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해상체계

고농축우라늄(HEU)에서 저농축우라늄(LEU)로의 잠수함 연료체계 전환시 연료의 수명주기?

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Reference: Jack Bell et al., "Investigation into the Unintended Consequences of Converting the U.S. Nuclear Naval Fleet from Highly Enriched Uranium (HEU) to Low Enriched Uranium (LEU)." December 1, 2014. Virginia Polytechnic Institute and State University.


kss-3-3.jpg


해군의 KSS-III Batch 2 이후 물량의 원자력 추진 체계 탑재에 관한 기사가 나왔네요. (https://milidom.net/news/100962과거부터 해군에서 바라던 숙원사업 중 하나이기도 하고, 애초에 관심이 있다는 것 자체야 공공연한 비밀이었으니... 하여간 협정 개정안이 양국 의회의 승인을 남겨둔 시점에서 빠르게 사업 추진 계획을 언론에 풀어버리네요.


20% 미만의 저농축(LEU) 연료를 쓰는, 3000t급에 근접한 SSN '추종모델'이라고 하면 프랑스의 루비급을 뽑을 수 있을텐데... LEU로 연료 교체시 생기는 문제에 관한 재밌는 논문이 때마침 지난 연말에 올라왔었네요. 일부 발췌해서 나눠봅니다.


--


As a point of reference for a currently in-use LEU fueled naval reactor, let us consider a French Navy Rubis-class nuclear powered attack submarine, a submarine similar in purpose to the U.S. Virginia-class SSN. The Rubis-class SSN uses a reactor fueled with LEU enriched only to 7.5% 235U. The Rubis-class SSN has a core life cycle of just 10 years and a maximum power of 48 MW compared to 33 years and 130 MW for the Virginia-class SSN (U.S Navy, 2014 and French Defense Ministry, 2014). 


The Rubis is a much smaller ship than the Virginia, (weighing in at 2,700 tons as opposed to 7,800 tons, with a diameter of 7.6 meters as opposed to 10.4 meters. Other noteworthy design differences include a more compact ‘integral’ reactor design, wherein the steam generator is incorporated into the reactor pressure vessel, and a large hatch for refueling. Table 1 provides a side-by-side comparison of selected performance parameters of the U.S. Virginia-class and French Rubis class SSNs. The comparison provided shows that, while LEU fuel has been used in a naval reactor, it is in an application with significantly decreased core endurance.


1.jpg


The Navy found that, using LEU fuel enriched to 20%, the core volume must be about 3 times larger to achieve the same core endurance as the current HEU core (Office of Naval Reactors, 1995). This increase in core volume is similar to that cited in the Ippolito thesis; Ippolito concluded that if 20% enriched LEU fuel is used, the core volume must be increased approximately 2.5 times (Ippolito, 1990). It appears that the primary difference in the factor of core size increase between these two studies is that the Navy will not vary their current fuel structure type while Ippolito chose to vary material type from the Naval ‘cermet’ type in his HEU core study to ‘Caramel’ fuel for his LEU core. The more uranium-dense French Caramel type fuel consists of uranium oxide ceramic clad in zirconium metal. (Schwartz, 1978 and White 2012). The Navy claims that such an increase in core volume will have a rippling effect throughout the reactor and ship, including a larger pressure vessel, larger steam generator, more shielding, more reactor piping, etc. (Office of Naval Reactors, 1995). This significantly increases not only size, but also weight, of the reactor compartment. Consequently, this weight increase means that the ship’s volume must be increased to add buoyancy to compensate. The impact of using 20% LEU fuel on the size of a Virginia-class SSN is presented in Table 2.


The bottom-line of this analysis is that an SSN redesigned for a 20% LEU core with a 33- year lifetime would be significantly heavier and larger, in diameter. These characteristics would increase ship cost, by approximately 26% (Office of Naval Reactors, 1995), as well possibly be detrimental to tactical capabilities; the ship may not be as maneuverable and would require a longer stopping distance. It would make sense that this increase in ship size would also require more power from the core to reach similar operating speeds and execute certain maneuvers.


2.jpg






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회원님 한 분의 코멘트에 의하면 당시 루비급 연료주기 10년 이야기가 나온 건 저강도 운용 + 5번함 건조 이후 기존 건조분량의 형상 개량을 동시에 진행하면서 연료 교체를 했던 게 10년차라 그런 말이 나왔다 합니다.


