Transcript WH형 핵연료
KAIST 강좌(2009. 3.10) 노심설계 및 핵연료제조 한전원자력연료㈜ 사장 이익환 2009. 3. 10 1 목 차 원자력 발전의 역할 원자력발전에서의 핵연료 역할 원자력 발전의 원리 원자로계통 및 핵연료 국내 핵연료 개발 현황 및 전망 원천기술 (설계코드) 개발 현황 핵연료의 해외 수출 전망 2 원자력 발전의 역할 3 원자력 발전의 역할 국가 에너지 수급 현황 2007년 에너지 수입액 945억불 : 총 수입액의 27%, GDP 10% 세계 5위 원유 수입국(603억불)/세계 2위 LNG 수입국(127억불) 우리나라 석유의존도는 43%(일본 47%, OECD 평균 41%) 가장 저렴한 발전단가로 경제성장의 원동력 < 발전원별 판매단가 (원/kWh), 2007년 기준 > 원자력 석탄 석유 LNG 수력 39 42 118 105 113 4 원자력 발전의 역할(2) 기후변화협약에 대응할 수 있는 현실적 에너지 < 발전원별 CO2 등가 배출량, g-CO2/kWh (IAEA 2006) > 석탄 석유 LNG 태양광 풍력 원자력 수력 991 782 549 57 14 10 8 ※ 원자력발전의 CO2 배출량은 석탄 발전의 1/100 수준 기술집약 종합산업으로 연관산업 파급효과 우수 원전 2기 건설 시 연인원 800만명 이상의 일자리 창출 효과 부가가치를 고려한 GDP 기여율 이 발전원 중 가장 우수 - 석유 발전 대비 석탄 5배, 원자력 18배 원전은 대안이 아닌 필수 에너지원 !! 원전은 향후 해외 수출 동력 산업 !! 5 국내 원전 운영 현황 및 전망 운전중 : 20기 WH형 : 8기 OPR 1000형 : 8기 CANDU형 : 4기 울진 #1,#2 #3,#4,#5,#6 건설중 : 8기 OPR 1000형: 4기 APR 1400형 : 4기 KNF 계획 : 2기 월성 (CANDU) #1,#2,#3,#4 APR 1400형 : 2기 ※ 2030년까지 발전용량을 현재 36%에서 59%로 증가 ※ 원전 10기 추가 건설 예정 신울진 #1,#2 영광 #1,#2 #3,#4,#5,#6 신월성 #1,#2 고리 #1,#2,#3,#4 신고리 #1,#2,#3,#4 #5,#6 6 국내 원자력 환경 변화 7 세계 원자력 환경 변화 원자력발전은 2030년 까지 321 GW의 신규 시장이 형성 예상 최대 예상 시장 규모 약 700조원 [ 2030년까지 300여기 예상] Western Europe Eastern Europe & Russia 47 GW 123 GW North and South America 111GW 149GW Asia 82GW 232GW 116 GW 187GW Power Generation Capacity (GW) Africa 2GW 370GW 691GW 2006 2030 12GW 8 원자력발전에서 핵연료 역할 9 핵연료의 역할 원자력 발전소 이용률 및 발전 손실률 세계 1위 수준 달성에 기여 10 핵연료의 역할(2) 발전원 중 최소 연료비 에너지 안보의 핵심 11 핵연료의 역할(3) 연료 별 전기생산량 구분 PLUS7 ACE7 CANDU 제원(cm) 20.7x20.7x452.8 21.4x21.4x406.3 49.6xФ10.2 연료봉/집합체 236 264 37 소결체/ 집합체 약 92,000 개 약 98,000 개 1,147 개 소결체 1 5.2 g 5.2 g 16.7 g 집합체 1 487 kg 524 kg 19 kg 177 개 157 개 4560 개 UO2 무게 다발 수 전기 생산량 (kwh) 소결체 1 약 1,800(1가구 8개월 사용량) 약 1,000(1가구 5개월 사용량) 집합체 1 약 1억 7천만(6만가구 1년 사용량) 약 115만(500가구 1년 사용량) 12 원자력 발전의 원리 13 원자력 발전의 원리 원소의 핵자간 결합에너지 : 핵자간 결합 시 방출하는 에너지 D Fe Cu Au U 작은 결합에너지 원소가 큰 결합에너지 원소로 변환 시 에너지 방출 핵자 수 小 (수소) : 핵융합 반응 (수소 폭탄) 핵자 수 大 (우라늄) : 핵분열 반응 (원전, 200Mev/핵분열) 14 원자력 발전소 구성도 