[논문]소듐냉각고속로(원형로) 주요기기 제작 특성

최한광; 이중곤; 전일정; 김세훈; 이정규; 김용수; 김철; 안동현

doi:10.20466/kpvp.2016.12.1.115

[국내논문] 소듐냉각고속로(원형로) 주요기기 제작 특성
Manufacturing characteristic of major components for prototype SFR 원문보기

한국압력기기공학회 논문집 = Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping, v.12 no.1, 2016년, pp.115 - 125

최한광 ((주)두산중공업) , 이중곤 ((주)두산중공업) , 전일정 ((주)두산중공업) , 김세훈 ((주)두산중공업) , 이정규 ((주)두산중공업) , 김용수 ((주)두산중공업) , 김철 ((주)두산중공업) , 안동현 ((주)두산중공업)

Abstract ▼ AI-Helper

The prototype SFR has currently been under design by KAERI. The size of its major components is much larger than that of APR1400 and high temperature materials are applied for it. The increased size of components and those specific materials effect on material procurement, manufacturing process and fabrication facilities. The manufacturing methods are studied for Reactor Vessel/Guard Vessel, Control Rod Drive Mechanism, Heat Exchanger, Primary Pump, Reactor Vessel Internals, Steam Generator and In-Vessel Transfer Machine. The proper manufacturing methods are suggested for each component including side forging technology for ultra large forgings of Reactor Vessel to minimize the weld seams on which In-service Inspection should be conducted.

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문제 정의

본 연구에서는 특정설계 단계에 있는 소듐냉각고속로(원형로)의 주요기기인 원자로/격납용기, 제어봉구동장치, 열교환기, 냉각재펌프, 원자로내부구조물, 증기발생기 및 핵연료 취급장치의 고온용 소재의 수급성 측면과 고온로 기술요건에 부합하는 제작성을 검토하였다. 이를 통하여 제작 및 가동중 검사 부위를 최소화하는 설계안과 건설 단계를 대비하여 개발이 필요한 제작 기술 분야를 제안 하였다.
본 논문에서는 소듐냉각고속로(원형로)의 주요 기기에 대하여 적합한 제작 방안을 제시하였다. 현재의 설계 형상은 고온로 기술기준을 적용하여 제작 가능한 형상을 가지고 있다.

제안 방법

본 연구에서는 특정설계 단계에 있는 소듐냉각고속로(원형로)의 주요기기인 원자로/격납용기, 제어봉구동장치, 열교환기, 냉각재펌프, 원자로내부구조물, 증기발생기 및 핵연료 취급장치의 고온용 소재의 수급성 측면과 고온로 기술요건에 부합하는 제작성을 검토하였다. 이를 통하여 제작 및 가동중 검사 부위를 최소화하는 설계안과 건설 단계를 대비하여 개발이 필요한 제작 기술 분야를 제안 하였다.
원자로 용기의 쉘의 경우 외경에 비해 상대적으로 두께가 얇은 50mm 이므로 내면 및 외면 가공이 어려울 것으로 예상되어, 최대 사이즈의 플레이트를 구매하여 벤딩 후 용접으로 마무리 한다. 원자로 용기의 쉘은 4등분하여 플레이트로 제작하고, 각 쉘은 약 6.8 m 길이의 네 개의 플레이트를 벤딩하여 용접 이음하여 쉘을 제작한다. 그러나 가동중검사의 대상이 되는 쉘의 길이방향 용접심(Longitudinal Seam)을 최소화하기 위해서는 Outside pressing forging 방법이 개발되어야 한다.
소재 부분은 설계요건을 고려한 구성 소재와 용접 소재 두 가지로 분류한다. 소재 수급성은 제품 형상 및 크기를 반영한 Product Form 기준으로 검토하였다.
SFR 원형로 증기발생기에 대한 예비특정 설계에 대하여 관판 제작특성을 포함하여 주요 내부 구조물 제작성을 검토하였다.
이때, 일체형 Bracket으로 제작시 “A” 용접부위는 좁고 긴 밀폐된 공간으로 수동 및 자동용접이 불가능하므로 Plate를 3 부분으로 나누어 각 part별로 용접, 제작하도록 한다.