어쨌든, 연료 교체 오버홀 주기로 인한 플랫폼 숫자 추가 획득도 필요하고, 교체 가능한 시설도 많아져야하고, 배설 배출하는 방사능 물질의 부피도 커지고 등등 여러 문제들이 있긴 하지만...

한 줄 요약: LEU로도 충분히 수명주기 문제는 해결 볼 수 있긴 한데, (버지니아급 기준) 코어 사이즈가 3배나 더 크고 플랫폼 크기도 커지고, 획득 비용도 1/4 가량 비싸짐. 


사족: 이건 문서게시판으로 가야 되나요... 킁.


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eceshim 2015.04.23. 14:03
이참에 파이로 프로세싱을 이용한 원잠용 원자로를 쿨럭......
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Mi_Dork 글쓴이 2015.04.23. 14:05
eceshim
지금 해군에선 진지하게 그렇게 생각하고 있는 것 같네요.
eceshim 2015.04.23. 14:15
Mi_Dork
에이 농담도 참 미도르크 님 ㅎㅎ...........

진짜요?
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Mi_Dork 글쓴이 2015.04.23. 14:22
eceshim
이미 기사 보셔서 아시겠지만, (기사가 사실이라는 전제하에) 그런 것 같아 보입니다.

"군은 이번 원자력협정이 합의되면 추가로 건조되는 3000t급 잠수함 4번함부터는 원자력 잠수함으로 건조하겠다는 입장이다. 원자력발전용은 0.7~4%, 원자력잠수함용은 20~90%, 핵무기는 95% 이상의 우라늄 농축이 필요한데, 이번 협정에서 우라늄농축(20%미만) 합의에 따라 원자력잠수함 건조가 가능하다는 것이다. 프랑스군의 루비급 원자력잠수함도 농축도 20% 미만의 우라늄이 사용되고 있다." (https://milidom.net/news/100962, http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=shm&sid1=100&oid=277&aid=0003483647)
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Caballero 2015.04.23. 15:36
Mi_Dork
장보고 -III Batch-II를 기존 안과 달리 원자력 잠수함으로 가겠다는 해군의 안은 실현가능성이 너무 낮습니다. 원자력 채용 Batch-II는 말만 Batch-II지 기본설계부터 다시해야 하는 별개의 새로운 잠수함입니다. ,제발 기사가 뜬 소문이길 빕니다..
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Mi_Dork 글쓴이 2015.04.23. 16:03
Caballero

어떤 의도에서 저런 기사가 나온건지 많이 궁금해지네요... Caballero님이 본 사업 관련 사정은 더 잘 아시리라 생각합니다.

