[전기·전력상식] 원자로와 핵연료(中)

(2) 원자로의 종류

① 가압수형 원자로
발전용 원자로 중에서 현재 가장 널리 사용되고 있는 것은 물냉각 원자로이다.
물냉각 원자로는 비등 여부에 따라 가압수형과 비등수형으로 나누어진다. 가압수형 원자로는 감속재 및 냉각재로써 경수를 사용하는 원자로와 중수를 사용하는 원자로가 있는데, 이 노형의 특징은 냉각재가 노내에서 끓지 않도록 100~160kg/㎠의 압력을 가한다는 것이다.
물에 높은 압력을 가하면 어느 정도 높은 온도에서도 끓지 않는데 핵분열과 열제거의 면에서 보면 물은 액체상태일 때가 기체상태일 때 보다 훨씬 좋은 성능을 발휘한다.

A. 가압경수형 원자력발전소(PWR)

가압경수형 원자력발전소는 평균 3%정도의 농축 우라늄을 연료로 사용하고 1차계통과 2차계통이 서로 직접 접촉하지 않고 분리되어 있기 때문에 방사선 차폐가 잘 되어 있다. 냉각재로는 보통의 물(경수, H2O)을 사용하고 감속재는 따로 없다.
1차계통은 완전히 폐쇄된 회로로써 냉각재 펌프에 의하여 강제로 물이 순환되고 있다. 원자로를 통과하면서 가열된 물은 증기발생기로 가서 그 곳에서 2차계통에 열을 전달하고, 이때 온도가 낮아진 물은 냉각재 펌프에 의하여 다시 원자로 입구로 들어간다.
원자로와 증기발생기 사이에 있는 가압기에는 별도의 전기가열기가 있어 전열기에 의해 가압기내에 증기를 일부 발생시켜 그 증기의 힘으로 1차계통보다 온도가 높다.
2차계통에서는 1차계통으로부터 열에너지를 받은 물이 1차계통보다 낮은 압력의 증기로 변하여 터빈을 돌린다. 즉 급수펌프에 의하여 증기발생기로 들어온 물은 증기발생기 내부의 1차계통의 냉각재로부터 U자 모양의 관을 통해 열을 받아 수증기로 변한다.
2차계통은 1차계통보다 압력이 훨씬 낮으므로 낮은 온도에서도 증기가 발생될 수 있다. 이렇게 해서 생긴 증기는 증기발생기를 빠져나와 터빈의 날개를 돌리며, 터빈은 다시 같은 축에 연결되어 있는 발전기를 돌려 전기를 발생시킨다.
가압경수로는 세계적으로 가장 안전하고 경제적인 원자로로 평가받고 있다. 우리나라에는 현재 11기의 원자로가 가동 혹은 건설 중인데 그중 10기가 가압경수로형이다.

B. 가압중수형 원자력발전소(PHWR)

가압중수형 원자력발전소는 값싼 천연우라늄을 핵연료로 사용하는 대신 감속재와 냉각재로 값비싼 중소(D2O)를 사용한다. 가압중수로 중 대표적인 것은 카나다가 개발한 카나다형 중수로(CANDU라 부름)로서 우리나라 원자력 3호기가 바로 이것이다.
가압중수로 역시 1차계통과 2차계통이 완전히 분리되어 있고, 열교환은 증기발생기에서 이루어진다.
2차계통은 가압경수로와 같으나 1차계통은 조금 다르다. 1차계통에는 열전달을 위한 냉각재 계통이 있다. 가압경수로와 같은 원리로 냉각재(중수)는 냉각재 펌프에 의하여 칼란드리아라고 부르는 수평형 원통 원자로속을 관통한다. 이때 원자로에서 발생한 열을 냉각재에, 다시 냉각재의 열은 2차계통으로 옮겨져서 드디어 발전에 이용하게 된다.
큰 통으로 되어있는 가압경수로와는 달리 칼란드리아는 격리된 여러 개의 채널로 구성되어 있어 각 채널마다 연료가 들어 있고 그 주위를 냉각재가 흐른다. 따라서 경수로 보다는 핵연료 교환이 훨씬 쉽다.
경수로는 1년에 한번 정도 원자로를 정지시켜, 원자로 뚜껑을 열고 그 속에 있는 핵연료의 1/3정도를 바꾸어 채워야 하지만 중수로는 수백 개의 핵연료막대가 분리된 채널 속에 각각 들어있으므로, 채널만 정지시킨 상태에서 수시로 몇 개씩 간단히 교체할 수 있다.
즉 운전 중 교체가 가능하므로 발전소의 가동률이 높으며 우리나라의 월성 원자력 발전소는 이용률 세계 1위의 기록을 갖고 있다.
중수로는 천연우라늄을 사용하므로 핵분열을 일으킬 수 있는 확률이 경수로에 비해 낮으므로 핵분열 시 발생하는 고속중성자를 잘 감속시켜야 할 필요가 있다. 따라서 반드시 감속재를 별도로 사용하고 있다.

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※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - [전기·전력상식] 원자로와 핵연료(中)