15 원자로 및 노심 원자로 제어봉 구동장치 (CEDM) 상부구조물 (UPPER GUIDE STRUCTURE; UGS) Reactor Vessel 원자로 HEAD (RV CLOSURE HEAD) Core Support Barrel 원자로 입구노즐 (INLET NOZZLE) 원자로 출구노즐 (OUTLET NOZZLE) 핵연료집합체 핵연료 지지용기 (CORE SUPPRT BARREL; CSB) 핵연료 (CORE) 하부구조물 (LOWER SUPPORT STRUCTURE; LSS) 국내원전 핵연료 종류 WH14x14 WH16x16 WH17x17 OPR-1000 APR-1400 원전 수 1 1 6 8 4 핵연료집합체 수량 121 121 157 177 241 16 원자로계통 및 핵연료 NSSS 설계 ● 노심 설계 ● 핵연료 제조 ● 17 NSSS/BOP/TG 설계 18 NSSS 설계 NSSS 설계 정의 규제기관의 안전성 요건 내에서 사업자의 성능 요건을 만족하도록 핵증기공급계통(NSSS)을 설계하고 제조자료를 생산하는 업무 원자로 냉각재계통: 원자로, 냉각재펌프, 증기발생기, 가압기, 배관 등 보조계통: 화학 및 체적제어계통, 정지 냉각계통, 비상노심 냉각계통 NSSS 설계 안전성 요건 기술기준일 현재 유효한 한국과 미국의 기술규격 및 표준 적용 한국 규제기관 및 미국 NRC의 규정 및 규제지침 만족 NSSS 설계 성능 요건 NSSS 보증 출력 (OPR1000의 경우 2825 MWth) 및 성능시험 부하 변동 (부하추종, 부하상실, 소내부하운전 등) 19 NSSS 설계(2) 상세설계요건 개발 및 설계문서 생산 계통설계문서 작성 P&ID 계통설명서 설계요건서 설계지침서 계약체결 설계기준 개발 NSSS 설계기준 설계범위 인허가기준 계통 구성 및 설계요건 개발 설계요건서 연계요건서 설계시방서 설계계산 및 상세 설계요건 개발을 위한 시험 예비안전/성능/ 위험도분석 기계설치, 기기제작, 기기구매지원 KOPEC (SD) DHICO/ WEC As-Built 정보 제공 KHNP 최종계산 및 요건서 작성 최종 안전성분석 최종 설계 결과물 작성 기기설계 보조계통(BOP) 설계지원 구매관련 문서생산 NSSS-BOP 종합 시험 및 운전지침서 작성 시험 및 시운전지원 상업운전 20 NSSS 설계(3) 원자로냉각재 계통 Integrated Head Assembly Pressurizer Steam Generator Reactor Coolant Pump Reactor Vessel 21 노심 (Reactor Core) 설계 노심 설계 정의 규제기관의 인허가 요건 내에서 사업자의 경제성 요건을 만족하도 록 원전연료의 노심장전모형을 설계하고 운전자료를 생산하는 업무 초기노심설계: 최종안전성분석보고서(FSAR)로 입증 교체노심설계: 교체노심 안전성평가보고서(RSE)로 입증 노심 설계 규제 요건 주민 및 원전 종사자의 방사선 피폭량 제한 목적 원자력 법령 및 산업 기술 기준으로 설정 원전의 운전상태에 따라 노심 안전성 확보 기준 제시 정상상태, 예상운전과도상태(년간 ~1회) 및 사고상태(원전 수명 기간 ~1회 이하)로 분류 22 노심 (Reactor Core) 설계(2) 노심 설계 사업자요건 사업자의 발전단가 경제성 확보 목적 초기노심 및 교체노심 공급 계약으로 설정 주요 설계 요건 정격 열출력, 주기길이, 우라늄 농축도 및 신연료 다발 수 노심 설계 제한치 규제요건을 만족시킬 수 있도록 주요 설계변수들에 제한치 설정 노심 장전 모형 설계의 실질적 제한 요건 주요 설계 제한치 노심 출력 분포(연료봉 최대출력, 노심 최대출력밀도 등) 제한치 노심 핵분열 반응도 관련 변수(운전정지 여유도 등) 제한치 연료봉 평균 연소도 제한치 23 노심 (Reactor Core) 설계(3) 초기노심 설계 절차 예비설계 및 건설허가(CP) 최종설계 및 운영허가(OL) 시운전 PSAR FSAR 노심장전모형(LP), NDR, 시운전 시험자료 시운전시험평가보고서 설계착수 노심장전모형 선정 및 안전성 평가 NDR 및 운전 지원 자료생산 설계계획서 (일정, 운전조건) 노심장전모형(LP), RSE