초연 2015.04.24. 02:37
eceshim
음 죄송한데요 정말 몰라서 그러는건데 파이로 프로세싱을 이용한다는게 무슨 뜻인가요?
전 그냥 개발중인 핵연료 재처리 기술이고 플루토늄만 추출안되서 무기화 위험이 없다 정도로 알고있어서...
eceshim 2015.04.24. 07:36
초연
그냥 개드립입니다
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Mi_Dork 글쓴이 2015.04.24. 08:03
초연
http://daily.hankooki.com/lpage/politics/201504/dh20150422162438137430.htm
Zenos 2015.04.23. 15:51
장보고 3급이 재래식 잠수함으로서 충분한 성능을 발휘할지에 대해서도 모르는 상황에서, 그 함체를 이용해서 원자력 잠수함을 만들겠다는 것은 위험한 발상으로 보입니다.
대우나 현대 측에서 반발이 심하겠지만, 타국에서 실전 배치되어 성능이 증명된 함체 설계를 사오거나, 함자체를 사오는 것이 더 나아보입니다.
루비는 너무 작으니, 트라팔가급부터, 바라쿠다, 아스튜트, 버지니아까지 선택권이 좁지 않다는 것이 긍정적인 요소이고, 특히나 영국, 프랑스 쪽에서는 원잠 수출에 적극적일 것으로 보여 더욱 긍정적으로 보입니다. 얼마 전부터 북한 신형 잠수함 얘기가 나오더니, 결국 원잠 보유론으로까지 이어지네요. 여러모로 희망찬 소식입니다.
냐고 2016.01.25. 15:42
Zenos
크기를 고려하면 바라쿠다가 제일 낫겠네요.
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무지막지 2015.04.23. 15:59
Batch 1 체급이 3000t 인건 분명하죠.
그리고 Batch 2는 3000t 급으로 한다고 하지 않은 것 같은데요. 더불어 형상을 Batch 1과 동일하게 한다고도 하지 않았습니다.
국봉을 좀 빨자면Batch 2는 Batch 1의 시스템과 구조를 일부 적용할 수도 있지만 완전히 새로운 형상을 고려하지 않는다고 판단할 수도 없다고 봅니다.
Zenos 2015.04.23. 16:11
무지막지
우선 해군함정을 건조할때 Batch라는 용어를 어떨때 쓰는지 그 전례를 살펴볼 필요가 있습니다. 함체에 급격한 변화를 줄만큼 시간이 충분한지도 의문입니다.
두번째, 세계 최고의 잠수함 건조 역사를 갖는 독일과 그에 못지 않는 실력을 가진 스웨덴도 각각 214급과 콜린스급을 설계하면서 여러 설계상 문제에 직면했었습니다. 어찌보면 장보고 3급 건조 후 많은 문제점이 발견될 것은 아주 당연한 것처럼 보입니다. 그 어떤 무기 체계보다 신뢰성이 중요한 원잠의 경우라면, 당연히 실전배치되어 성능이 증명된 함체를 라이센스 생산하거나, 사오는 것이 맞다고 봅니다.
세번째, 장보고 3 batch1은 실험적인 성격이 강할 것입니다. 세 척만 건조해서 충분히 운용해보고 발견되는 문제점을 개선하여 4번함부터 건조하는 것은 맞습니다만, 위에서 언급한 내용을 바탕으로 원잠의 국내설계는 반대합니다.
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무지막지 2015.04.23. 16:18
Zenos
Batch 1, 2 용어의 문제가 아닙니다. 뉴스에 난 내용을 액면 그대로 해석 하지 말라는 겁니다.
중요한 용어는 딱 두가지 입니다.
1. 원자력추진 잠수함
2. Batch 1 3000t 급 잠수함의 기술(설계)을 사용한다.
그외의 확대 해석은 아무런 필요가 없다는 얘깁니다.
Zenos 2015.04.23. 16:22
무지막지
용어의 문제는 일부일뿐이고, 정황상 새로운 설계를 적용한다고 해석하는데에 문제가 있다는 것이 제 요점입니다.
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무지막지 2015.04.23. 16:26
Zenos
그렇다고 정황상 새로운 설계를 적용하지 않는다고 볼수도 없습니다.
뉴스 자체가 불확실한 정보일 뿐이죠.
결국 한마디로 요약하자면 "한국은 (3000t이 될지 5000t이 될지는 모르겠지만) 원자력 추진 잠수함을 보유 하고자 한다" 라는 겁니다.
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무지막지 2015.04.23. 16:30
무지막지
그리고 원자로 탑재 하는데 기존의 3000t급의 설계를 그대로 적용한다는 것도 넌센스라고 생각 하는데 말입니다.
당연히 새로운 설계를 해야 한다고 봅니다.
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김민석(maxi) 2015.04.24. 14:05
Zenos
해군은 KDX-2A 원래 이름이 KDX-2 배치3였고, 인천급도 인천급 배치1과 배치2과 완전히 다른 배나 다름없음을 잘 아실 겁니다.
예산을 타기 위해 이런 편법은 해군이 많이 씁니다.
제주 2015.05.14. 13:01
Zenos
배치1에서 배치2로 바뀔때, 대략 천톤 내외의 배수량 변화 정도는 의외로 사례가 꽤 많습니다. 주 추진기관을 갈아엎은 사례도 꽤 되고요. 당장 인천급 배치2만 해도 두 사례 모두에 해당되네요.
78FAA' 2015.04.23. 17:05
해군이 원잠을 추진할 능력도 그럴 의지도 없다는 걸 곧 느끼게 되실 거예요.
지금 해군으론 아예 불가능하고, 앞으로 그나마 개선된 해군이라면 반대할 거예요. 우리가 원잠을 획득하겠다고 한다면....

IAEA, NPT, MTCR 다 때려 치우고, 한미 방위 조약따윈 개에게나 던져 주고 중,일뿐 만 아니라 미,소,영,불,인도,파키, 이스라엘 등등 전세계 모든 핵보유국들과 상호 확증 파괴하려고 덤비겠다고 범지국적으로 선포해야 가능한 일이 될 거예요.

