1에 가까울 때 pH가 중성에 가깝게 된다는 이론에 근거한다.  몰비지수는 다음 식과 같이 정의된다.

위 몰비지수 계산식에 입력되는 값들은 잠복불순물 방출시험결과로부터 각 화학종의 틈새재고량을 계산해 얻어진다.

몰비지수 계산은 rate constant 법과 semi-constant 법이 있는 데 rate constant 법에 의한 계산 순서는 다음과 같다.

• 분석주기별 시료를 채취하고 농도를 측정한다.
• 각 화학종에 대한 누적 잠복불순물 방출량(HOR)을 계산한다.
• 누적 HOR 량을 plot한다.
• Hot zero power 기간동안 각 화학종의 plot를 평가한다.
• 속도상수를 결정한다.
• 각 화학종의 inventory를 계산한다.
• 몰비지수를 계산한다.

Na 및 염소이온 관리

증기발생기 전열관의 부식에 미치는 염소이온의 영향에서, 염소이온 농도가 0.1 ppm 이하인 경우는 전열관 부식이 확인되지 않지만 2 ppm을 초과하면 부식이 증가하기 때문에 염소이온 농도를 0.1 ppm 이하로 억제할 필요가 있다.

한편 sodium 농도는 6.3.1항에 기술한 Na/Cl 몰비관리와 연관지어 판단하면 염소이온 0.1 ppm 일 때의 Na/Cl 몰비로부터 자동적으로 설정된다. 그러나 sodium 은 전열관의 IGA를 일으키는 주요 인자일 가능성이 있으므로 sodium 단독으로 관리하는 경우도 있다.

pH 조절

계통 구조재의 부식에 영향을 미치는 주요인자의 하나로 복수/급수 계통의 pH (수소이온 농도)를 들 수 있다. 계통 pH 변동에 따른 계통의 철, 구리 및 니켈 농도를 측정한 결과, 급수의 철 및 니켈 농도는 급수 pH가 증가에 반해 감소하는 경향을 나타낸다. 그러나 복수기 전열관 재료로 알루미늄플러스를 사용하는 발전소에서는 복수의 구리농도는 급수 pH 가 9.2 - 9.3 이상으로 되면 증가하는 경향을 보인다. 이 때문에 종래부터 급수 pH 9.3을 상한치로 설정하여 관리한다.

그러나 구리의 용출에 대해서는 산소의 공존이 반응속도 (산소의 공존에 의한 산화동의 생성)를 지배한다. 최근의 발전소에서는 진공영역으로 공기의 누설유입을 충분히 낮출 수 있기 때문에 복수기 혹은 운전 중 진공영역이 되는 저압급수가열기 train (LP train)계통에 구리 재료를 사용하는 발전소에서도 급수 pH를 9.2 - 9.3 이상으로 약간 증가 시켜도 복수 혹은 LP train 의 구리농도 현저히 증가하지 않는다.

한편 최근의 발전소에서는 복수기의 신뢰성 향상 관점에서 복수기 세관재료로서 티타늄을 사용하고 있고 또, 진공영역의 저압급수가열전열관 재료로서 stainless 강 (SUS 304)를 사용하는 발전소, 혹은 암모니아 탱크의 대상부위인 중앙부를 부분 stainles화 혹은 부분 cupronickel화 하고 있는 발전소도 많다. 구리재료의 용출에 관해서는 내구성이 높아져 있다. 이 때문에 발전소에서는 증기발생기로의 철유입량 저감의 관점에서 2차계통 구성재질에 맞게 급수 pH 상한을 상승시켜 운용하고 있다. 또 AVT 조건하에서는 계통수 pH와 전도도는 1 : 1 의 상관관계가 있고 전도도가 다소 측정 정확도가 좋기 때문에 계통에 약액주입 시 관리변수로 사용한다.

전도도

일반적으로 물의 순도(용해 고형분의 존재정도)를 간단히 평가하는 지표로 전도도를 사용한다. 그러나 PWR 2차계통에서는 pH 조절제로 암모니아나 ETA를, 탈산소제로 하이드라진을 계통수에 주입하기 때문에 전전도도(total conductivity) 는 이들 약품에 의해 결정되므로 계통수의 순도를 판단할 수 없게 된다. 이 때문에 계통수를 강산성 양이온수지에 통과시켜 수처리 약품을 제거한 후의 전도도 수치를 측정하여 계통수의 순도를 판단하기 위한 지표로 사용한다.

PWR 2차계통에서는 계통에 들어오는 불순물이 증기발생기로 유입되어 농축될 수 있으므로 증기발생기 2차측 환경이 계통 내에서 가장 엄격한 환경이 되도록 증기발생기 내부수를 관리한다. 계통 내 용해 고형분의 음이온으로 염소이온을 주성분으로 생각해 염소이온의 관리치 0.1 ppm 에 대응하는 양이온 전도도 1.2 uS/cm 와 그 외 기타 불순물을 고려해 2 uS/cm를 관리목표로 한다.

