가압수형 원자로

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가압수형 원자로(加壓水型原子爐, 영어: pressurized water reactor, PWR), 가압 경수로는 압력을 가한 물을 냉각재와, 중성자 감속재로 쓰는 원자로이다. 이 원자로의 이름은 내부 냉각수 순환계통에서는 물에 압력을 가해서 물이 끓지 않도록 만든 데에서 비롯되었다. 가압수형 원자로는 전 세계에서 가장 보편화된 원자로로서, 230개 정도의 원자로는 전력 생산에 쓰이고 몇 백 개의 원자로는 해군 함정을 추진하는 용도로 사용된다. 대한민국 표준형 원전의 원자로도 가압수형 방식을 채택하고 있다.

역사[편집]

초기에 웨스팅하우스 베티즈 원자력 연구소에서 군사적인 목적으로 개발하였으나, 이후 상업적인 목적으로 웨스팅하우스 원자력 위원회에서 개발하였다.[1] 미 육군 원자력 프로그램에서 1954년부터 1974년까지 가압수형 원자로를 운영했다. 스리마일 원자력 발전소에서 처음으로 2기의 가압수형 원자로인 TMI-1과 TMI-2를 가동했는데, 1979년 TMI-2에서 부분적인 노심 용해가 일어나는 바람에 미국에서는 신규 원자력 발전소 건립이 중단되었다.[2]

개요[편집]

가압수형 원자로의 개략도 M는 노심, C는 연료 집합체, D는 제어봉, V는 압력용기, B는 열교환기, P1은 1차 계통, P2는 2차 계통, K는 응축기, T는 터빈, G는 발전기

가압경수로는 원자로 압력용기 안의 핵연료의 연쇄반응이 내는 열로 동작한다. 연쇄반응에서 발생한 열은 연료 집합체와 열 교환기 사이로 순환하는 제1차 계통에 전달된다. 1차 계통의 뜨거워진 물은 증기 발생기로 불리는 열 교환기에서 제2차 계통에 열을 전달하고, 그 결과로 생성된 증기가 터빈발전기를 돌린다. 핵 잠수함에서는 전기가 추진을 위한 모터에 전력을 공급하게 되는 데 비해, 핵발전소에서는 발생한 전기를 전력선에 송전하게 된다. 터빈을 통과한 2차 계통은 응축기에서 온도가 낮춰지게 되고, 증기 발생기로 다시 들어가게 된다. 2차 계통의 폐열은 터빈 배출구로 나오게 되고, 이 폐열을 활용하여 다른 일(온실, 양어장 등)을 할 수 있다.

두 가지의 차이점으로 말미암아 가압경수로와 다른 원자로와 비교가 된다:

  • 가압경수로에서는 두 개의 다른 냉각수 계통이 있는데(1차 계통과 2차 계통), 이 둘에는 일반 물(혹은 경수)가 흐른다. 이와 반대로 비등수형 원자로(BWR)에서는, 냉각수 계통이 하나밖에 없다.
  • 제1차 계통의 압력은 대체로 16 메가파스칼 정도로, 다른 원자로에 비해서 현저히 높은 압력이다. 1차 계통에는 압력에 대한 기체 법칙의 영향으로 원자로가 정상가동을 할 때 절대로 끓지 않게 된다. 이와 반대로, 비등수형 원자로에서는 1차 계통의 냉각수가 노심안에서 끓어 터빈을 돌린다.

가압수형 원자로 설계[편집]

냉각재[편집]

경수는 PWR에서 1차 계통에서 쓰이며, 1차 계통의 온도는 약 315도 정도 된다. 1차 계통을 흐르는 물은 높은 압력(보통 2000 psig, 15 MPa, 기압의 150배 정도 되는 압력) 때문에 끓지 않는다. 1차 계통에서 흐른 가열된 물은 2차 계통(대부분의 디자인에서, 온도는 약 275도, 압력은 900 psig, 6.2 MPa정도의 압력)에 흐르는 물을 포화 수증기로 만들어서 증기터빈으로 보낸다.

상업적인 가압경수로는 냉각재가 흐르는 양이 일정하지만 미 해군에서 사용하는 원자로는 냉각재가 흐르는 양을 조정할 수 있다.

감속재[편집]

가압 경수로는 연쇄반응을 유지하기 위해서 빠른 중성자를 원자로에 느리게 하는(이 과정을 감속이라고 한다) 열반응로 디자인과 비슷한 면이 있다. 많은 물 분자들은 중성자와 크기가 거의 같아서, 중성자와 충돌을 많이하고 중성자의 속도를 낮추게 된다. 이 중성자 "감속"은 물분자의 밀도가 높을수록 더 잘된다. 가압 경수로의 냉각수는 물 분자내의 경수소 원자가 중성자의 속도를 낮추는 구조로 되어 있다. 물을 사용하는 것은 가압 경수로의 중요한 안전장치중 하나인데, 물의 온도가 올라가면 물은 팽창하게 되고, 물분자의 밀도가 낮아져서, 연쇄반응이 낮아지게 되고, 원자로의 반응도 낮아지게 된다(보이드 효과). 그 까닭에 원자로가 이상작동하게 되면, 감속비율은 낮아지게 되고, 노심 온도는 낮아지게 된다. 이런 고유의 안정성은 가압 경수로를 매우 안정성 있게 만든다. 그러나 체르노빌 사고 기종인 RBMK(흑연감속 비등경수 압력관형 원자로)는 열반응이 높아지면, 냉각수 온도가 높아져 안정성이 떨어진다. 이런 RBMK의 결함있는 디자인은 체르노빌 사고의 요인 중 하나로 꼽힌다.

