철제 격납용기(Containment Vessel, CV)는 비상감압밸브(Emergency Depressurization Valve, EDV)에서 분출된 냉각재의 압력경계를 이루고 내부에 설치된 피동격납용기냉각계통(Passive Containment Cooling System, PCCS)의 응축 기능으로 CV 하부에 응축냉각수가 축적되도록 합니다. 축적된 응축수는 비상재순환밸브(Emergency Recirculation Valve, ERV)를 통해 원자로용기(Reactor Vessel, RV) 내부로 유입되어 노심 잔열을 제거하면서 증기로 기화되고 EDV로 방출됩니다. 외부에 설치된 비상냉각탱크(Emergency Cooling Tanks, ECT)는 PCCS 배관과 연결되어 자연 대류의 힘에 의해
차가운 냉각수가 계속해서 PCCS 배관으로 유입됩니다.
노심의 잔열에 의한 냉각재 순환과 자연대류에 의한 PCCS 증기 응축을 결합하여 외부의
동력이 필요 없는 무한냉각을 구현합니다.
APR+와 iPOWER 노형 개발 과정에서 확립된 열교환기 기술을 기반으로 설계되었고,
한국원자력연구원(KAERI)에서는 자연대류 상사성에 기반한 실험 장치를 구현하여 혁신형 SMR의 무한냉각 기능을 실증하고 있습니다.

내장형제어봉구동장치(In-Vessel Control Rod Drive Mechanism, IV-CRDM)

혁신형 SMR은 원자로 출력을 제어하는 제어봉구동장치를 원자로 내부에 배치하는 설계를 채택하고 있습니다.
원자로 외부에 위치하는 외장형 제어봉구동장치에 비해 내장형 제어봉구동장치는 제어봉 이탈사고 가능성을 근본적으로 배제할 수 있으며, 원자로 상부헤드의 노즐 및 용접부를 감소시켜 안전성과 제작성을 향상시킨다는 장점이 있습니다.
기존 외장형은 마그네틱 잭 방식의 제어봉구동장치와 리드스위치 방식의 위치지시기로 구성되어 있으나, 내장형은 마그네틱 잭 방식의 제어봉구동장치와 솔레노이드 방식의 위치지시기가 적용됩니다. 모든 케이블도 미네랄 단열선으로 구성함으로써, 원자로 내부의 고온, 고압 및 고방사능 환경 속에서도 안전하고 신뢰성있게 작동할 수 있도록 개발 및 설계합니다.

또한, 내장형 제어봉구동장치는 기존 외장형과 비교하여 제어봉 수량비 및 제어봉가(rod worth)가 높게 설계되어 원자로 출력제어를 민감할 수 있도록 함으로써 무붕산 운전의 특성을 보완하도록 설계되었습니다.
혁신형 SMR에 적용되는 내장형 제어봉구동장치는 전세계적으로 상용 원전에 적용되지 않은 새롭고 혁신적인 설계이기에, i-SMR의 커다란 기술적 특성이라고 말할 수 있습니다.

혁신형 SMR은 높은 안정성 및 모듈화에 의한 경제성 확보를 목표로 하고 있으며, 탄력운전 능력을 바탕으로 신재생 에너지와 연계한 다목적활용을 목표로 하는 분산에너지 및 노후화된 화력발전소를 대체하는 대안으로 개발 중입니다. 이를 위하여 혁신형SMR 핵연료는 무붕산 운전, 열적여유도 향상, 24개월 이상의 장주기 운전 및 0.3g의 내진성능 등이 요구됩니다.
이와 같은 혁신형SMR의 다양한 요건을 만족시키고 인허가성을 증진시키기 위해서 고유핵연료(HIPER17) 및 SMART 핵연료의 설계 및 개발경험을 활용하여 아래와 같은 설계특성을 갖춘 17X17 타입의 혁신형SMR 핵연료를 개발하고 있습니다.

혁신형 SMR은 세계 SMR 시장에서 요구되는 안전성·경제성·유연성을 확보하기 위하여 원자로 계통의 주요기기인 증기발생기, 가압기, 원자로냉각재펌프, 노심 및 제어봉구동장치 등을 하나의 압력용기 내에 설치하는 일체형 설계를 통한 기기 모듈화 설계를 채택하고 있습니다. 이를 통하여 대구경 배관 파단에 의한 냉각수 유출 사고를 원천 배제한 설계가 가능하여 원전의 안전성을 대형원전 대비 1,000배 이상 향상시켰습니다.
또한, 단순화된 모듈화 설계 적용으로 인하여 공장에서 제작/조립이 가능하고 설치가 간단하여 발전소 부지로 운송/설치가 용이해 짐에 따라발전소 건설기간을 줄일 수 있게 되는 등 SMR의 특성인 작은 출력규모에 따른 경제성 저하를 모듈화 설계를 적용하여 극복하고자 하였습니다. 이를 통해 순건설단가의 경우 kW당 $3,500 이하 및 균등화 발전원가(LCOE)는 MWh당 $35 이하 달성이 기대되며, 타 전원 대비 동등 이상 수준의 경제성 확보가 가능할 것으로 판단됩니다. 이러한 기기 모듈화 뿐만 아니라 SC (Steel Plate Concrete) 구조 적용과 같은 혁신적인 시공기법 적용 및 시공설비 모듈화를 통하여 시공성 및 안전성 향상을 도모하고 있습니다.