용존산소

산소는 불순물과 공존하여 계통 구조재의 부식을 증가시키는 주요한 인자이다. 이점에서 화력발전소 보일러에서도 AVT 처리조건에서는 급수 중 용존산소를 엄격히 관리하여 검출되지 (5 ppb 이하) 않도록 하고 있다. PWR 2차계통에서도 계통압력자체는 저압 보일러와 같지만 구조상 계통수중 불순물이 농축되는 부위가 존재할 것을 고려하여 화력발전소 고압 보일러와 같은 설정을 한다. 복수 및 급수 중의 용존산소량은 복수기 및 탈기기의 성능에 의해 정해지기 때문에 운전 실적치는 복수 약 10 ppb 이하, 급수에서는 약 2 ppb 이므로 복수 15 ppb 이하, 급수 5 ppb 이하를 관리의 목표치로 한다.

하이드라진

하이드라진은 계통내의 용존산소를 제거하기 위해 주입하고 산소와 반응은 화학양론반응이므로 용존산소 관리치와 동일한 농도인 5 ppb 이상으로 한다.

O₂ + N₂H₄ → 2H₂O + N₂

또 실제 주입시에는 반응효율 등도 고려해 2 ~ 5 배 화학등량 이상으로 하는 것이 바람직하고 PWR 2차계통에서는 환원성 분위기 강화의 관점에서 100 ~ 600 ppb 의 범위에서 관리한다.

철

2차계통에서의 철계 재료의 부식을 감시할 목적으로 관리되어 왔는 데 급수 중의 철농도 관리치로는 경험적으로 20 ppb로 하여 왔다. 그러나 증기발생기 2차측으로의 철산화물의 부착과 침적을 억제하기위해 고 pH 처리 혹은 ETA 처리로 불리우는 수질개선에 의해 현재 달성 가능한 값으로 급수 중 철농도 5 ppb 이하를 목표로 관리한다.

구리와 니켈

구리와 니켈은 철과 똑같이 계통재질의 부식을 감시할 목적으로 관리되어 왔고 검출되지 않는 것을 기준으로 하여 계통수 분석법의 검출한계인 5 ppb 이하로 관리하고 있다. 그러나 최근에는 필터에 의한 농축 분석법의 확립, 혹은 고감도 분석기기의 적용 등이 발전되어 왔고 증기발생기 구성재질에 미치는 영향정도를 고려해 저농도 관리의 필요성이 대두되고 있다. 현재 구리 및 니켈이 증기발생기 구성재질에 미치는 영향은 아래와 같다.

구리는 산화동으로 전열관 표면에 존재할 경우 해당환경의 전위를 상승시켜 증기발생기 전열관 부식이 발생될 가능성이 있다. 그러나, 니켈은 증기발생기 전열관에 미치는 영향은 전혀 없는 것으로 생각된다.

실리카

화력발전소 고압 보일러에서는 보일러 수중의 실리카가 증기중에 carry over (기수공발)하여 터빈에 들어가 부착되는 경우를 경험하였기 때문에 증기 중에의 실리카의 기수공발을 고려해 관수중의 실리카 농도를 관리하여 왔다. 이 때문에 PWR 2차계에서도 터빈에 실리카의 침적방지 측면에서 화력발전소와 같이 증기발생기 내부수의 실리카 농도를 관리하여 왔다. PWR 증기조건은 화력발전소 저압보일러와 같이 그림 6.5에 나타낸 바와 같이 55 ~ 60 kgf/cm2 정도의 압력조건에서는 증기와 내부수 중의 농도비는 10-2에서 10-3 정도 (증기 중 농도/내부수 중 농도) 로 대단히 작고 실제 증기발생기 내부수 농도를 고려하면 해당조건에서 증기 측으로의 실리카의 기수공발은 없다고 판단된다.

황산

최근의 틈새환경 검토결과로부터 황산이온이 프리로 존재하면 황산으로 작용하여 틈새의 pH를 저하시키는 요인으로 알려져 있다. 새로운 몰비관리지표에 의해 틈새환경평가를 하여 황산에 의한 영향을 평가하고 있다.

해외 2차계통 수화학 관리 현황

해외에서의 PWR 원전 2차계통에서의 수화학관리치의 예를 표 1에 나타내었다. 국내 PWR 2차계통에서는 전술한 바와 같이 암모니아, ETA 및 하이드라진에 의한 AVT 처리를 하고 있지만 pH 조절제로서는 암모니아를 써서 급수 pH를 9.2 전후로 유지하는 통상의 관리 외에 암모니아 이외의 ETA 약품을 사용한다. 급수 pH는 급수처리조건에 맞는 기준을 적용하고 있다.

한편 불순물 관리항목은 국내 발전소와 같이 주 관리목표는  sodium 에 두어져 있고 또 전반적인 오염의 지표로서 양이온 전도도가 설정되어 있다.

표 1. 해외에서의 수화학 관리 예

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