концевой эффект · 1983–1986

양의 스크램 효과

positive scram effect

RBMK 원자로에서 제어봉이 완전 인출된 상태에서 긴급 정지(스크램)가 발동될 때, 제어봉 하단에 부착된 흑연 디스플레이서가 노심 하부의 중성자 흡수수(물)를 밀어내며 오히려 반응도를 일시적으로 상승시키는 설계 결함. 1983년 이그날리나 원전에서 처음 발견되었으나 시정 조치 없이 방치되었다가, 1986년 체르노빌 사고 당시 AZ-5 비상정지 버튼이 눌린 직후 원자로 폭주에 결정적 기여 요인으로 작용했다고 INSAG-7이 지목했다. 사고 이후 모든 가동 중인 RBMK 제어봉은 하부 수주(水柱)가 생기지 않도록 개장되었다.

상세

설계의 유래

RBMK의 제어봉은 중성자를 흡수하는 탄화붕소(B4C) 흡수체와, 그 끝에 붙은 길이 4.5m의 흑연 덩어리인 디스플레이서로 이루어져 있었다. 원자로 밖으로 빠져나간 부분에 냉각수가 흘러들지 못하게 막아 제어봉의 반응도 가치를 끌어올리려는 장치였다. 문제는 치수 배합이었다. 제어봉이 완전히 인출된 상태에서 디스플레이서는 노심 연료 영역의 가운데에 놓였고, 그 위아래로 1.25m씩의 물기둥이 남았다. 냉각수는 중성자 흡수체이므로 이 물은 국소적으로 반응도를 낮추고 있었다.

스크램이 반응도를 올린 경로

이 상태에서 긴급 정지 신호가 들어오면 상황은 뒤집힌다. 제어봉이 위쪽 한계 정지점에서 아래로 내려가면서, 채널 하부의 물이 흑연 디스플레이서로 밀려난다. 흡수체가 들어오기 전에 흡수 물질이 먼저 빠져나가는 셈이므로, 노심 하부에는 일시적으로 양의 반응도가 삽입된다. 즉 정지시켜야 할 조치가 국소적으로 출력을 밀어 올리는 역효과를 낸다.

이 효과의 크기는 일정하지 않았다. INSAG-7에 따르면 그 크기는 출력 밀도의 공간 분포와 원자로의 운전 조건에 좌우되었다. 양의 스크램 효과가 실제로 나타나려면 제어봉과 안전봉이 특정한 배치를 이루고 있어야 했다.

1983년의 발견과 묻힌 경고

효과 자체는 사고 전에 이미 알려져 있었다. 1983년 이그날리나 원전에서 이 현상이 확인되었고, 제어봉과 안전봉의 완전 인출을 제한하는 조치를 도입할 계획까지 세워졌다. 그러나 그 제한은 끝내 시행되지 않았고, 문제는 잊힌 것으로 보인다. 체르노빌 4호기의 운전원들도 이 효과를 알지 못했다.

1986년 4월 26일

체르노빌 4호기는 낮은 출력에서 가동되고 있었고, 규정된 운전 반응도 여유(ORM)를 밑도는 상태에서 수동 제어봉이 과도하게 인출되어 있었다. 01시 23분 40초에 운전원이 AZ-5 비상정지 버튼을 눌렀고, 제어봉이 노심으로 들어가면서 노심 하부의 반응도를 끌어올렸다. 소련 국가 원자력 감독 위원회(SCSSINP) 조사위원회는 허용치를 넘겨 수동 제어봉이 인출된 저출력 상태에서 EPS-5 버튼이 눌린 사건을 사고의 발단으로 지목했다. 다만 왜 그 시점에 버튼이 눌렸는지는 규명되지 않았다.

사고 후 개장

체르노빌 사고 이후 RBMK 설계에는 광범위한 변경이 가해졌다. 그중 핵심은 제어봉의 개장으로, 완전 인출 상태에서도 채널 하부에 물기둥이 남지 않도록 구조가 바뀌었다. 스크램 시 제어봉 삽입 시간도 18초에서 12초로 단축되었고, 1987~1988년 이그날리나와 레닌그라드 원전 시험에서 신속 비상 보호(FAEP) 계통의 성능이 확인되었다.

관련 역사 사건

출처

  1. 위키백과 (영문) RBMK reactor design overview noting the positive scram effect as a major shortcoming contributing to the Chernobyl disaster.
  2. 위키백과 (영문) Chernobyl disaster article describing the control rod graphite displacer and the positive scram mechanism that caused a power spike on AZ-5 activation.
  3. www-pub.iaea.org INSAG-7 (IAEA Safety Series No. 75-INSAG-7, 1992), Section 2.2 and 4.1: design of control and safety rods, discovery of the positive scram effect at Ignalina in 1983, and the conclusion that 'the scram just before the sharp rise in power that destroyed the reactor may well have been the decisive contributory factor.'
  4. world-nuclear.org World Nuclear Association appendix on RBMK reactors: description of the graphite displacer dimensions, the 1.25 m water column, the positive scram mechanism, and post-Chernobyl retrofitting.
  5. 위키백과 (러시아어) Russian Wikipedia article on концевой эффект, the standard Russian term for the positive scram effect, detailing the physical mechanism and the 1983 Ignalina discovery.
  6. world-nuclear.org
  7. world-nuclear.org
  8. epj-n.org
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