원자로

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스위스의 로잔공과대학의 소형 연구로인 CROCUS의 노심

원자로(原子爐) 또는 핵 반응로(核反應爐, 영어: nuclear reactor)는 연쇄 반응을 일으켜, 적절한 수준까지 조작하여 에너지를 얻는 장치이다. 원자로는 대부분 전기 에너지를 만드는 데 사용된다. 또한 몇몇 선박에서 동력으로 사용된다. 원자로를 이용하여 선박의 동력을 공급하거나, 혹은 전기 에너지를 만들기 위해서 원자로에서 생성되는 열에너지를 가지고 증기 터빈을 돌리는 방법이 주로 사용된다.

동작 방법[편집]

북 캐롤라이나 주립대학의 Pulstar 연구용 원자로. 이 원자로는 압력용기가 없는 연구용 원자로(풀형 원자로)로써, 4% 농축된 UO2를 지르코늄 합금으로 싼 펠릿으로 된 연료봉을 사용한다
북 캐롤라이나 주립대학교의 Pulstar 원자로의 제어실

이 목록은 대부분의 원자력 발전소에서 쓰이고 있는 주요 구성요소들이다.

일반적인 화력 발전소는 가스나, 석탄, 혹은 석유를 가지고 열을 공급한다. 원자력 발전소의 경우, 원자로안에서 발생하는 핵분열에서 열을 얻는다. 비교적 큰 분열하기 쉬운 원자핵(보통 우라늄 235나, 플루토늄 239)을 중성자와 부딪치면, 분열 생성물로, 두개 혹은 여러 작은 원자들이 생성되고, 에너지와 중성자가 나오는 것을 가리켜 핵분열이라고 한다. 핵분열에서 발생한 중성자는 다른 핵분열의 방아쇠가 되는데, 이렇게 핵분열이 연쇄적으로 일어나는 현상을 연쇄 반응이라고 한다. 원자력 발전소는 이 연쇄반응을 조절해, 여기서 나오는 열로 물을 끓여, 터빈을 돌려 전기를 만든다. 만약 원자로가 이 연쇄반응을 제어하지 못한다면, 핵폭발이 일어날 가능성이 있다. 만약 원자로가 제어범위를 넘어가게 되면, 원자로 노심이 핵폭발로 인해 변형되어, 노심 용융 사고가 일어나게 된다. 대부분의 원자로에서는 천연 우라늄(99.2745%는 우라늄 238, 0.72%는 우라늄 235, 0.0055%는 우라늄 234)보다 우라늄 235를 좀 더 농축한 농축 우라늄(2~4%)을 연료로 쓴다.

원자로 종류[편집]

핵반응에 대한 분류[편집]

  • 핵분열. 대부분의 원자로, 특히 모든 상업용 원자로들은 핵분열에 기초하고 있다. 핵분열 원자로는 대부분 우라늄을 연료로 쓰지만, 몇몇 실험용 원자로에서는 토륨을 사용하기도 한다. 핵분열을 사용하는 원자로는 2가지 분류로 나눌 수 있으며, 이 분류는 연쇄반응에 사용되는 중성자의 에너지에 대해서 구분한다:
    • 열 중성자 반응로는 느리거나 혹은 에너지가 적은 열 중성자를 사용한다. 대부분의 원자력 발전소들은 이 유형을 사용하고 있다. 여기에는 중성자의 운동에너지를 상쇄시켜 열 중성자로 만드는 여러 중성자 감속재가 사용된다. 열 중성자는 우라늄 235와 잘 분열하며, 반대로 에너지가 높은 중성자는 우라늄 238과 잘 분열한다. 감속재와 동시에, 열 중성자 반응로는 분열가능한 연료, 격납 건물, 압력용기, 차폐물, 그리고 원자로의 상태를 감시하고 제어할 수 있는 기계가 필요하다.
    • 고속 중성자 반응로는 열 중성자 반응로와 다르게, 에너지가 높은 빠른 중성자를 사용한다. 그래서 이 반응로에는 중성자의 에너지를 떨어뜨릴 감속재가 불필요하다. 고속 중성자 반응로는 열 중성자보다 우라늄 235에 대한 반응 효율이 낮기 때문에, 농축 우라늄(그리고/혹은 플루토늄 239를 농축하기도 한다)을 필요로 한다. 일반적으로 고속 반응로는 폐기물이 낮고, 그리고 대부분 반감기가 낮은 폐기물을 생성한다. 그러나 고속 반응로를 건설하고 운영하는 데 열 중성자 반응로보다 더 많은 비용이 소모된다. 전체적으로, 고속 반응로는 열 중성자 반응로하고 많은 면이 같지 않다. 고속 반응로의 표준은 지금도 계속 진행 중이다.
  • 핵융합은 아직까지 실험 중인 기술이며, 수소를 연료로 한다. 아직은 발전용도에 쓰기엔 부족하고, Farnsworth-Hirsch fusor은 중성자 선을 만드는 데 사용하고 있다.
  • 방사성 붕괴. 여기에는 원자력 전지와, 방사성동위원소 열전기 발전기(radioisotope thermoelectric generator, RTG)가 여기에 포함된다. 이것들은 방사성 동위원소가 붕괴되면서 나오는 열을 사용하는 것으로, 미래에 에너지를 생산할 가장 좋은 방법으로 여겨지고 있다.