NDR, 운전지원 자료 교체노심 설계 절차 CP : Construction Permit (건설허가), OL : Operation License (운영허가) PSAR/FSAR : Preliminary/Final Safety Analysis Report (예비/최종 안전성분석보고서) LP : Loading Pattern (노심장전모형), NDR : Nuclear Design Report (핵설계보고서) RSE : Reload Safety Evaluation (교체노심 안전성 평가 보고서) 24 노심 (Reactor Core) 설계(4) 노심 장전모형 A B C D E F G H J K L M N P R 180 N XXXX Full Core Box Number Fuel Assembly ID 6 B002 15 C011 26 B015 39 D008 52 B016 67 C006 82 53 D219 68 C130 83 27 D102 40 D212 54 A042 69 B203 84 16 D107 28 C131 41 A017 55 C103 70 A003 85 1 B011 7 D002 17 D211 29 A018 42 C127 56 A011 71 D208 86 8 D220 18 A032 30 C119 43 A005 57 C108 72 A008 87 2 C004 9 C106 19 B201 31 A036 44 D204 58 A027 73 B006 88 3 4 D009 10 C128 20 B108 32 B208 45 A021 59 B207 74 B103 89 C002 11 C118 21 B205 33 A030 46 D207 60 A025 75 B009 90 5 1 B005 12 D218 22 A041 34 C125 47 A001 61 C107 76 A029 91 13 D001 23 D215 35 A039 48 C109 62 A006 77 D221 92 14 2 B004 24 D101 36 C116 49 A034 63 C117 78 A019 93 25 3 C005 37 D105 50 D214 64 A002 79 B204 94 38 4 B013 51 5 D003 65 D203 80 C110 95 66 B003 81 C009 C003 112 B010 98 C114 113 D222 127 D004 140 B012 99 B206 114 A043 128 D210 141 D104 153 C010 100 A016 115 C115 129 A038 142 C123 154 D103 164 B014 101 D216 116 A023 130 C102 143 A040 155 D201 165 D011 102 A028 117 C132 131 A015 144 C105 156 A045 166 D224 173 B018 103 B007 118 A013 132 D206 145 A010 157 B209 167 C129 174 C007 104 B104 119 B211 133 A009 146 B210 158 B107 168 C120 175 D005 0 105 B008 120 A026 134 D217 147 A035 159 B216 169 C113 176 C001 106 A014 121 C124 135 A031 148 C122 160 A020 170 D209 107 D205 122 A007 136 C126 149 A033 161 D213 171 D012 108 A024 123 C101 137 A037 150 C111 162 D108 109 B214 124 A044 138 D202 151 D106 110 C112 125 D223 7 96 90 D007 C121 B101 B212 A012 B215 B102 A022 B105 B213 A004 B202 B106 C104 D006 97 6 8 111 C008 9 126 B020 10 139 D010 11 152 B019 12 163 C012 13 172 B001 14 177 B017 15 25 핵연료 제조 핵연료 집합체 상단 인코넬 지지격자 (Top Inconel Grid) 상단고정체 (Top Nozzle) 안내관 계측관 중간 