다들 아시겠지만 브라질이 원잠 도입하는 목적에 대해 다시 말씀드리자면,
포클랜드 전쟁 이후 남대서양에서 영국에게 빼앗긴 남미 국가들의 이니셔티브를 복구하는데 브라질이 주도하겠다는 개념에서 추진하는 사업입니다. 남대서양은 메르코수르를 통해 다져진 라틴아메리카의 앞마당이니 앵글로들 꺼지라고 협박하기 위해 원잠 도입하는 것입니다. 상파울루 항모에는 챠크리나루에벳보다도 적은 A-4 2 기 올려 놓은 채 말입니다. 대서양 규모의 제해권을 확보하자니 원잠 정도가 필요하다는 예산상 정당성이 확보되어서 가능한 일입니다. 그렇게 브라질은 자기들 Cash-Cow인 해상 유전, 생산 설비들을 지키고자 합니다.

돌고래 가스전 지키자고 원잠 도입할까요? 메탄 하이드레이트 지키자고 원잠 도입할까요? 동중국해 매장 석유가 30 억 배럴 정도 된다고 하니 거기에 욕심을 내는걸까요? 7광구 협약 만료 시기가 2017년인가요?2020년인가요? 거기에 대비하려면 이미 늦은 것 아닌가요?

제가 해군이 원잠을 도대체 왜? 도입하고자 하는지 이해할 수 없는 이유 중 극히 일부랍니다. 그러면서 언플은 아주 시도때도 없이 날립니다. 기레기들과 물고 빨고 아주 가관이지요. 이렇게 붕괴된 해군에 대한 신뢰....다시 쌓으시는 첩경 중 하나가 이런 어처구니없는 도입 사업의 정리부터일 겁니다. 그렇게 말씀드려도 결국 못할 겁니다. 아마....보통 그렇게 될 경우 역사를 통해서 해당 군종이 분리와 해체, 통폐합을 겪었지요. 해군 수상함정이 앞으로 전쟁에 쓸모가 있을까요? 그 해체의 시작이 대한민국이 되길 간절히 빌어 봅니다.
Zenos 2015.04.23. 17:10
78FAA'
지금 전략원잠과 공격원잠을 헷갈리고 계십니다.
78FAA' 2015.04.23. 18:06
Zenos
우리 입장에서 공격원잠을 가지겠다고, 가졌다고, 가질 수도 있지 않느냐고 말하는 그 순간, 원잠이 운용하는 무기 체계(순항이든 탄도든)의 탄두에 뭐가 들었는지를 배 갈라 내어 보여 줄 게 아니라면 상호 확증 파괴 전략에 발을 들여 놓는 게 된다구요. 북한 식으로 0.001 mm라도 발을 들여 놓게 되면 안보리 이사국과 상호 안보 협력이란 건 개한테나 주게 된다고요~.

이게 어렵습니까?
전략만큼 상대방이 오해하지 않도록 쉽게 제시하는 것도 없는데요. 이솝 우화 수준의 이야기입니다. 너무 깊게 생각하지 마세요.

원잠처럼 핵무기와 같은 전략 무기 체계로 상대방이 이해할 가능성이 있는 무기 체계가 상호 확증 파괴 전략에 휘말리게 하는 원흉입니다.
8인치 포처럼 전술핵 운용 가능한 무기 체계조차 한반도 비핵화 선언에 따라 폐기되었습니다. 그런데 원잠이요?
냉전 당시 핵 전략에 관해 다시 살펴 보시는 게 우선 필요할 것 같습니다.
잉크 2015.05.14. 18:02
78FAA'
공격원잠=전략원잠이란 논리 자체가 맞지 않지만, 공격원잠 도입이 상호확증파괴의 시작이라고 하면 도입해서 치킨 레이스에 설 자격이라도 얻는 편이 현명한 것 같습니다. 아무리 우리가 신사적으로 굴어도 얻는게 없으면 정치적으론 그냥 바보죠.
필라델피아 2016.01.25. 13:37
78FAA'
"IAEA, NPT, MTCR 다 때려 치우고, 한미 방위 조약따윈 개에게나 던져 주고 중,일뿐 만 아니라 미,소,영,불,인도,파키, 이스라엘 등등 전세계 모든 핵보유국들과 상호 확증 파괴하려고 덤비겠다고 범지국적으로 선포해야 가능한 일이 될 거예요."

라고 하셨는데, 이미 북한 SLBM이라는 명백한 위협이 있는만큼 보유목적은 브라질보다 명확하다고 봅니다. 공격원잠과 전략원잠의 차이도 잘 모르시는것같고요.

브라질이야말로 도입목적이 불확실하지요. 대형 재래식 잠수함이나 수상함대로도 충분히 유전정도는 지킬수있습니다. 같은환경의 호주도 중국상대로 재래식잠수함 도입을 추진하고있지요.