감속재에 대한 분류[편집]

이 분류는 열 중성자 반응로에 해당한다.

  • 흑연 감속 반응로
  • 물을 중성자 감속재로 사용하는 반응로
    • 중수 감속 반응로
    • 경수 감속 반응로 (LWRs). 경수는 일반 물(경수)을 원자로의 냉각수와 감속재로 사용하는 원자로이다. 원자로의 온도가 올라가게 되면, 물은 조밀도가 올라가게 되어, 적은 수의 중성자가 지나갈 수 있게 되어, 출력이 낮아지게 된다. 흑연과 중수를 감속재로 사용하는 원자로는 경수로보다 더 많이 중성자를 감속시킬 수 있다. 이런 점 때문에, 중수로나 흑연 감속로는 천연 우라늄을 사용한다.
  • 경원소 감속 원자로. 이들 원자로는 리튬이나 베릴륨을 감속재로 사용한다.
    • 용융염 원자로는 리튬이나 베릴륨같은 가벼운 원소를 사용하며, 이 원자로는 냉각/연료 계통의 용윰염을 LiF와 BeF2로 구성되어 있다.
    • 액화 금속 냉각 반응로는 납과 비스무트를 혼합한 것을 냉각제로 쓰고 있으며, BeO가 감속재로 쓰이고 있다.

냉각제에 따른 분류[편집]

  • 물로 냉각하는 원자로
    • 가압수형 원자로 (PWR)
      • 가압수형 원자로는 일반적인 발전소와 해군쪽에서 가장 많이 쓰이는 방식이다. 가압수형 원자로는 원자로와 증기발생기 사이에서 흐르는 고온고압의 1차 계통과, 증기발생기에서 터빈으로 흐르는 2차 계통으로 구분되어 있다.
    • 비등수형 원자로 (BWR)
      • 비등수형 원자로는 일반 화력발전소하고 같은 방식으로 원자로에서 흐르는 냉각수가 원자로 내부에서 끓어, 터빈을 돌리는 방식이다.
    • 풀장 원자로(격납용기가 없는 원자로)
    • 초임계압 경수 냉각 고속로 (SCWR)
      • 초임계압 경수 냉각 고속로는 비등수형 원자로와 디자인이 비슷하나, 노심에 흐르는 냉각수와 감속재가 초임계유체라는 점이 특징이다.
  • 액화 금속 냉각 원자로. 물이 감속재로 쓰여온 이후, 물은 고속 반응로에서 쓸 수 없게 되었다. 발전소에서 사용되는 고속 반응로들은 냉각제로 액화 금속을 채용하고 있다. 그렇지만 연구는 계속 가스 냉각 원자로 쪽에 지속되고 있다.
  • 가스 냉각 원자로는 비활성 가스를 냉각제로 쓰는 것으로, 보통 헬륨, 질소 그리고 이산화탄소를 사용한다. 몇몇 원자로에서는 가스가 충분히 뜨거워, 가스 터빈을 직접적으로 돌리고 있다. 예전의 가스 냉각형 원자로에서는 가스가 열 교환기를 거쳐, 증기 터빈을 돌리도록 되어 있었다.
  • 용융염 원자로는 용융염을 가지고 냉각시키는데, 대표적으로 LiF와 BeF2같은 같이 녹는 불화염을 사용한다. 보통의 MSR의 냉각재는 녹지 않는 용융염과 같이 사용된다.