지지격자 (Mid Grid) 하단 인코넬 지지격자 (Bottom Inconel Grid) WH 형 원전 핵연료집합체 OPR1000 & APR1400 핵연료집합체 보호 지지격자(인코넬) Protective Grid(Inconel) 하단고정체 (Bottom Nozzle) 26 핵연료봉 핵연료 제조(2) 핵연료 봉 상부 봉단마개 피복관 플레넘스프링 Axial Blanket UO2 소결체 UO2 소결체 (WH17x17예) 무게 : 약 5.5 g 직경 : 약 8.2 mm 길이 : 약 9.8 mm UO2 소결체의 장입 갯수 약 372개/연료봉 약 98,230개/집합체 약 15,422,000개/노심 하부 봉단마개 27 핵연료 제조(3) 핵연료 주기도 28 핵연료 제조(4) 국내 핵연료 공급체계 KNF 발주자 (Utility) 29 핵연료 제조 공정 균질 혼합 UF6입고 UO2 변환 UF6 기화 UO2 소결체 압분체 연삭 하부용접 집합체포장 분말 전처리 집합체저장 소결 소결로 상부용접(연료봉) 소결체장입 최종검사 압분 락커도포 연료봉 최종검사 헬륨누출시험 연료봉장입 30 국내 핵연료 개발 현황 및 전망 31 KNF 핵연료 성능 국내 핵연료 손상율 Fuel Leak Rate 1.0E-03 1.0E-04 1.0E-05 1.0E-06 5.15E-05 6.19E-05 1.29E-05 1.38E-05 6.44E-06 1.69E-06 1.58E-06 3.16E-06 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Year Zero Leak Plants (%) 핵연료 무손상 원전수 100 80 60 40 Korea Reference 20 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Year 32 KNF 핵연료 개발 로드맵 제3세대 핵연료 제2세대 핵연료 제1세대 핵연료 핵연료 수입기 (70’s ~ 80’s) 핵연료 상용기술 자립기 (80’s ~ 90’s) 국산화 핵연료 개발기술 자립기 (’99~’04) 핵연료 원천기술 고유 핵연료 확보기 확보기 (’05~’15) (’05~’15) 원천기술 개발 독자 기술소유권 확보 X-Gen 연료 기술고도화 해외사와 공동개발 PLUS7TM & ACE7TM 기술도입 연료 설계/제조 국산화 33 국내 핵연료 공급이력 1975 1980 WH14x14 (1기) 1985 W-STD 1990 W-OFA WH16x16 (1기) W-STD WH17x17 (6기) W-STDW-OFA 1995 2000 2005 JDFA OPR1000 (8기) K-STD 16ACE7 K-RFA K-V5H K-STD CANDU (4기) 2015 K-OFA JDFA W-STD JDFA 2010 Guardian 17ACE7 PLUS7 Standard CANDU ▲ KNF 창립 (1982) W-STD, W-OFA JDFA ▲ 핵연료 생산 착수(1989) WH 설계 및 제조 KAERI 설계, KNF 제조 ▲ 설계사업 이관(1997) ▲ 고유(X-GEN) 핵연료 개발 착수(2005) K-OFA, K-STD, K-V5H, Guardian PLUS7, 16ACE7, 17ACE7 WH 설계, KNF 제조 KNF 개발, 설계 및 제조 34 국내 핵연료 공급이력(2) Capacity : Normal 550 MTU/y (Max. 700MTU/yr) P W R 5,116 MTU (As of December, 2008) C A N D U Capacity : Normal 400 MTU/y (Max. 600MTU/yr) 4,511 MTU (As of December, 2008) 35 국내 핵연료 개발 현황 제1세대 핵연료 국내 소요 핵연료 전량 공급을 위해 해외사로부터 기술도입 경수로 연료 설계 및 제조기술 도입 (1985) WH형 핵연료 (STD, OFA, KOFA, V5H, RFA) 공급 (1989) OPR1000 핵연료 (STD, Guardian) 공급 (1994) 기술소유권이 없으며 국내 실시권만 보유 제2세대 핵연료 국제경쟁력 확보를 위해 해외사와 공동개발 OPR1000 