디지털트윈 기술은 실제 시스템과 가상 원자로 내의 시스템을 동기화하여 실제 시스템의 계측값을 토대로 가상 원자로 내의 시스템을 통하여 실제 시스템의 상태를 감시ㆍ진단ㆍ예측하여 고장 및 사고 발생 전에 선제적으로 유지ㆍ보수가 가능하도록 구현한 시스템입니다. 이 기술은 감시와 진단 데이터를 기반으로 통합 플랫폼을 구축하고, 원격으로 원자로의 상태 감시 데이터를 실시간으로 확보하여 고장이 발생하기 전 예측 진단을 통해 효율적으로 발전소를 운영하고 유지보수할 수 있습니다.
발전소 전체의 SSC(Structure, System, Component)에 대한 3D 모델링과 운전 정보를 수집하고 분석하여 설비의 상태를 진단하고 종합적으로 판단하고 이를 통해 잠재적인 문제를 사전에 식별하여 예방 조치를 취할 수 있습니다. 또한, 디지털 트윈은 운영 데이터를 분석하여 설비의 성능을 최적화하고, 비용을 절감하는데 기여합니다.
특히 혁신형 SMR은 경제성, 안전성, 유연성을 갖춘 노형으로, 혁신기술(피동안전계통, 노심출력감시, 자동운전, 탄력운전과 사고 시 운전원 조치 최소화)을 적용하여 발전소를 안전하게 운영하기 위해 디지털트윈 기술은 필수적입니다. 표준설계의 결과물을 활용하여 기기 제작/시험, 현장 시운전 및 운영 단계의 문제점을 조기 식별하여 품질 리스크를 저감하고 운영 비용을 절감할 수 있습니다.

혁신형 SMR은 안전계통을 피동설계로 구현하고 계통을 단순화/통합화하여, 자동화 수준을 극대화하는 혁신적인 설계특성을 갖추었습니다. 이에 따라, 운전원의 직무부하를 절대적으로 줄이고 상황인식을 극대화하는 제어실 운전개념을 수립할 수 있었습니다.
혁신형 SMR은 4개의 원자로 모듈을 통합제어실에서 감시하고 제어가 가능하도록 인간-기계연계(Human-Machine Interface, HMI) 설비를 구축하여, 3인의 상주 운전원이 통합제어실에서 4개의 원자로 모듈을 운전하도록 설계되었습니다.
인간공학 설계원칙(안전성, 호환성, 설계 단순화, 일관성)에 기초한 체계적인 설계 프로세스를 적용하여 개발된 통합제어실은 운전원들의 효율적이고 안전한 운전을 돕습니다.

혁신형 SMR은 혁신적인 설계를 바탕으로 안전성, 다양성 및 경제성을 높이고자 한 원자로이기에, 부품의 제조방법에 있어서도 짧은 기간에 높은 제작 효율성과 향상된 품질을 생산할 수 있는 혁신제조 기술들을 개발 및 적용합니다.

PM-HIP (Powder Metallurgical Hot Isostatic Pressing)
PM-HIP 기술은 형상이 복잡한 대형의 금속부품을 분말제조 방법을 적용하여 제작하는 기술입니다. 최종 제품과 매우 근접한 형상으로 한번에 제조할 수 있다. i-SMR에는 일체형이란 특성 때문에 형상이 복잡한 대형 부품이 많기 때문에 PM-HIP 제조기술의 적용이 매우 유리합니 다. PM-HIP은 기존 대형 단조기술과 비교하여 원자로 헤드의 경우 18개월 이상 제작시간 단축이 가능하고, 40%이상 비용절감이 가능합니다. 또한 일체형으로 제작되므로 용접부가 발생하지 않아 운영 및 검사의 부담을 덜게 됩니다.

