[유용한사이트] 한전원자력연료(KNF)

 

한전원자력연료(KNF)는 한전 자회사 중하나로, 

 

원자력연료의 국산화와 기술 자립을 위해 1982년 설립된, 국내 유일의 원자력연료 설계·제조·서비스 전문회사이다.

 

얼마전 작성한 RM 시험관련해서도 자료들이 어느정도 수록되어 있어, 머리식힐겸 참고해서 볼만하다.

 

관련 내용을 공부하는 관점에서 한전원자력연료 홈페이지에서 유용한 자료들을 추려서 정리해보았다.

 

(채용정보 등 취준생에게 도움될만한 내용들은 별도 글로 작성해보겠다.)

 

사이트 주소: https://www.knfc.co.kr/

한전원자력연료

 

1. 주요사업 - 원자력연료 제조 - 생산제품

 

 

여기에서는 현재 KNF에서 공급하는 원자력 연료의 공급 현황을 통해 각 가동원전 호기별 원자로형, 연료명칭, 연로봉 배열 등을 알 수 있다.

위에 사진을 클릭하면 VR로 연료봉을 360도 회전시켜볼 수 있는데.. 음 심심하면 해보도록 하자!

 

2. 주요사업 - 원자력연료 제조 - 제조공정

 

여기에서는 현재 KNF에서 제조하는 경수로연료/ 중수로연료/ 지르코늄 튜브 등에 대한 제조공정이 순서대로 나와있다. 경수로/중수로 연료는 각각 수직/수평 방식으로 다르기 때문에 내부 스프링 유무 차이도 생기고, 제조공정에서도 차이가 있다. 핵연료 관련 공부를 하게된다면 꼭 숙제해야하는 내용이니 참고하도록 하자.

 

[경수로연료 제조공정]

 

[중수로연료 제조공정]

 

[지르코늄 튜브 제조공정]

 

3.주요사업 - R&D - 원천기술 개발

 

여기에서는 현재 KNF에서 개발하는 원자력연료, 소재 및 노심 설계기술 들에 대한 정보가 나와있다. 내용을 요약하면 아래와 같다.

 

[HIPER16 고유 원자력연료]

- OPR1000 및 APR1400 원전용

- 2024년 2월 상용공급 인허가를 위한 운영변경허가 원안위로부터 취득완료

- 한울 5호기에 최초 상용장전

- 기존대비 연소성능, 열적성능, 내진성능, 신뢰성 및 제조성 등 대폭향상

 

[HIPER17 고유 원자력연료]

- WH형 원전용

- 상용공급 인허가 준비중

- 기존대비 연소성능, 열적성능, 내진성능, 신뢰성 및 제조성 등 대폭향상

 

[HANA (High-performance Alloy for Nuclear Application) 고유소재]

- KNF가 독자 기술소유권을 확보한 원자력연료 소재

- 70,000 MWd/MTU 이상의 고연소 성능을 목표로 개발된 지르코늄 계열의 최신 합금 소재

- HANA 소재를 적용한 원자력연료 부품의 국산화를 100% 달성할 수 있으며, 원자력연료의 해외수출 제약을 해소할 수 있을 것으로 기대

- 우수한 성능을 바탕으로 원자력연료의 인허가연소도 증가를 통해 원전이용률 향상 및 사용후핵연료 발생을 감소 (원전의 경제성 향상)

- 인허가 연소도 62,000 MWd/MTU를 목표로 인허가 심사 중 (2028년 부터 상용원전 공급 계획)

 

4. R&D - 개량연료 개발

여기에서는 현재 KNF에서 공급중인 개량연료(PLUS7과 ACE7)에에 대한 설명이 나와있다.

 

[PLUS7] - OPR1000, APR1400 원전

 

기존의 가디언(Guardian) 연료 대비 개선사항

• 연료봉 직경 최적화를 통한 경제성 향상
• 고강도 지지격자 개발을 통한 내진성능 향상
• 고성능 지지격자 개발을 통한 내마모성 향상
• 일체형 상단고정체 사용을 통하여 생산성 향상
• 하단고정체 및 이물질여과 지지격자 개발을 통한 이물질여과 성능 향상
• 기존연료인 가디언과 비교하여 연소 성능이 45,000MWD/MTU에서 55,000MWD/MTU로 대폭 향상
• 열적 성능 10% 이상 향상

[ACE7] - WH형 원전(16X16형, 17X17)

기존의 웨스팅하우스 공급 연료 대비 개선사

• 연료봉 재질변경을 통한 경제성 향상
• 고성능 지지격자 개발을 통한 내마모성 향상
• 일체형 안내관 사용을 통한 집합체 휨 감소 및 제어봉 비정상 삽입 배제
• 일체형 상단고정체 사용을 통한 스프링나사 손상방지
• 다중이물질 여과장치 사용을 통한 이물질 여과성능 향상
• 연소 성능 55,000MWD/MTU 이상으로 향상
• 열적 성능 10% 이상 향상

4. 주요사업 - R&D - 신기술 개발

여기에서는 EU에서 원자력이 친환경 에너지로 인정받는 EUR RE100 요건에도 속해있는 사고저항성핵연료(ATF, Accident Tolerant Fuel)에 대하여 정보가 나와있다.