대상 데이터

원자로 헤드는 두께 300mm, 외경 9454mm이며, 상단에 Pump를 설치하기 위한 내경 1700mm의 2개 홀, IHX를 설치하기 위한 내경 1490mm의 4개 홀, DHX를 설치하기 위한 내경 755mm의 4개 홀, 내경 254mm의 1개 홀, 내경 80mm의 2개 홀, 내경 30mm의 1개 홀, 그리고 45개의 원자로헤드 볼트 홀이 필요하다. 모든 홀은 원자로 헤드를 관통하고 있고, 최종 제작 후 원자로헤드의 중량은 Table 1과 같이 112ton이며, 형상은 Fig.
원자로헤드는 평평한 상판과 회전 플러그로 구분된다. 상판의 경우 300mm로 매우 두꺼워 플레이트 보다는 4개의 단조품을 구매하여 용접으로 연결하여 제작된다. 단품 용접 후 가공될 각종 홀들은 용접부를 피해야 한다.
원자로 용기는 두께 150mm의 상단부 플랜지, 두께 50mm의 쉘, 두께 50mm의 하단부 접시구형, 그리고 두께 421.9mm의 하단부 플랜지로 구성되어 있으며, 상단부 플랜지에는 내경 60mm의 스터드홀 45개 가공이 필요하다. 원자로 용기의 최종 제작 후 중량은 Table 3과 같이 203 ton이며, 형상은 Fig.
아래 AWS Class에 해당하는 용접자재는 9Cr-1Mo-1V 합금용 용접재료로 Cr 함량이 높아 용접부의 고온에서 높은 내Creep성을 가지고 있다.
재질 선정은 해당 펌프의 구동조건, 부식 환경 등을 고려하여 Stainless Steel Type 316H를 사용하며, 부품별 특성에 따라 Product Form을 결정하여야 한다.
상용로의 경우 증기발생기의 압력 경계부 주 재질은 SA-508 Grade3 Class 1, 전열관 재질은 SB-163 Alloy 690이나 SFR원형로 증기발생기의 재질은 9Cr-1Mo-V다. SFR 증기발생기에 허용되는 재질은 ASME Code Section III Division 1 NH Mandatory Appendix Table I-14.
회전플러그와 노내핵연료 취급장치의 재질은 Stainless Steel, Type 316H 를 사용한다.
Canopy 는 Reactor Head 회전 플러그에 걸쳐 설치되며 용접으로 밀봉상태를 유지한다. Canopy 재질은 316H Plate로 두께는 2mm이다.

이론/모형

별도 성형이나 용접후열처리(Post Weld Heat Treatment, PWHT) 제작공정은 요구되지 않는다. 부품 용접 시 용접사 인정은 ASME Code Section III, Sub-section NB, Sub-article NB-4320에 따라 수행된다. 용접절차서 인정 또한 Sub-article NB-4320에 따른다.
또한, 용접부에 대해서는 용접 전 용접검증이 요구되며, 표면검사에 추가하여 내부 결함 검출을 위해 RT(Radiographic Examination) 또는 UT(Ultrasonic Examination) 등의 체적검사 형태의 NDE가 요구된다. 비파괴검사원 인정은 ASME Code NB-5520에 따르며, 비파괴검사 절차서 인정은 NB-5112에 따라 수행된다.
내부 구조물 및 외부 Support 를 포함한 구성품별 재질은 ASME Code Section III Division 1 NH Mandatory Appendix Table I-14.0에 따라 결정하였다. 주단품 및 후판은 제작 및 수급이 가능하며, 전열관의 경우 One Through Type Steam Generator에 사용되는 전열관은 해상 운송이 가능하다.