전자빔 용접(Electro Beam Welding, EBW)
전자빔 용접은 기존 아크용접에서 아크열을 통해 접합하던 것을 전자빔을 이용해 용접하는 용접기술입니다. 전자빔 용접은 별도의 용접재료가 필요 없으며 매우 높은 품질과 효율로 용접할 수 있으나 특성상 진공 환경에서만 용접이 가능하기 때문에 주로 소형 부품의 용접에 적용되어 왔습니다. 현재 대형 부풍의 주된 방식인 잠호용접(SAW) 혹은 가스텡스텐아크용접(GTAW)은 두께 150 밀리미터 두께 용접에 수십패스와 수십층의 용접공정이 필요하나 전자빔 용접은
1패스 1층의 용접으로 제작이 가능하여 90%이상의 제작시간 단축이 가능합니다. 용접재없이 용접하므로 검사에 대한 부담이 적으려 용접후열 등의 공정이 매우 단순해질 수 있는 장점도 있습니다.

다이오드 레이저 클래딩(Diode Laser Cladding, DLC)
혁신형 SMR 부품의 부식성 향상을 위해 표면에 내부식성의 재료를 용접으로 접착합니다. 현재 방식의 SAW/ESW(잠호/슬래그 용접)에 의한 부품 내부 클래딩은 10밀리미터 내외의 두께에이르며 표면 후처리가 필요하게 됩니다. DLC 방식은 레이저를 이용하여 클래딩을 수행하는 기술로서 용접 희석율이 낮아 클래딩 두께를 1~2 밀리미터 정도로 줄일 수 있는 장점이 있으며, 표면 후처리가 필요치 않아 제작시간 50% 이상 감축, 생산비용 절감 및 부품의 경량화가 가능합니다.

가압경수로형 상용원전에서 제어봉집합체 기능과 같이 노심반응도 제어를 위하여 냉각수 1차계통에 붕산을 혼합하여 반응도를 조절하고 있습니다. 혁신형 SMR은 안전성 증진과 경제성을 확보하기 위해 무붕산운전을 채택하였습니다. 무붕산운전이 적용됨에 따라 혁신형 SMR의 안전성이 다음과 같이 증진됩니다.
운전원의 부주의한 붕산희석으로 인한 반응도 증가 사고가 원천적으로 배제됩니다. 사고시 냉각에 따른 붕산 석출에 따른 재임계현상이 원천적으로 방지됩니다. 붕산에 의한 1차 냉각수 응력부식균열(PWSCC) 현상이 배제되어 원자로 용기의 건전성을 확보할 수 있습니다. 원자로정지불능 예상과도(Anticipated Transient without Scram, ATWS)와 같이 다중고장사고가 발생하더라도 매우 큰 음의 냉각재 온도 궤환효과에 의해 제어봉이 없이도 원자로 출력이 감소되는 고유 안전성을 확보하고 있습니다.

무붕산운전의 적용에 따른 경제적 효과도 확보할 수 있습니다.
방사성 액체 폐기물 및 삼중수소 발생량이 줄어들어 유지보수 비용이 감소됩니다. 냉각재 계통에서 수용성 붕소가 담당하던 반응도 제어 기능을 전적으로 제어봉이 수행함으로써 출력변화 운전이 단순화하여 운전성이 향상됩니다. 붕산수에 의한 기기의 부식 현상이 사라짐으로써 기기 건전성이 확보됩니다.

혁신형 SMR은 일체형 원자로로 대형원전에 대비하여 소형화를 위해서는 공정변수/상태감시 계측 센서의 소형화, 집적화, 최적화가 필수적입니다. 그리고 인공지능 기술을 적용하여 설비 상태감시 및 고장진단 기능용 센싱기술을 최적화해야 합니다 자율운전 성능 향상을 위해 광섬유 분포형 센서, 저전력 무선센싱, 공정계측센서, 중성자 계측 및 상태감시 계측 시스템 등의
기술개발을 통해 다목적 고정밀 계측 시스템을 개발함으로써 안전성, 경제성 향상에 기여할 수 있습니다.
특히, 탄력운전을 구현하기 위해 제어계통의 자동화 수준을 기존원전보다 높이고 발전소와
운전 상태를 감시, 제어하기 위해 물리적, 환경적 조건에 적합한 센서를 개발하고 센싱기술과 계측시스템을 개발하여 적용할 예정입니다.

혁신형 SMR은 용량이 작고, 제어계통이 단순하여 탄력운전을 위한 최적설계가 가능하여 태양력이나 풍력 등과 같은 재생에너지의 간헐성을 보완할 수 있습니다. 이를 통하여 재생에너지원과의 연계성이 뛰어나고, 급격한 전력수요 상승이나 날씨 변화에 대처하기 어려운 재생에너지를 보완해주는 저탄소 보조에너지원으로 활용이 가능하게 됩니다.
또한 작은 섬 등 오지에 안정적으로 전력을 공급할 수 있으며, 전력 생산 외에도 공정열, 지역난방, 해수담수화, 수소생산 등 다목적 활용이 가능합니다.