 

[사고저항성핵연료(ATF)]

- 현재의 Zr-UO2 시스템 핵연료에 비해 원전의 비상노심냉각 기능이 상실된 상태에서도 사고 대처 시간을 현저하게 개선 시킬 수 있으며, 수소 발생량을 크게 억제하여 원전의 안전성을 향상 시킬 수 있는 핵연료

- 원전의 안전성뿐만 아니라 고연소도 및 부하추종운전 등 원전의 효과적 운영을 통해 경제적 효과 기대

- 소재개발이 완료되어 노내 성능시험 및 실증시험 단계에 진입

 * Cr 코팅 피복관: 원전 사고조건에서 피복관 산화 및 수소 취하를 억제

 **성능개선 UO2 소결체: 핵분열물질 방출 억제 및 고온에서의 변형증가를 통해 피복관에 인가하는 응력을 완화 

 

5. 주요사업 - 기술홍보자료

 

여기에서는 KNF에서 수행하는 원자력연료 설계, 제조 및 연료서비스 업무 관련된 기술홍보자료를 다운받아서 볼 수있다. 공신력 있는 기관에서 상세한 자료를 얻을 수 있으므로 관심이 있다면 찾아보자. 담당자 연락처도 있어서, 업무적으로 궁금한 사항이 있으면 담당자님께 문할 수도 있다.

기술홍보자료 랑크: https://www.knfc.co.kr/board?menuId=MENU00656&siteId=null

기술홍보자료<기술홍보자료<주요사업-한전 원자력 연료

 

6. 알림마당 - 안전관리 - 방사선환경관리

여기에서는 원자력이용시설 운영주체인 KNF가 원자력이용시설 주변의 방사선환경조사 및 방사선환경영향평가에 관한 규정(원자력안전위원회 고시 제2017-17호)에 따라 작성하여 원자력안전위원회에 제출한 '원자력연료 가공시설 가동중 방사선환경조사 보고서'를 볼 수 있다.

잘 관리되어 있으므로, 관련 업무를 하고 있다면, 참고자료로 다운받아서 보기 좋다.

 

7. 알림마당 - 원자력마당

여기에서는 원자력 지식과 관련된 포괄적인 정보들이 나와 있다. 주요 내용을 요약하면 다음과 같다.

 

[원자력발전과 화력발전의 차이]

- 원자력발전: 우라늄의 핵분열에서 발생하는 열에너지를 사용하여 증기를 만들어 터빈을 통해 발전

- 화력발전: 화석연료(석유, 석탄, 가스 등)을 연소시켜 발생하는 열에너지를 사용하여 증기를 만들어 터빈을 통해 발전 

 

[원자력발전 개념도]

• 원자로 : 원자력연료에서 핵분열을 통해 발생된 열로 냉각수를 약 320℃의 고온으로 데움
• 가압기 : 원자로의 냉각수가 끓지 않도록 약 150기압의 고압상태를 유지 시켜줌
• 증기발생기 : 고온ㆍ고압의 물을 열교환 방식을 통해 증기를 생산함
• 터빈/발전기 : 증기에너지를 전기에너지로 변환시킴
• 복수기 : 전기를 만들고 난 증기를 바닷물 또는 강물로 열교환 방식에 의해 냉각시켜 증기발생기로 다시 보냄

 

[원자력발전의 역사]

- 원자력의 시작: 엔리코 페르미가 이끄는 과학자들이 1942년 12월 2일 오후 3시 25분 시카고대학 운동장 지하에 설치한 "시카고 파일-1"로 불리는 세계 최초의 원자로에서 핵분열 연쇄반응을 지속시킴으로써 원자력 시대가 열림

 

제1세대 원전

• 1954년에 세계 최초로 운전된 Obninsk 원전(5MWe, 러) 등 1950년대에 건설된 원전

제2세대 원전

• 1974년에 운전된 Zion-1 원전 (1,000MWe, 미), 한국에서 최초로 상업가동한 고리 1호기(587MWe)등 고리, 영광, 울진 지역의 가압경수로, 월성의 가압중수로 원전이 여기에 속함

제3세대 원전

• 1990년대 후반 일본에 건설된 1,350MWe 급 개량비등경수로, 미국의 AP600 및 한국의 APR1400(신고리 3, 4호기 등)이 여기에 속하고, 제3세대 원전을 개량한 AP1000, EPR, ACR1000, APR+ 같은 개량 제3세대 원전도 있음.

제4세대 원전

• 2030년 이후에 실용화 될, 원자력의 안전성과 친환경성, 핵확산저항성을 획기적으로 향상시킨 소듐 냉각고속로(SFR)와 원자력 수소 생산 시스템 구축을 위한 초고온가스로(VHTR) 등의 원전이 개발되고 있음.

