원자력 발전의 카본 그라파이트 씰: 주 냉각 펌프부터 비상 시스템까지 핵심 소재

원자력 발전소는 지금까지 건설된 가장 복잡한 공학 시스템 중 하나입니다. 원자로 냉각 펌프(RCP), 비상 원자로 냉각 시스템(ECCS), 또는 격납구조물 관통부의 씰 고장은 방사성 물질 누출로 이어져 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다. 카본 그라파이트는 방사선 저항성, 고온 내성, 화학적 불활성, 자기 윤활성 덕분에 핵심 원자력 씰에 필수적인 역할을 합니다. Huahao Sealing Co., Ltd.는 RCP 1차 씰을 직접 공급하지 않지만, 원자력 산업 표준에 기반한 2차 회로 및 보조 시스템용 핵 등급 그라파이트 씰을 개발했습니다. 이 글에서는 원자력 발전에서의 그라파이트 적용과 요구 사항을 검토합니다.

1. 원자력 씰의 특별 요구 사항

1.1 방사선 저항성

1차 회로(붕산수)에서 중성자와 감마선에 장기간 노출되면 분자 구조가 파괴됩니다. 폴리머 씰(예: 고무 O-링)은 누적 선량 10⁶ Gy 이상에서 취성화되어 파손됩니다. 비금속 무기물인 카본 그라파이트는 10⁹ Gy까지 성능 저하가 거의 없어 고방사선 구역에 선호되는 재료입니다.

그라파이트에 미치는 주요 방사선 영향:

• 격자 손상: 중성자 조사로 탄소 원자가 이동해 결정 구조가 변형됩니다. 저선량(< 10²² n/cm²)에서는 그라파이트가 약간 팽창하고 열전도율이 감소합니다.
• 윙거 에너지 저장: 고온 조사 시 그라파이트에 에너지가 저장되어 어닐링으로 방출해야 합니다.
• 산화: 조사된 물 속 자유 라디칼이 그라파이트 산화를 가속화합니다.

우리는 방사선 유발 가스 방출을 줄이기 위해 재(ash) ≤ 100 ppm의 핵 등급 고순도 그라파이트를 1800℃에서 진공 탈기 처리합니다.

1.2 고온 내성

• 정상 운전: 290~330℃
• 설계 기준 사고(DBA): 최대 350℃
• 심각 사고: 800℃ 이상 초과 가능

금속 함침 그라파이트는 450℃에서 연속 사용 가능하며, 구리 함침 등급은 500℃까지 견딥니다. 고온에서는 수지 함침 그라파이트 사용을 피해야 합니다.

1.3 화학적 적합성

1차 회로 매질은 붕산(0~2500 ppm H₃BO₃)과 수산화리튬(LiOH, pH 6.9~7.4)이 포함된 탈이온수입니다. 붕산은 그라파이트를 부식하지 않으며, 저농도 LiOH도 그라파이트에 영향을 미치지 않습니다. 그러나 2차 회로 증기 발생기는 아민계 산소 제거제(모폴린, 사이클로헥실아민)에 노출될 수 있으므로 함침제 적합성을 평가해야 합니다.

1.4 내진성

지진대에 위치한 발전소의 씰은 안전 정지 지진(SSE) 하중을 견뎌야 합니다. 그라파이트 씰은 지진 조건에서 취성 파손이 없음을 입증하는 내진 해석이 필요합니다.

1.5 엄격한 추적성

원료 배치 번호, 검사 보고서, 기계 ID, 작업자, 열처리 사이클 및 온도 곡선, 검사 기록, 인증서, 포장, 운송, 설치 기록 등 생산 전 과정의 완전한 추적이 필수입니다.

2. 전형적인 적용 사례

2.1 원자로 냉각수 펌프 씰

RCP는 원자로 냉각계통의 "심장"입니다. 샤프트 씰은 일반적으로 세 단계로 구성됩니다:

• 1단계: 정수압 씰, SiC 대 카본 그라파이트, 15.5 MPa 1차 압력 견딤
• 2단계: 접촉식 메커니컬 씰, 카본 그라파이트 대 SiC
• 3단계: 미세 누출을 포함하는 보조 씰

RCP용 그라파이트 링은 다음 조건을 충족해야 합니다:

• 순도 ≥ 99.5%, 재분 ≤ 500 ppm
• 1000℃에서 진공 탈기
• 10⁷ Gy 감마선 조사 시험
• 접촉면 평탄도 ≤ 0.3 μm, 거칠기 Ra ≤ 0.05 μm

2.2 비상 핵심 냉각 시스템

ECCS는 사고 시 핵심에 붕산수를 주입합니다. 밸브 및 펌프 씰에는 사고 후 30일간 밀봉을 유지해야 하는 카본 그라파이트 부품이 사용됩니다.

