[원자력이야기] 원자로 : 제어봉집합체

안녕하세요!!
@chosungyun입니다.

어제 간단하게 중성자를 왜 굳이 사용해야 하나를 소개해드렸습니다.
중성자가 핵분열을 잘 유도해내기 때문에 사용하는 것이지요.

그럼 핵분열을 잘 일으키는 중성자가 너무 많아지면 핵분열은 많이 일어날 것이고 그럼 더 많은 에너지가 발생하기 때문에 더 많은 열이 발생합니다. 이때 설계기준 한계치 이상의 온도가 발생하면 원자로가 녹아버릴 수도 있습니다. 이러한 사고는 심각한 사고로 연결이 되죠.

그래서 원자로 안에는 이 중성자의 수를 적절하게 제어하기 위한 수단들이 존재합니다.

그런데 우리는 여기서 한가지 생각해보아야만 하는 것이 있습니다.
중성자를 우리가 잡을 수도 볼 수도 없는 데다가 1개 2개 있는 것도 아닙니다.
만약 1몰의 개수만 모여 있어도 6.02ⅹ10²³개의 중성자가 있는 겁니다.

이처럼 일일이 하나씩 제어가 힘든 중성자들을 가장 효과적으로 제어하는 방법은 핵분열에 사용되기를 막아버리는 방법입니다.
즉, 중성자가 우라늄과 반응 하는 정도인 흡수단면적보다 더 큰 단면적을 중성자에 대해 가지는 물질을 적절히 안에 배치하는 겁니다.

만약 원자로의 출력이 높아서 낮추어야 한다면 이 물질을 더 많이 넣어주는 것이고 출력이 낮다면 이 물질을 줄여주면 될 것입니다.

그리고 전원종료버튼과 같은 역할도 해줍니다. 정지를 해야 할 일이 있으면 이 물질을 훨씬 많이 넣어주면 되고 이 물질에 의해 우라늄-235의 핵분열 연쇄반응은 진행되지 못합니다.

이러한 역할을 해주는 장치가 제어봉집합체입니다.
Shut down(정지)을 유도하고 출력의 증감을 조절하는 장치로 원자로 안정성 유지 측면에서 매우 중요한 장치 중 하나입니다.
그럼 어떤 식으로 구동하고 어떻게 생겼는지를 알아보겠습니다.

제어봉

Control Rod라 합니다.
사용하는 중성자흡수체는 B-10으로 붕소물질을 사용합니다.
그리고 제어봉 자체의 구조는 연로봉과 크게 다르지 않습니다. 다만, 그 안에 들어가는 물질이 우라늄이 아닌 붕소가 들어가는 겁니다.

이 붕소는 중성자를 흡수하고 헬륨가스를 방출하는 반응을 합니다. 그렇기에 지속적인 반응으로 헬륨가스가 증가하게 된다면 압력에 의해 응력이 증가됩니다. 그래서 설계시에 중성자흡수체의 연소정도와 사용하는 재질인 인코넬 625의 허용기준 정도 등을 고려해 10년의 수명을 가지도록 설계됩니다.

제어봉집합체(CEA)

Control Element Assembly라고 합니다.
이 제어봉집합체는 제어봉의 묶음인데 거미발이라고 불리는 장치에 연결되어 여러 제어봉을 한 번에 움직여 제어하게 됩니다.

제어방식은 제어봉구동장치(CEDM)의 자력식인양장치를 사용해 상하 이동합니다.
이 장치는 원자로의 위에서 삽입되는 제어봉집합체의 연장축에 부착되는데 전류의 공급양에 따라 뱐화하는 자기력에 의해 제어봉을 잡고 있는 장치를 운동시켜 이동시키게 됩니다. 그래서 후쿠시마원전과 같은 완전 정전사고가 발생한다면 이 제어봉장치는 전력을 공급을 못 받아 자동으로 잡고 있던 장치가 이 제어봉을 잡을 힘을 못 받게 되고 떨어뜨리는 방식입니다. 즉, 사고가 발생할 경우 원자로가 안전해지는 방향으로 설계된 전원공급장치를 사용합니다.

이 제어봉집합체는 하나의 종류로만 구성되어 있지는 않습니다. Shutdown용 전강도 제어봉집합체와 출력제어 전강도 제어봉집합체 그리고 세로방향의 출력차이를 줄여주는 부분강도 제어봉집합체가 존재합니다.

우선 shutdown용 전강도 제어봉집합체는 정상운전시에는 원자로내부에 삽입을 안하고 대기상태로 유지되는 집합체 입니다.
하나의 제어봉집합체에 12개의 제어봉이 묶음으로 한번에 작동하도록 설계가 되어있습니다.

출력제어용 전강도 제어봉집합체는 원자로의 운전 정상출력에 맞추어 유지되도록 인출과 삽입이 지속적으로 일어나는 제어봉집합체입니다.
이 제어봉집합체는 12개봉 묶음으로 된 제어봉집합체와 4개봉 묶음의 제어봉집합체가 함께 존재하는데 4개봉 묶음이 훨씬 많습니다.
4개봉 묶음은 12개봉 묶음보다 삽입 및 인출 시 변동이 그만큼 작은만큼 세부출력 조절을 위해 사용한다고 생각하시면 되겠습니다.

마지막으로는 부분강도 제어봉집합체입니다.
이 제어봉집합체는 앞서 설명한 제어봉과는 조금 차이가 있습니다.
두가지의 차이가 있는데 사용 중성자흡수체와 생김새의 차이입니다.
중성자흡수체는 B-10보다는 약 흡수체인 인코넬 625 스러그라는 물질을 사용하고 구조는 다 동일한데 제어봉 중간에 구멍이 있어 냉각재가 통과되도록 만들었습니다.
왜 이렇게 만들었을까요?
우선, 전체적으로 제어봉을 흡수하는 정도는 작아졌지만 중간에 구멍이 있는 부분에 냉각재가 지나가면서 중성자흡수율(흡수 단면적)이 더 커지게 되는 구조입니다.

이렇게 하는 이유는 원자로의 출력분포가 세로방향으로 코사인함수를 그리는 분포를 나타내기 때문입니다. 즉, 가운데 부분이 출력이 가장 강합니다. 이 출력 차이를 줄이기 위해 중간에 중성자 흡수율을 높이는 제어봉을 사용한 것입니다.

여기까지가 제어봉집합체에 대한 전체적인 설명입니다.
정리해보자면 중성자를 흡수해 우라늄과 핵반응 하는 중성자의 수를 제어하는 장치다.
상황별로 출력증가, 감소 그리고 정지를 위해 여러 방식으로 구성되어 있다.
정도로 정리가 되겠습니다.

다음 시간에는 간단하게 중성자선원집합체에 대해 다루어보도록 하겠습니다.
오늘은 여기서 마칩니다. 감사합니다!!

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"해당 포스팅에 사용한 이미지의 출처는 구글 이미지입니다"