개량 핵연료 (PLUS7TM) 공급 (2006) WH형 16x16 개량 핵연료 (16ACE7TM) 공급 (2008) WH형 17x17 개량 핵연료 (17ACE7TM) 공급 (2009) 해외사 대비 안전성과 경제성 경쟁력 확보, 원천기술 일부 미확보 해외사와 공동개발로 일부 국가(미국, 스페인) 수출 제약 36 국내 핵연료 개발 현황(2) PLUS7TM Fuel for OPR1000 & APR1400 Item Guardian (1st Gen) PLUS7TM (2nd Gen) 상용공급 2001 2006 Burn-up 45 GWD/MTU 55 GWD/MTU Rod OD 9.7mm 9.5mm Mixing Vane No Yes Debris Filter Single Filter Multiple Filter 37 국내 핵연료 개발 현황(3) 17ACE7TM ACE7TM Item RFA (1st Gen) 17ACE7 (2nd Gen) 상용공급 2004 2009 Burnup 45GWd/MTU 55GWD/MTU Mixing Vane(MV) MV + 3 IFMs MV + 5 IFMs 16ACE7TM Item RFA Gen) (1st 16ACE7 (2nd Gen) 상용공급 1983 2008 Burnup 38GWd/MTU 55GWD/MTU Rod OD 9.5mm 9.14mm Mixing Vane(MV) Inconel, MV Zirlo, MV+3 IFMs Debris Filter No Filter Multiple Filter 38 국내 핵연료 개발 현황(4) 제3세대 핵연료 ( X-GEN) 원천기술 확보를 위해 자체개발 개발 내용 OPR1000용 X-GEN 핵연료 및 WH형 원전용 X2-GEN 핵연료 개발기간 : 2005. 9. ~ 2011. 2. 개발 성능 목표 개량연료 대비 연소성능 증가 (55 → 65 GWD/MTU) 개량 연료 대비 열적여유도 향상 개발 현황 상세설계 완료, 노외실증시험용 부품 및 집합체 제조 착수 핵연료 부품 국내특허 25 종 출원(4종 등록), 해외특허 3종 출원 피복관 및 지지격자판 소재 국산화 추진 중 (KAERI 개발 HANA) 39 국내 핵연료 개발 현황(5) X-GEN 핵연료 개발 추진일정 항목 연도 ’05 ’06 ’07 ’08 ’09 ’10 ’11 ’12 ’13 ’14 ’15 ’16 고성능 고유핵연료 개발 주후보모형 개발 및 상세설계 노외성능 검증 및 최종설계 고성능 고유핵연료 노내성능 검증 시범집합체 제조 및 장전 인허가 발전소내 검사 시범집합체 노내검증시험 고유핵연료 상용 인허가 및 상용 공급 상용공급 인허가 노심 설계 및 안전해석 제조공정자격 인증 및 연료 제작 상용 공급 주) X2-GEN 핵연료 개발 일정 : 상기 일정 + 1년 40 미래 핵연료주기기술 전망 연료 연료 41 원천기술 (설계코드) 개발 현황 42 KNF 설계코드 개발 로드맵 제3단계 제2단계 제1단계 기술기반 구축기 (80’s ~ 90’s) 설계코드 도입 기술개발 역량 고도화기 (’99~’04) 원천기술 고유 핵연료 확보기 확보기 (’05~’12) (’05~’15) 고유코드 개발 노심설계코드 안전해석코드 설계코드 대체 해석방법론 개발 미정부 제한코드 대체 WH형 원전 설계 OPR1000 설계 43 국내 설계코드 개발 현황 설계코드 도입 WH형 8개 원전 교체노심설계를 위해 해외사로부터 기술도입 독일 KWU사 설계 코드 도입 (1986) 미국 WEC 설계코드 59종 도입 (1994) OPR1000 초기노심설계를 위해 해외사로부터 기술도입 미국 CE사(현 WEC) 설계코드 약 180종 도입 (1987) 기술소유권이 없으며 국내 실시권만 보유 설계코드 대체 OPR1000 설계용 미정부 제한코드 7종 사용협정 종료(2007) WEC 설계코드들로 대체 방법론 개발 및 인허가 (2004~2007) 공개코드(RELAP, RETRAN) 사용 안전 해석방법론 개발 WH형 원전 LOCA 해석 방법론 개발 및 인허가 (2002) OPR1000 안전해석 방법론 개발 및 인허가 (2007) 44 국내 설계코드 개발 현황(2) KNF 원천기술 고유코드 개발 원천기술 확보를 위해 국내기관 협력 공동개발 KNF, KHNP, KEPRI, KAERI, KOPEC 개발 내용 노심설계코드(KNF 주관) 25종 및 안전해석코드(KNF 공동) 7종 개발기간 : 2006. 