그리고 "앵글로들 꺼지라고 협박하기 위해 원잠 도입하는 것입니다" 라고 하셨는데 금시초문일뿐인더러 근거도 없는것같습니다.
eceshim 2016.01.25. 13:47
필라델피아
이분 쫒겨나서 달아도 별 소용이 없습니다
알바리움 2016.01.25. 15:43
필라델피아
저도 읽으면서 한편으로 우리가 아무리 발등에 불이 붙었어도 끄려고 물 부으면 "야! 불 붙었으면 너님네 물로 끄면 되지 왜 마을우물물을 막 끌어다 쓰는거임? 규칙 잊었음?!"

되는거 아닌가 했는데 너무 성급한 생각이었던걸까요? 미국입장에선 자기네 항모한척 보내서 국자젓듯 휘휘 저으면 알아서 길거라고 생각하는 마당에 원자력 기반으로 건조

한다고 하기만해도 중국은 으르렁에 쟤들도 하는데 우린 왜안됨 우리도 고농축해서 원잠돌릴거임 라고 하면 골치아파치니 원천봉쇄 하려고 하지 않을까요? 말씀들 맞다나

기술력으로 인한 현실상 재래식으로 나간다고 해도 나중에 정말 맘먹고 원자로 실으려고 하면 어딜 달어? 어딜 달으냐고?! 라고 할수도 있지 않을까 싶은데... 혹시 공지에 제이름

뜨게 될까 무서워서 안달려다가 저 혼자 갸우뚱해도 도저히 답이 안나와 달고 갑니다. 이번에도 깨우침을 주시기 바랍니다...
초연 2015.04.24. 02:26
괜히 욕심부리지말고 안정된 영국이나 프랑스의 기술을 도입하는게 좋을 것 같습니다.
기사에서 언급한 3천톤급은 아무리 생각해봐도 아닌것 같네요. 그냥 해군에서 이정도로 생각하고 있다 정도로 받아들이면 될 것 같습니다.
나중에 좀더 내부적으로 ROC등을 연구해보고 하면 신뢰성 있는 대강의 아웃라인이 나오지 않을까 합니다.

3천톤급이라는건 그 정도의 사이즈를 말하는게 아닐까 하네요. 지금 만드는 장보고3급 사이즈가 웬만한 아스튜트나 바라쿠다급의 원잠과 비슷한 사이즈라고 들었습니다. 재래식으로 3천톤급이면 원잠으로는 대강 5~6천톤급 정도로 나오지 않을까요??

어쨌든 우리로써 가질수 있는 최고의 무기체계인 만큼 이번 소식은 고무적인 것 같습니다.
eceshim 2015.04.24. 07:37
초연
수중 배수량 3300~3500톤일겁니다
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minki 2015.04.24. 07:12
일부 언론에서는 저 기사나 내용이 오보라고 나옵니다....좀 기다려 봐야 할려나...
빅맨 2015.04.24. 09:26
원자력추진 잠수함은 프랑스나 영국에서 기술을 얻어오는 것이그리고안전할 것 같습니다.
원자력은 안전이 생명입니다.
여러 무기변화등을 봐서 5000톤급 정도는 되어야겠지요. 그리고 수출을 위하여
그리고 500톤급 209급 214급 장보고급은 계속유지
shaind 2015.05.14. 12:44
연료봉 교체를 굳이 오버홀 때 하도록 원자로를 설계할 필요가 있는지도 생각해봐야겠습니다. 잠수함 배 딸 필요 없이 그냥 연료봉 펠릿만 교체하게 만들 수도 있을 것 같은데...

캔두(CANDU)같은 물건을 생각하면 아예 불가능한 건 아닐 것 같은데, 여태 시도가 없는 걸 보면 역시 다른 어려움이 있겠죠?
잉크 2015.05.14. 18:00
결과적으론 해야겠는데, 자신은 없는 무기개발이 이어지는것 같군요...개인적으론 상황이 좀 갑갑합니다. 어쩔수 없다고는 해도.
냐고 2016.01.25. 15:50
해군판 KFX라는 말이 명언이었군요.
구대장 2016.01.25. 16:28
뭐여.. 이번에 새로 해군이 발표한줄알고 들어왔다가 시무룩,,, 밀리돔은 댓글만 새로하나 달려도 메인으로 올라오는지라, 원치않는 낚시질이,,ㅋㅋ

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