RBMK

RBMK 개략도

RBMK 또는 흑연감속 비등경수 압력관형 원자로(黑鉛減速沸騰輕水壓力管型原子爐)는 소비에트 연방이 개발한 원자로 형식으로, 러시아어 Реактор Большой Мощности Канальный(영어: Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalniy, 채널형 고출력 원자로)의 첫글자를 따서 RBMK라고 부르며, 현재는 소비에트 연방이 만든 흑연감속 원자로의 뜻으로만 사용된다. RBMK는 체르노빌 사고를 일으킨 원자로 유형이며, 2004년 현재 더 이상의 건설계획은 없으며, 2019년 현재 러시아에선 총 15개의 RBMK 원자로가 구동중에 있다.

개요

RBMK는 소련의 플루토늄 생산용 원자로를 기반으로 한 원자로를 만드는 소련의 프로젝트 중 최고의 작품이었다(...). 세계 최초 원자력 발전소(최초로 원자로에서 전력생산)에 쓰인 첫 번째 RBMK인 AM-1 ("Атом Мирный", 러시아 어로 "peaceful atom")는 5MW의 전력(열효율 30MW)을 오브닌스크에 1954년부터 59년까지 공급했다.

RBMK는 경수를 냉각재로 감속재로 흑연을 사용하며, 연료로는 천연우라늄을 사용할 수 있으며(일반적으로 2.4%의 농축우라늄을 사용한다), 압력관 갯수만 늘리면 원자로를 크게 만들수 있고, 또한 운전중 연료교체가 가능하기 때문에 운전성이 높다는 장점이 있다. 그 대신, 다른 원자로 유형에 비해 불안정하다는 단점이 있다.

설계

RBMK는 흑연 감속재를 통과하는 7m 가량의 압력튜브로 되어있으며, 냉각재로 물을 사용하는데 비등수형 원자로와 비슷한 온도인 290°C 정도로 끓어오른다. RBMK의 연료는 저농축 우라늄을 사용하며, 3.5 미터 길이의 연료집합체에 장착한다. RBMK는 감속재로 흑연을 사용하기 때문에 피드백이 엇나갈 경우 체르노빌 사고와 같은 재앙이 일어날수 있다.

일반적인 RBMK의 노심에는 3000개의 연료 집합체를 넣을 수 있다. 연료집합체는 우라늄 산화물 펠릿으로 가득찬 연료봉의 집합으로 되어 있으며, 밑부분에는 연료봉의 버팀목과 적당한 거리를 유지시켜 주는 금속 받침대로 구성되어 있으며, 노심은 연료집합체에서 끌어낸 열 에너지를 잠시 저장해두는 역할을 하고 있다. 원자로가 가동하면, 연료속의 ²³⁵U가 연쇄반응을 내면서 줄어들게 된다. 몇몇 ²³⁸U원자들은 여분의 중성자를 얻어 분열가능한 플루토늄으로 변화하여 에너지를 낸다. 이 반응으로 세슘이 생성되며, 이런 세슘은 제논으로 붕괴되어 중성자를 흡수하여 연쇄반응과 열생산을 저해시킨다.

RBMK의 디자인은 정상 운전, 그리고 비상시 상황에 필요한 몇몇 안전 시스템이 있다. 그중 하나는 노심 출력을 감시하는 피드백 센서로, 출력이 증가할시 자동적으로 제어봉을 노심에 삽입하여 출력을 낮추고, 반대로 출력이 낮아질시엔 제어봉을 인출하여 출력을 높인다. 만약 이 센서가 갑자기, 과격하게 출력이 오르는걸 감지하면, 211개의 붕소 제어봉이 노심으로 들어가 반응을 중단하는 원자로 보호 시스템이 있다. 이 시스템은 필요로 하거나, 혹은 운전원에 의해 자동적으로 실행된다.

또한 RBMK 원자로는 발전소와 주변환경의 방사선을 감시하는 방사선 모니터링 관측소가 있으며, 매우 많은 차폐벽이 방사선을 흡수하고, 일반 운전과 비상 상황 모두를 포괄한다. 그리고 또한 RBMK은 사고 국부화 시스템이 있는데, 이 시스템은 격리에 도움이 되나, 이 시스템은 오직 약간의 국소 파이프 고장에만 도움이 되었고, 체르노빌 사고에선 무용지물이란걸 보여줬다.