[국내 원자력연료의 역사]

 

[심층방어 및 다중방어] 

- 심층방어: 이상상태의 발생을 방지하고, 이상이 발생해도 사고로 전개되거나 확대를 억제하고, 사고가 나더라도 주변으로 방사능 누출이 없도록 하는 것

- 다중방어: 방사선/능의 외부 유을 완벽하게 차단할 수 있는 다섯겹의 방호벽

 

[원자력연료 주기] 

- 원자력연료주기: 우라늄의 채광에서부터 원자력연료 성형가공, 원자로내 연소, 사용후 원자력연료 처리까지의 전 과정

- 선행(Front-end) 원자력연료주기: 우라늄 채광부터 원자력연료 성형가공까지의 공정

• 채광 및 정련 : 우라늄 광산에서 광석을 채굴하여 분쇄한 다음 화학공정을 통해 우라늄 정광(yellow cake, U3O8)을 분리
• 변환 : U3O8을 우라늄 농축에 적합한 UF6(육불화우라늄)으로 변환
• 농축 : 천연우라늄에 있는 우라늄 동위원소 U-235의 성분비(0.7%)를 경수로용 원자력연료에 필요한 성분비 2~5%까지 높이는 공정
• 재변환 : 농축된 UF6를 원자력연료 제조에 적합한 UO2로 변환
• 원자력연료 성형가공 : UO2를 원자로에 장전할 수 있는 집합체 형태로 제조

- 후행(Back-end) 원자력연료주기: 사용후 원자력연료의 저장부터 폐기물처분까지의 공정

- 비순환 원자력연료주기: 원자력연료를 한번 사용하고 저장 또는 처분하는 공정

- 순환 원자력연료주기: 사용후 원자력연료에 잔존하는 연료물질을 재이용하는 공정

 

[원자력연료 제조] 

재변환 공정

- 부산항을 통해 입고된 우라늄은 재변환 공정을 통해 성형가공에 적합한 분말 상태의 우라늄으로 변환

- 이때의 공정은 중앙제어실을 통한 24시간 모니터링과 현장 점검으로 엄격하게 관리·통제됨

- 각 공정별 자동제어 설정으로 설비의 오작동을 방지하고 공정 안전성을 확보하여 양질의 분말을 생산

소결체 제조 공정

- 소결체는 방사성 물질이 외부로 누출되는 것을 방지하는 다중방호 5벽 중 제1벽에 해당

- 재변환 공정에서 생산된 우라늄 분말은 틀에 채워져 절구 형태로 찍어진 후에 고온에서 도자기가 구워지듯 구워짐.

- 그 후 표면을 갈아 일정한 크기로 만드는 공정을 거치면 연료봉 장입에 적합한 새끼손가락 손톱 크기의 5.2g 소결체가 탄생

- 이때 공정 작업자는 가운과 마스크, 장갑 등의 기본적인 장구 착용으로 제품 이물질 유입을 방지하고, 방사선안전 역시 확보

 

피복관 제조 공정

- 제조된 소결체가 장입되는 피복관은 소결체에서 핵분열로 방출되는 열에너지를 냉각수에 전달하는 동시에 연소 시 발생하는 핵분열 생성물을 차폐시키는 제2의 방호벽 역할

- 피복관은 원자력발전소 노내의 고온, 고압 환경 하에서 열전달 특성이 뛰어나고, 내부식성이 매우 우수한 금속인 지르코늄합금으로 제조됨

 

연료봉 제조 공정

- 연료봉:  소결체와 스프링을 장입하고 헬륨가스를 충전한 후 봉단마개를 밀봉시킨 상태의 피복관을 연료봉

- 스프링:  핵분열시에 연료봉 내에서 생성되는 가스를 위한 공간을 확보하고 원자로 내 냉각수 순환에 의한 강한 흔들림으로부터 소결체의 흔들림을 방지하기 위해 장입됨

- 헬륨가스: 원자로 내 높은 압력으로부터 연료봉의 파손을 막고 열분포를 균일하게 하기 위해 충전됨.

- 제조된 연료봉 끝에는 각각의 바코드가 입력되어 있고 전산시스템으로 관리함으로써 문제 발생 시 빠른 추적과 조치를 가능하게함.

품질검사 및 집합체 조립 공정

연료봉 제조 공정이 완료되면 후속 공정으로 이동하기에 앞서 총 3단계의 엄격한 품질검사가 실시됩니다. 이 때 샘플링이 아닌 전수검사를 시행하여 품질이 확실하게 검증된 연료봉만을 사용하여 안전성을 높임.

• 1단계 : 외부 손상 없이 내부를 검사하기 위한 비파괴 검사를 통해 우라늄 농축도, 소결 체 장입 길이와 간격, 스프링 장입 유무 등을 확인
• 2단계 : 가스누출시험기를 통해 연료봉 용접 부위의 결함 유무 확인
• 3단계 : 정밀 육안 검사를 통한 결함 유무 최종 확인

3단계의 품질검사를 마친 연료봉이 집합체로 조립된 후, 최종적으로 집합체의 길이, 직각도, 비틀림 등에 대한 검사가 수행되면 모든 원자력연료 제조 공정이 완료됨.

 

 

 

이외에도 한전원자련연료 홈페이지에는 다양한 유용한 자료들이 올라와있다. 관련내용이 필요한 경우 방문해서 찾아보도록 하자.