10. ~ 2012. 9. 개발 목표 기술소유권이 확보된 세계 일류 원전 핵심코드 개발 현황 노심설계코드 프로그램 개발 완료, 검증 작업 중 안전해석코드 기능별 모듈 개발 완료, 모듈 통합 작업 중 5 대양 6 대주, 우리기술 수출 45 핵연료의 해외수출 전망 46 해외 핵연료회사 현황 경수로 핵연료 시장 구분 회사 점유율(%) 1위 AREVA 36% 2위 WEC 29% 3위 TVEL 14% 기타 21% 핵연료 공급량(MTU) AREVA ~ 3,300 WEC ~ 1,900 KNF ~ 400 47 외국 대비 국내 원자력 산업구조 New Fuel (선행 핵주기) 구분 미국 프랑스 일본 한국 발전 Spent Fuel (후행 핵주기) 성형 가공 설계 제조 운영 사용후 연료 관리 처리/ 재처리 처분 정광 변환 농축 ○ ○ ○ ○ WH ○ WH ○ WH ○ Utility ○ △ ○ ○ Areva ○ Areva ○ Areva ○ Areva ○ Areva ○ Areva ○ EdF ○ EdF ○ Areva ○ ○ ○ ○ ○ MHI ○ MHI ○ MHI ○ Utility ○ ○ ○ ○ KNF ○ KOPEC ○ 두산 ○ KHNP 주) ○ : 보유, △ : 일부 보유 (재처리시설 미보유), : 미보유 48 KNF 핵연료 수출 로드맵 제3단계 제2단계 제1단계 개량 핵연료 수출 (’06~’15) 핵연료 부품 수출 (’02 ~ ’10) 고유 핵연료 핵연료 고유 및확보기 기술수출 (’13~) (’05~’15) 독자 진출 X-Gen 연료 및 기술 (LTA & Reload) CANFLEX 공동 진출 OEM 방식 PLUS7TM & ACE7TM 부품 및 완제품 기술도입 연료 상하단 고정체 49 핵연료 해외수출 현황 핵연료 부품 계약 품목 계약내용 계약액(체결일) 계약처 공급기간 상,하단고정체 3년 공급 (400개/년) $2,591,100 (2007. 4월) 미국, WEC 2009. 7.~ 2011.6 지지격자체 등 3개 재장전 (48sets/R) $1,687,070 (2006. 6월) 브라질, INB 2007년 ~ 2010년 지르칼로이 Tube 4년 공급 (16,000개/년) $2,552,960 (2004. 11월) 미국, WEC 2010년~ 2013년 지르칼로이 Scrap 등 1~2 ton $39,000 (2008. 12월) 캐나다, MM&A 매년 계약 갱신 계 $6,870,130 50 핵연료 해외수출 추진 현황 핵연료 단독 수출 16ACE7TM 필리핀 바탄 원전 진출 AECL 신규원전(ACR1000) 연료(CANFLEX-ACR) 수출 AECL과 7년 공급분( 54,720 다발, 1조7천억원) 수주 계약 협의 중 WEC와의 협력을 통한 핵연료 수출 PLUS7(미국) 동반 진출 CEA 합작사 설립(2008.12.30) 및 공동생산 미국 수출 추진 중 X-GEN 연료 해외 진출 전략 수립 전략적 제휴를 통한 미국 등 현지 회사 설립 추진 전력그룹 원전 수출 요르단, UAE, 터키 원전 수주 참여 OPR1000 또는 APR1400 핵연료 공급 51 경수로 핵연료 해외수출 추진 전략 Market 년도 (Year) 08 09 10 11 12 13 KNF 공장 KNF 해외 핵연료시장 Joint Venture 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 해외 핵연료공장 건설, 해외 핵연료 공급 LTAs In-Reactor 원전 시장 NPP 건설 (One KEPCO NPP 수출동반) ICD 설계 및 연료제작 Supply Reload Fuel Supply ICD & Reload 2020년까지 연간 10개 호기 핵연료수출 목표 52 요약 및 결론 국내원전에 신뢰성 있는 고성능 핵연료 공급 원천기술 및 국제경쟁력 확보로 해외시장 개척 세계 3대 선•후행 핵주기 전문회사로 도약 53 ENUSA 감사합니다 54