세대순에 대한 분류[편집]

사용에 따른 분류[편집]

  • 전기생산
    • 발전소
  • 추진 동력원
  • 위 방법을 제외한 열 에너지의 이용
    • 해수의 탈염(해수담수화 공장)
    • 가정이나 기업체에 필요한 열을 공급
    • 수소 경제에 필요한 수소 생산
  • 핵변환 물질을 만들어내는 원자로
    • 증식로. 고속 증식로는 농축 우라늄에 의한 연쇄반응과 함께, U-238을 Pu-239로 변환한것을 다시 연쇄반응에 사용하는 원자로이다. 이건 고속증식로가 가동하게 되면, 더 많은 연료가 생성되고, 원자로는 만들어진 연료를 사용한다는 것으로, 이 원자로가 가동하면, 천연 우라늄이나, 심지어 U-235가 없는 우라늄을 연료로 사용할 수 있게 된다.[1]
    • 연기 감지기에 사용되는 아메리슘이나, 의료용 목적으로 사용되는 Co-60, Mo-99같은 방사성 동위원소를 만들어낸다.
    • 핵무기에 쓰이는 무기급 플루토늄을 만들어낸다.
  • 중성자 방사화학 분석이나, 칼륨-아르곤 연대측정에 필요한 중성자선과 양전자선의 선원을 공급해 준다.
  • 연구용 원자로: 이 원자로들은 연구와 실습, 물질 실험, 그리고 의료와 산업분야에 사용되는 방사성 동위원소를 만들어낸다. 이것들은 선박에 사용되는 원자로보다 출력이 낮으며, 많은 대학교 교정이나 연구소에 설치되어 있다. 연구용 원자로는 56개 나라, 280개가 현재 운영되고 있다.[2]

현대 원자로의 종류[편집]

여기에는 현재 사용되고 있는 원자로의 2가지 분류가 나와 있다:

