[전기·전력상식] 원자로와 핵연료(下)

① 비등수형 원자로(BWR)
비등수형 원자로는 가압수형 원자로보다 먼저 실용화된 것으로 냉각재가 경수이고 별도의 감속재는 없다.
2~3%의 저농축 우라늄을 사용하며 가압기가 없어 냉각재가 직접 원자로 내에서 끓어 수증기로 변한다. 따라서 1차 및 2차 계통이 분리되어 있지 않고 하나로 연결되어 있으므로 전체적인 구조가 간단하다.
또한 가압경수로에 비해 원자로계통의 온도와 압력이 낮으므로 안전성 면에서 유리한 점이 있다. 그러나 1차와 2차 계통이 분리되어 있지 않으므로 사고 시 방사능의 확산 가능성이 크며 원자로 주위에 복잡한 차폐 및 안전설비를 설치해야 한다.
미국, 독일, 일본 등의 국가에서 이 원자로를 보유하고 있으나 가압경수로형이 보다 기술적으로 유리하다는 평가를 받고 있다. 우리나라에는 비등수형 원자로가 없다.

(3) 새로운 원자로
 
① 고속증식로
고속증식로는, 핵분열을 이용하여 에너지를 얻는다는 점에서는 우리가 알고 있는 보통의 원자로와 같으나, 보통의 원자로에서는 별로 활용가치가 없는 우라늄-238을 플루토늄239로 만들어 이를 연료로 사용하기 때문에 천연우라늄의 활용도를 크게 높인다. 즉 고속증식로를 쓰면, 기존의 원자로에 비하여 약 60배 정도 자원의 활용도를 높이므로 에너지문제 해결에 큰 도움을 줄 것이다.
고속이라는 말은 중성자의 속도가 빠르다는 뜻이며, 핵연료가 증식하는 속도와는 관련이 없다. 정확한 뜻은 속도가 빠른(고속)중성자로 핵분열을 일으켜서 핵연료를 천천히 만들어내는 증식노형이라는 뜻이며, 감속재가 필요 없는 발전용 및 핵연료 생산용 원자로이다.
중성자의 에너지가 높을 경우에는 핵분열로 없어지는 플루토늄보다 우라늄-238로부터 생겨나는 플루토늄의 양이 더 많아진다. 이 현상을 핵연료의 증식이라고 하고 이런 원자로를 고속증식로라고 부른다.

② 핵 융합로
태양은 자연계의 거대한 핵 융합로이다. 핵융합로는 수소·중수소·헬륨과 같은 가벼운 원소를 융합시켜 막대한 에너지를 얻는 원자로이다.
여기에 쓰이는 연료인 수소 등은 공기나 바닷물 속에 무궁무진하다. 따라서 핵융합로가 실용화 된다면 인류의 에너지 문제는 충분히 해결될 것으로 보인다.
핵분열을 바탕으로 하는 지금의 원자로와는 달리 핵융합로는 수소 등 가벼운 핵들이 융합하여 보다 무거운 핵으로 되면서 이 반응 때 줄어든 질량에 해당하는 에너지를 발생시킨다.
 

핵융합로는 중수소 또는 3중수소를 연료로 하므로 자원은 무진장하며, 또 핵분열 시와는 달리 핵분열 생성물 등의 강한 방사능 물질이 생기지 않는 이점이 있다. 핵융합로는 풍부한 연료, 적은 방사능, 사고 시 낮은 위험도 등의 장점을 가지고 있으나 실용화에 이르기 위해서는 다음과 같은 몇 가지 기술적인 문제들이 해결되어야 한다.
첫째, 핵융합을 발생시키기 위해서는 4천만~1억4천만℃의 온도가 필요하다. 이 온도에서는 전자들이 모두 궤도를 이탈하며(플라즈마 상태), 핵들은 쿨롱의 반발력을 이기고 융합할 수 있다.
둘째, 핵융합이 일어나기 위해서는 핵들이 충돌할 수 있도록 충분히 가까운 거리에 있어야 하므로 연료의 밀도가 매우 커야 한다. 또 이 같은 두 조건을 만족시키면서 지속적인 연쇄반응을 유지시킬 수 있도록 충분히 오랜 시간동안 연료들이 인접하고 있어야 한다.

(4) 핵연료 가공

핵분열 때 에너지를 발생하는 물질을 핵분열 물질이라 하며, 이를 실제 사용에 적합하도록 처리·가공한 형태를 핵연료라 한다.
핵분열 물질로서 대표적인 것은 천연원소인 우라늄과 토륨 그리고 인공원소인 플루토늄이 있는데 이중에서 우라늄과 플루토늄이 주로 사용되고 있다.
천연우라늄은 U-235와 U-238의 두 가지 동위원소가 있는데, U-235는 전체 함유량의 0.7%에 불과하고, U-238이 99.3%를 차지하고 있다. 그러나 핵분열에 사용되는 동위원소는 U-235이므로 U-235의 함유량을 인위적으로 증가시켜(농축) 사용하고 있다.
 
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※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - [전기·전력상식] 원자로와 핵연료(下)