원자력(硏), 제4세대 소듐냉각고속로(SFR) 증기발생기 음향 누출 감지 기술 개발
한국원자력연구원(원장 양명승) 고속로기술개발부 김태준 박사팀은 교육과학기술부 원자력연구개발사업의 지원을 받아 제4세대 원자로 소듐냉각고속로(SFR; Sodium cooled Fast Reactor)의 증기발생기 전열관의 미세 균열로 물이 누출돼 소듐-물 반응 사고가 일어날 때 발생하는 미세한 음향을 빠르고 신뢰성 있게 감지해내는 기술을 개발하는데 성공했다. 물 누출량이 초당 1g 이하로 미량이어서 발생하는 음향이 증기발생기 가동음 등 주변 배경소음의 500분의 1에 불과한 경우에도 이를 수 밀리 초 이내에 감지함으로써 소듐냉각고속로의 안전을 위협하는 전열관의 균열을 초기에 탐지해 사고를 방지할 수 있는 기술로, 오는 2028년 상용화를 목표로 진행중인 소듐냉각고속로 개발의 중요한 진전이다.
소듐냉각고속로는 현재 가동중인 경수로보다 우라늄 자원을 100배 이상 활용할 수 있는 미래형 원자로로, 경수로보다 훨씬 높은 온도로 운전되므로 원자로 내부의 열을 식히는 냉각재로 물보다 열 전도도가 높은 금속 소듐(Na)을 사용하게 된다. 섭씨 500도 이상으로 가열된 소듐은 증기발생기에서 전열관 내부를 흐르는 차가운 물에 간접적으로 열을 전달하게 되는데, 열적 불균형에 의한 팽창 수축이 반복되면서 수백~수천 개에 달하는 전열관 가운데 일부에 균열이 발생하게 된다. 전열관이 균열되어 관 속의 물이 미량이라도 누출되면 소듐과 격렬한 화학반응을 일으켜 부식이 일어나 균열이 커지게 되므로 이를 조기에 감지해 누출 확대가 없도록 물 공급을 차단하는 탐지 및 방호 기술 개발이 고속로의 안전성 확보를 위해 반드시 필요하다.
그럼에도 고속로 기술 개발에서 앞선 원자력 선진국들도 물의 미량 누출이 아닌 보다 큰 누출 사고를 감지하는 수준이었고 감지 오류도 많은 등 기술에 큰 진전이 없는 상황이었다. 김태준 박사팀은 신뢰성 있고 고감도 성능을 갖는 감지논리를 새로 개발하고 음향누출 감지 알고리즘과 툴을 자체적으로 설계 제작하여 미량 누출된 물이 소듐과 반응하는 순간 수소 기포 생성 등으로 발생하는 미세한 음향을 S/N=1/500(-27dB), 즉 주변 배경소음의 500분의 1까지 탐지해내는데 성공했다. 이는 고속로 선진국들의 S/N=1/100(-20dB) 수준을 넘어서는, 세계적으로도 보고된 바 없는 감지성능으로 소듐냉각고속로의 안전성 확보를 위한 중요한 기술을 자체적으로 확립했음을 의미한다.
김태준 박사팀은 기술 개발을 위해 한국원자력연구원이 자체 구축한 소듐-물 반응 실험장치를 이용, 섭씨 300도 이상의 고온 용융 소듐 속으로 미량의 물을 조절 주입하면서 소듐과 물을 반응하는 실험을 수행했다. 또한 영국의 고속로 원형로인 PFR의 배경소음과 러시아 IPPE(국립물리과학연구소) 소듐-물 반응음 등 외국 자료를 자체 실험치와 비교 참조하여 물 누출시 발생하는 음향신호를 분석하고 이를 인공지능으로 판별할 수 있는 음향누출 감지장치를 구축했다.
김태준 한국원자력연구원 고속로기술개발부 책임연구원은 “이 기술을 토대로 앞으로 새롭고 다양한 증기발생기 감지 기술 분야를 개척할 수 있을 것”이라며 “미량 및 소량의 물 누출로 인한 소듐-물 반응 사고를 신뢰성 있게 감지할 수 있는 기술뿐만 아니라, 소량 누출보다 큰 중규모 및 대규모 누출사고 감지방법의 감지속도가 누출규모에 비해 느린 단점을 개선해 빠르고 신뢰성 있게 감지할 수 있는 신기술을 개발할 계획”이라고 밝혔다.
웹사이트: http://www.kaeri.re.kr
연락처
한국원자력연구원 고속로기술개발부 김태준 책임연구원 042-868-2430