  1. 원자로는 분열 물질의 임계값 이상의 연쇄 반응을 조절하여 열을 만들어낸다. 여기에는 임계분열 원자로의 하위유형이 여러 가지 있으며, 이건 또 1세대, 2세대, 3세대로 나눌 수 있다. 모든 가압수형 원자로의 현대의 표준 원자로 디자인과 비교된다.
    A. 가압수형 원자로
    이 원자로는 냉각재와 감속재를 고압의 (심지어 초고온이기도 한) 물을 사용한다. 가압수형 원자로는 현재 대부분의 원자로를 차지하고 있으며, 비록, 스리마일 섬 원자력 발전소의 원자로(1979년도 스리마일섬 원자력 발전소의 노심이 용융하는 사고가 발생하였다)가 저 노형이긴 하지만, 일반적으로 안전하면서도 신뢰성이 높게 간주하고 있다. 가압수형 원자로는 열 중성자 반응로 디자인을 따르고 있으며, 새롭게 개발중인 개량 가압수형 원자로유럽형 가압수형 원자로 그리고 미국 해군에서 사용하는 원자로는 모두 이 형식에 들어간다.
    B. 비등수형 원자로
    이 원자로는 물을 냉각재와 감속재로 사용하지만, 가압수형 원자로처럼 압력을 가하지 않는다. 물은 원자로 안에서 끓게 되어, 그 증기는 바로 터빈을 돌리므로 열효율이 다른 원자로보다 높으면서, 구조도 간단하며, 심지어 잠재적으로 안정적이기 까지 하다. 이 원자로는 현대에 지어진 원자로중에서 많은 비중을 차지한다. 이 원자로도 또한 가압수형 원자로와 같이 열 중성자 반응로 디자인을 따르고 있으며, 새롭게 개량 비등수형 원자로가 여기에 들어간다.
    C. 가압 중수로
    이 원자로는 캐나다에서 디자인 되었다(보통 CANDU라고 한다). 이들 원자로는 가압수형 원자로하고 구조는 같으나, 냉각재와 감속재가 중수라는 점이 다를 뿐이다. 가압수형 원자로의 커다란 압력용기 대신, 가압 중수로는 압력 튜브를 사용하여 연료를 집어넣는다. 이 원자로는 천연 우라늄을 사용할 수 있으며, 열 중성자 반응로의 디자인을 따른다. 가압 중수로는 운전중에 연료를 교환할 수 있으며(이건 노심의 변화를 정확하게 제어할 수 있을 수 있다.). CANDU 가압 중수로는 캐나다, 아르헨티나, 중국, 인도(NPT 이전),파키스탄(NPT 이전), 루마니아, 그리고 대한민국에 건설되어 있다.
    D. 흑연감속 비등경수 압력관형 원자로(Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalniy, RBMK)
    이 원자로는 소련에서 디자인 되었으며, 전력뿐만 아니라, 플루토늄도 생산할 수 있는 원자로이다. RBMK는 냉각재로 경수를 사용하고, 흑연을 감속재로 사용한다. RBMK는 CANDU와 동일하게 PWR형의 압력용기 대신에, 압력 튜브를 사용한다는 점과 또한 운전 중에 연료를 교환할 수 있는 점에서 서로 닮아 있다. 그러나 CANDU와 다르게, RBMK는 매우 불안정하고 격납 건물이 없어서 사고가 나면 매우 위험해지는 단점이 있다. 체르노빌 사고이후에 RBMK에 대한 여러 결점이 고쳐졌으며, RBMK 원자로는 일반적으로 세계에서 가장 위험한 사용 중인 원자로 디자인 중 하나에 들어간다. 체르노빌 원자력 발전소에서는 RBMK 원자로 4기가 있었고, 모두 가동을 중단한 상태이다.
    E.가스 냉각형 원자로와 개량 가스 냉각형 원자로
    이 원자로는 일반적으로 흑연으로 감속하며, CO2를 냉각재로 사용한다. 가스 냉각형 원자로는 PWR과 비교할 만한 높은 열 효율을 보여준다. 이 디자인으로 가동되는 원자로들은 이 디자인을 개발한 영국에서 많이 쓰이고 있다. 가스 냉각형 원자로의 예전 디자인(마그녹스)은 멀지 않은 미래에 모두 가동을 중단하게 될 것이다. 그러나 마그녹스를 개량한 개량 가스냉각로는 10년에서 20년 동안 더 운전될 것이다. 가스 냉각형 원자로도 열 중성자 반응로의 디자인을 따른다. 이 노형은 노심의 부피가 크기 때문에 폐로하는 비용이 비싸다.
    F. 액체 금속 냉각형 고속 증식로 (LMFBR)
    이 원자로는 감속재가 없고, 냉각재로 액체 금속을 쓴다. 그리고 소모한 연료보다 더 많은 연료를 만들어낸다. 이 원자로는 PWR의 여러 기능적인 부분과 많이 닮았으며, 그리고 고압 격납용기가 필요하지 않다. 액체 금속은 압력을 가할 필요가 없으며, 심지어 매우 뜨겁기까지 하다. 프랑스의 슈퍼피닉스와 미국의 페르미-1과, 일본의 몬주 원자로가 이 형식을 사용하고 있다. 몬주 원자로는 1995년도에 나트륨 유출사건이 일어난 적이 있고, 2008년 재가동을 승인받았다. 세 원자로는 액화 나트륨을 사용하고 있다. 이들 원자로는 빠른 중성자를 사용하며, 열 중성자 반응로의 디자인을 따르지 않는다. 이들 반응로는 2가지 분류를 향해 나아가고 있다:
    납 냉각재를 사용하는 고속 반응로
    납을 액체 금속으로 사용하는 건, 우수한 방사선 차폐효과와 더불어 높은 온도를 만들 수 있다. 또한 납은 우수한 투명성을 지니고 있어서, 열 중성자는 냉각재에서 없어져버리고, 냉각재는 방사능을 띠지 않게 된다. 나트륨과 다르게, 납은 비활성이라 폭발이나 사고 위험성이 매우 적다. 그러나 많은 양의 납은 인체에 미치는 독성과, 그 처분에 주의해야 한다.
    나트륨 냉각재를 사용하는 고속 반응로
    대부분의 액체 금속 냉각형 고속 증식로는 이 형식을 사용한다. 나트륨은 비교적 손에 얻기 쉽고 또한 작업하기에도 편하며, 다른 원자로의 부분들이 부식되지 않도록 막아주는 역할도 한다. 그러나, 나트륨은 물과 반응하면 폭발하는 성질이 있기 때문에, 매우 조심스럽게 다뤄야 한다.
  2. 방사성 붕괴로 발생하는 열을 이용하는 방사성동위원소 열전기 발전기(Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG).
    몇몇 방사성동위원소 열전자 발전기는 우주 탐사선의 동력원으로 사용되고 있으며(예를 들어 카시니-호이겐스 탐사선)과 소련의 여러 등대의 동력, 그리고 몇몇 페이스메이커에 사용되기도 하였다. RTG는 방사성 동위원소에서 나온 열을 열전자 효과에 의해, 전기적으로 변환한다.