연료[편집]

가압경수로의 연료 집합체 이 연료 집합체는 원자력 여객&화물선인 NS 서배너호의 가압경수로에서 사용된 것이다.

가압 경수로에서 쓰이는 연료는 235U가 일정 비율 농축된 우라늄을 사용한다. 농축이 끝난 이산화 우라늄(U02) 가루를 소결(녹는점 이하의 온도로 가열했을 때, 가루가 녹으면서 서로 밀착·고결을 이용하는 현상)시켜 이산화 우라늄으로된 세라믹 펠릿을 만든다. 이렇게 원통형으로 만든 펠릿을 부식에 견디는 지르코늄 합금(지르코니)에 넣고, 열 전달을 돕기 위해서 헬륨지르코니 봉에 주입하게 된다. 완성된 연료봉은 연료 집합체에 묶이게 되고, 이것을 연료 다발이라고 부르는데, 이것을 원자로의 노심에 장전하게 된다. 안전하게 적용된 가압경수로의 설계는 분열된 우라늄이 초래하는 급속한 연쇄반응을 허용하지 않는다. 급속한 연쇄반응이 일어나지 않게 하는 것은 매우 중요한데, 급속한 연쇄반응이 일어나게 되면 빠르게 여분의 에너지가 생성되게 되어 원자로에 손상을 주거나, 멜트다운(원자로 노심 용융)사태를 불러일으키기도 한다(체르노빌 사고가 일어난 것이 이것 때문일 수도 있다). 전형적인 가압경수로의 연료집합체는 200개에서 300개정도의 연료봉이, 원자로에는 150개에서 250개 정도의 연료 집합체가 들어가게 된다. 여기에 들어가는 우라늄은 80에서 100톤 정도 되는 양이다. 일반적으로 연료 집합체는 연료봉의 다발이 14X14, 17X17개로 유지한다. 가압경수로의 연료다발의 길이는 약 4미터 정도 된다.

가압경수로의 압력용기

제어[편집]

많은 상업용 가압경수로와, 군사용 가압경수로는 보통 1차 계통에 집어넣는 붕산의 양으로 원자로 출력을 조정한다. 붕산은 즉시 중성자를 흡수하므로, 중성자에 의한 연쇄반응을 줄여서 원자로를 제어하는 것이다. 전체 제어 시스템은 고압력 펌프(보통 가압&이완 시스템)가 포함되는데, 이 펌프는 고압의 1차 계통의 물을 넣고 뺌으로, 붕산의 농도를 다르게 한다. 이와 대조적으로 비등수로 원자로에서는 붕산을 사용하지 않고, 냉각수의 흐름으로 출력을 조정한다. 붕산이 부식성이 강하다는 점과 가압수형 원자로와 달리 가압, 이완 시스템이 필요 없다는 점 때문에 비등수형 원자로의 설계가 더 향상되었다고 볼 수 있다. 그렇지만 많은 비등수형 원자로의 비상정지 시스템에는 냉각수에 높은 농도의 붕산을 넣는 체제가 포함되어 있으며, CANDU도 또한 붕산이 연쇄반응을 끌 수 있는 보조수단으로 사용되고 있다.

또 다른 제어수단인 제어봉은 압력용기에서 연료 집합체로 들어가며 보통 첫 운전 때나 가동 중단을 할 때 사용한다. 해군 원자로에서는 제어봉의 높이로 출력을 조절하게 된다.

5중 방호벽[편집]

제 1방호벽(펠렛) : 화학적으로 안정된 이산화우라늄을 굳혀서 구운 연료체로서 우라늄의 핵분열에 의하여 생기는 방사성물질의 대부분이 펠렛 안에 갇힌다.

제 2방호벽(피복재) : 핵연료 펠렛을 둘러싸고 있는 핵연료 봉으로서 지르칼로이라는 특수합금의 금속관에 넣어져 밀봉되므로 펠렛에서 나온 적은량의 가스는 이 피복재안에 밀폐된다.

제 3방호벽(원자로 용기) : 핵연료 집합체들과 원자로 냉각재를 담고 있는 두께 20cm 이상의 강철로 된 용기이다.

제 4방호벽(차폐콘크리트벽): 원자로 주위를 둘러싸고 있는 두꺼운 콘크리트벽으로서 방사선이 밖으로 새어나오는 것을 막아준다.

제 5방호벽(격납용기) : 원자로, 냉각재 계통, 안전계통 및 그 보조계통들이 모여있는 공간 전체를 포용하는 두꺼운 강철구조물을 말하는데 만일의 사태가 발생하여도 방사성물질은 격납용기안에 밀폐된다.

제 5-1방호벽(생물학적 차폐벽) : 강철 격납용기 바깥에 70~100cm의 두꺼운 철근 콘크리트 건물로서 최종적인 방벽역할을 한다. 격납용기와 같이 돔 형태이며 방사성물질이 외부환경으로 나가는 것을 방지한다.

만일사고시 방사능물질을 외부에 차단 해주는 안전한 원전건물이다.

주석[편집]

  1. 원자력발전소종류. 국제원자력안전학교. 2012년 4월 7일에 확인.
  2. 50 Years of Nuclear Energy. IAEA. 2012년 4월 7일에 확인.

함께 보기[편집]

바깥고리[편집]