결함

RBMK의 노심

• 격납용기의 부재

  RBMK는 비용 절감을 위해 원자로를 감싸는 수 cm의 강철 격납용기를 생략했으며, 노심도 별도의 밀봉용기 없이 노출되어 있었다. 심층방어의 중요한 계층이 2개나 누락된 것이다. 원자로를 감싸는 건 철근 콘크리트 건물(격납건물) 뿐이었으며 체르노빌에서 봤듯이 폭발과 동시에 산산조각났다.

• 불안정한 반응도

  RBMK는 비등경수로로, 냉각재인 물을 원자로에서 직접 증발시켜 터빈을 돌리는 구조다. 한편 일반적인 경수로와 다르게 흑연이라는 별도의 감속재를 사용해서 중성자의 효율을 증대한다. 감속재인 흑연은 조정할 수 없으며 제어봉을 조정하거나 물이 중성자를 일부 흡수해 중성자의 숫자를 제어하여 반응도를 통제한다. 여기에 더해, 일반적인 우라늄 붕괴 과정에서 생성되는 제논-135가 중성자를 흡수하는 데 통상 운전 중에는 중성자가 풍부하게 발생하기 때문에 제논-135가 문제가 되지 않지만, 출력을 줄여 운전할 경우 제논-135가 축적되면서 중성자를 평소보다 다량 흡수하여 출력을 상정 외로 떨어트릴 수 있었다.

  이런 복잡한 구조로 인해 반응도를 통제하기 힘들었다. 일반적인 원자로는 폭주하는 상황에서 물(냉각재)이 사라지면 감속재가 같이 사라지는 형태이기 때문에 고속중성자가 그대로 튕겨나가서 핵반응이 감소하나, RMBK는 감속재가 그대로 있기 때문에 원자로가 폭주할 때 제어봉을 투입하지 않으면 중성자의 반응을 통제할 수 없어 대형 사고로 이어진다. 거기에, 제어봉을 삽입할 경우 제어봉 끝에 가이드 격으로 달린 흑연봉이 먼저 노심에 닿으면서 순간적으로 중성자 활동이 왕성해질 수 있었다.

  1975년 레닌그라드 원자력 발전소에서 양의 보이드 계수로 인해 노심이 파손되는 사건이 있었으나 은폐되었으며, 이렇다할 개선없이 11년 뒤 체르노빌 사고에서 같은 결함이 반복되었다.

체르노빌 사고 이후 개선

체르노빌 사고이후, 모든 운영중인 RBMK는 여러 안전조치를 추가하였다. 제일 크게 바뀐곳은 RBMK의 제어봉 설계였다. 예전 제어봉 설계는 흑연 감속재의 위에 있어서, 연쇄반응을 조절하기 위해 제어봉을 삽입하면 제어봉은 흑연에 걸려 느리게 내려가거나 혹은 멈춰있는 경우가 있었다. 체르노빌 사고에서는 이 하자로 인해서 체르노빌 원자로의 첫 번째 폭발을 유발했다. 새로 바뀐 개선점은 다음과 같다.

• 연료 농축률을 2%에서 2.4%로 높였다. 이로 인해 중성자 흡수율이 높아져 원자로 제어의 신뢰성을 높였다.
• 수동 제어봉 갯수가 30에서 45개로 늘어났다.
• RBMK 설계가 위험하기 때문에, 80개의 추가 중성자 흡수재가 저출력을 억제한다.
• SCRAM (원자로 긴급 정지) 시간을 18초에서 12초로 단축시켰다.
• 예방책으로 긴급 안전시스템에 승인되지 않은 접근을 대비하였다.

참고문헌

• The Chernobyl Disaster - RBMK 설계가 어떻게 재앙을 가능하게 했는지 설명.

각주

이 문서는 한국어 위키백과 22986992판에서 분기하였습니다.