후속연구

316 계열의 스테인리스 강은 몰리브덴(Mo)의 첨가로 304SS 계열보다 내식성 및 내공식성이 높은 것으로 알려져 있다. 또한 압력경계부 기기의 경우, 경수로 원전에서 사용되는 붕산수 대신 액체 소듐이 사용되므로 오스테나이트 스테인리스 강의 예민화 및 그에 따른 응력부식균열(Stress Corrosion Cracking)의 발생위험도가 상대적으로 매우 낮아 탄소함량은 별도로 규제되지 않으나 국내 건설원전 인허가 요건과 동일 수준으로 관리될 것이다. 전자석 집합체에는 자성체 재료인 410 게열의 스테인리스 강이 사용되며, 내마모 특성이 요구되는 부품에 대해서는 인코넬 625 또는 인칼로이 925 재료의 사용을 고려하고 있다.
소듐 냉각재 외부 동체(Outer Shell)을 통해 내부동체(Inner Shell) 내부로 유입하여 전열관에 접촉되며 내부동체 외부에는 전열관과 동체측 사이의 온도차에 따른 축 방향 열팽창 차이를 흡수하기 위해 Bellows가 설치된다. 9Cr-1Mo-V 에 해당하는 Round Bar 형태 및 Bellows는 Code 에서 다루고 있지 않아, 추후 논의가 필요하다.
전열관 지지대는 전열관의 외벽에 밀착되는 형태로 전열관 외부직경과 전열관 지지대간 공차설계에 따라 제작성이 결정된다. 추가적인 상세설계를 통하여 공차 설계가 이루어질 예정이다. 전열관 지지대를 포함한 전열관 뭉치는 Inner shell 에 Long Seam 을 사용하여 제작이 되어야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소듐냉각고속로란 무엇인가?	소듐냉각고속로(원형로)는 높은 기화온도를 가지는 소듐을 냉각재로 사용하여 설계온도 545℃에서도 액체상태를 유지하며 운전되는 고온원자로이다. 따라서 소재 또한 고온에서 건전성이 확인된 소재가 적용된다.
	원자로헤드의 상판의 두께는 어떠한가?	원자로헤드는 평평한 상판과 회전 플러그로 구분된다. 상판의 경우 300mm로 매우 두꺼워 플레이트 보다는 4개의 단조품을 구매하여 용접으로 연결하여 제작된다. 단품 용접 후 가공될 각종 홀들은 용접부를 피해야 한다.
	원자로용기는 어떠한 구조물에 의해 지지되는가?	원자로용기는 하부헤드(Bottom Head)의 노심지지 플랜지(Core Support Flange)로 노심 및 내부구조물을 지지하는 한편, 1차 계통의 압력경계를 유지하는 기능을 수행한다. 격납용기와 원자로용기 사이의 200mm 간격을 갖는 공간은 질소(N2)가스로 채워져 원자로에서 1차 계통 누설 사고 발생 시 방사능 물질을 차단하며, 누설된 1차 계통 냉각재(Sodium)를 수용한다.

참고문헌 (6)

ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section III, Division 5, High Temperature Reactor, 2010 Edition.
ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section III, Division 1, Subsection NB, NG and NH, 2010 Edition.
KAERI, 2013, "SFR Design Concept Description, Chapter 4, Reactor Core, and Chapter 5, Reactor Coolant System and Connected System".
KAERI, 2015, "SFR Components Design Drawings".
H. Tsukada, K. Suzuki, J. Saito & R. Miura, 1986, "Ultra-Large Size Austenitic Stainless Steel Forgings for a Fast Breeder Reactor : Development, Manufacturing and Properties Achieved".
Prabhat Kumar, BHAVINI, 2014, "An Overview of Welding and Fabrication Aspects during Manufacture of Nuclear Reactor Components for 500MWe Prototype Fast Breeder Reactor", International Welding Congress

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