2.3 격납관 관통 씰

케이블 및 배관 관통부에는 특수 씰이 사용되며, 사고 조건에서 방사성 물질 누출을 방지하기 위해 그라파이트 씰이 온전하게 유지되어야 합니다. 350℃ 및 0.4 MPa 차압 사고 시험을 통과해야 합니다.

2.4 2차 회로 공급 펌프 씰

공급 펌프는 탈기 및 탈염수를 180~220℃, 6~8 MPa 조건에서 공급합니다. 금속 함침 그라파이트 링은 8000시간 이상의 사용 수명을 목표로 합니다.

2.5 보조 시스템

• 붕산 주입구 씰: 붕산 내성
• 사용후 핵연료 저장조 씰: 방사선 내성
• 폐액 처리 씰: 화학 내성
• 환기 시스템 씰: 저누설

3. 원자력 등급 그라파이트 씰 품질 보증

3.1 설계 단계

• RCC-M, ASME BPVC III, GB/T 16714 기준에 따라 설계
• 유한 요소 응력 및 내진 해석 수행
• 설계 패키지: 사양서, 계산서, 도면 포함

3.2 자재 조달

• 원자력 인증 공급업체 사용
• ASTM D7219, NB/T 20007 기준 자재 사용
• 각 로트별 열번호, 화학 성분, 기계적 시험 보고서 보유

3.3 제조

• RCC-M F 또는 ASME III NB 하위항목 준수
• 용접공 및 검사원은 원자력 자격 보유
• 주요 공정에 보류점(H) 및 참관점(W) 설정

3.4 검사 및 시험

• 치수: 주요 치수 100% 검사
• 비파괴 검사: 침투, 초음파, X선 검사
• 성능 시험: 밀봉, 내진, 방사선 시험
• 형식 시험: 모사 운전 조건에서 1000시간 이상 시험

3.5 문서화 및 추적성

• 제조 종료 문서(EDMF)에 모든 생산 및 검사 기록 포함
• 권한 있는 기관 서명 인증서 발행
• 부품별 고유 일련번호 부여, 사용 수명 동안 추적 가능

4. Huahao Sealing 원자력 역량

4.1 개발 완료 제품

• 2차 회로 공급 펌프 그라파이트 씰 링 (M106D 원자력 등급)
• 보조 밸브 씰 그라파이트 링
• 사용후 핵연료 저장조 씰
• 비상 시스템 펌프 그라파이트 부싱

4.2 개발 중 제품

• RCP 2단계 씰 그라파이트 링 (연구 파트너와 공동 개발)
• 고온 가스 냉각로 그라파이트 씰
• 고속로 나트륨 냉각 그라파이트 씰

4.3 인증 및 자격

• NB/T 20037 원자력 품질 보증 인증 보유
• CNNC 및 CGN 인증 공급업체
• 원자력 자격 보유 비파괴 검사 인력

5. 전형적인 적용 사례

한 원자력 발전소의 2차 회로 공급 펌프에 당사의 안티몬 함침 그라파이트 씰 링 M106D-N이 사용됩니다: 내경 110 mm, 외경 140 mm, 220℃, 7.5 MPa. 운전 데이터는 다음과 같습니다:

• 누출량: 8 mL/h (규격 ≤ 30 mL/h)
• 마모율: 0.02 mm/1000시간
• 누적 운전 시간: 24,000시간
• 접촉면 온도: 주변 온도 + 18℃

제품은 CNNC 평가를 통과하였으며 수입품을 대체하고 있습니다.

6. 동향

6.1 국내 대체

가속화된 국내 원자력 건설은 원자력 등급 그라파이트 씰에 대한 수요를 촉진하고 있습니다. Huahao Sealing Co., Ltd.는 국내 대체를 지원하기 위해 연구개발에 적극 투자하고 있습니다.

6.2 소형 모듈 원자로(SMR)

SMR 씰은 크기가 작고 더 높은 신뢰성을 요구하여 새로운 그라파이트 재료와 씰 구조가 필요합니다.

6.3 4세대 원자로

고온 가스 냉각로와 고속로는 헬륨 및 액체 나트륨 매체를 사용하여 그라파이트 씰에 새로운 도전 과제를 제시합니다.

결론

원자력 등급 카본 그라파이트 씰은 원자력 발전소의 안전한 운전에 필수적입니다. 그 설계, 제조 및 품질 보증은 원자력 기준을 엄격히 준수해야 합니다. Huahao Sealing Co., Ltd.는 2차 회로 및 보조 시스템용 씰링 솔루션을 제공할 수 있는 연구개발 및 생산 능력을 보유하고 있습니다. 국내 대체를 진전시키기 위해 원자력 설계 연구소 및 장비 제조업체와의 심도 있는 협력을 환영합니다. 협력 논의를 위해 당사 엔지니어링 팀에 연락해 주시기 바랍니다.