기술배경
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. 핵연료 피복관 높이에 따라 다르지만, 이렇게 Boron이 피복관 표면에 침착되는 양이 증가하면, 중성자를 더 많이 흡수하게 되고 따라서 중성자 분포가 변하게 되어, 원전 운전의 안전 여유도가 감소하게 되고 출력감발을 하게 된다. 고연소도 장주기로 운전하고 있는 국내와 국외 여러 원자력발전소에서 이러한 AOA로 인한 문제가 발생하고 있으며, 출력을 증가하는 경우 AOA 문제가 더욱 심해질 수 있다. 그러나 이러한 AOA에 관한 연구는 세계적으로도 개발이 미비하고 실증시험 자료가 매우 제한적이다.
기술내용
수화학적 변수에 따라 이러한 AOA가 일어나는 현상을 이해하고 이러한 변수를 조절하여 AOA를 완화시킬 수 있는 기술을 개발하기 위하여, 원전 핵연료 피복관 표면에서 AOA를 발생시키는 조건을 실증하기 위한 시험 Loop을 KAERI에서 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 검증한다. 그림 1은 KAERI에서 설계 제작한 Test Section을 보여주는 개략도이다. 원전의 수질조건을 실증하도록 조절된 상온의 냉각수는 Preheater를 통과하면서 일정한 온도 (300°C)로 가열된다. Test Section에서 Internal Heater에 의하여 다시 가열되며, 특정한 위치에서의 핵연료 피복관재료 시편의 외부 표면 온도가, Loop System의 압력을 조절하여 결정되는 평형온도 보다 높게 되도록 가열한다. 이 때 시편 표면에서 국부적으로 측정한 온도와 평형 온도와의 차이 정도에 따라 SNB (Subcooled Nucleate Boiling)와 Bulk Boiling 조건이 이루어진다. 그리고 시험 종료 후 서서히 냉각하며 시편을 꺼내서 분석을 하는 경우, 시편 표면에 침착되었던 화합물 중 일부가 용해될 수 있으며, 이를 방지하기 위하여 Rapid Blowdown Tank를 설치하였다.
적용분야
AOA로 인하여 문제가 발생한 원자력발전소의 경우, 죄근까지의 EPRI 지침은 초기 Li은 3.5ppm으로 유지하다가 pH를 7.1으로 운전하는 것이다. 그러나 KAERI Test Loop를 이용하여 수행한 실증시험 자료 (그림 2)를 종합하면, 초기 Li 농도를 5.0ppm으로 유지하다가, pH를 7.4로 운전하는 것이 Deposit 형성을 감소시켰으며, 궁극적으로 AOA를 감소시킬 수 있을 것으로 생각한다. 미국에서 운전하고 있는 Comanche Peak Unit 2에서 1차계통 방사선을 연속적으로 측정한 자료도 같은 경향을 보여주고 있다. 또한 수행한 실증시험 자료 (그림 2)에 의하면 운전 초기 조건에서 Deposit 형성이 증가하였으며, 이는 특히 원전을 가동시 운전 초기에 더욱 주의가 필요한 것으로 생각된다. 따라서 크러드 실증 시험 및 평가 기술을 활용하여, 향후 고연소도 장주기 운전을 하는 원전에서 발생하는 AOA를 완화하고, 세계적인 추세인 원전의 출력을 증가시킬 때 예상되는 AOA 문제에 대처하기 위하여, 1차계통 수화학 지침 개선에 필요한 기술 자료를 생산하고자 한다.
그림 1. Schematic drawing of AOA test loop at KAERI
그림 2. Deposits of Ni and Fe on Zirlo cladding by ICP-AES after 14 day tests in the solution containing 2ppm Ni acetate and 2ppm Fe acetate (pH at 300°C)