핵융합로[편집]

핵융합을 제어할 수 있다면, 값싼 연료로 엄청난 에너지를 얻을 수 있을 것이다. 그러나 여기엔 중대한 과학적·기술적 문제가 쌓여 있다. 몇몇 융합로가 건설되었지만, 아직 전기적으로 공급해준 에너지보다 더 많은 에너지를 만들어내지 못하고 있다. 1950년대부터 연구를 시작했음에도 불구하고, 2050년 이후에나 상업용 핵융합 발전소가 문을 열 것이라고 예상하고 있다. ITER계획은 현재 상업적 핵융합을 이루기 위해 노력하고 있다고 한다.

핵연료 주기[편집]

열 중성자 반응로는 일반적으로 정제된 농축우라늄에 의존한다. 그리고 몇몇 원자로는 MOX연료(우라늄+플루토늄 혼합 연료)를 사용한다. 이 과정은 우라늄광석이 채광, 제련, 사용, 가능하다면 재처리와 처분에 이르기까지의 과정을 핵연료 주기라고 부른다.

원래 천연우라늄에는 1%정도의 분열가능한 235U가 포함되어 있고, 몇몇 원자로들은 이 235U를 농축시킨 연료를 필요로 한다. 농축우라늄은 235U의 양을 좀 더 늘리는 것으로, 235U를 농축시키는 데는 보통 기체 확산법과 원심분리기법(U-235와 U-238의 무게차이를 이용한 방법), 레이저 확산법등을 사용한다. 농축과정이 끝나고 우라늄은 우라늄 이산화물(UO2) 가루로 전환하여, 펠릿 틀에 집어넣고 압력과 열을 가한다. 이렇게 만들어진 펠릿은 가느다란 튜브에 집어넣는데, 이 튜브를 가리켜 연료봉이라고 부른다. 원자로에는 여러 개의 연료봉을 묶은 연료집합체가 들어가게 된다.

대부분의 상업용 비등수형 원자로가압수형 원자로는 4%정도의 농축 우라늄을 사용하고, 몇몇 상업용 원자로(흑연이나, 중수를 감속재로 사용하는 경우)들은 감속재의 효과가 좋아 천연 우라늄을 사용하기도 한다.

원자로 안에 들어간 235U와 238U는 핵분열 과정에 사용된다. 235U는 열 중성자를 흡수, 분열을 하게 되며, 반대로 238U는 고속 중성자를 흡수하여 239U로 변하게 된다. 239U는 곧 방사성 붕괴를 일으켜, 239Pu로 변하게 된다. 넣은 연료(235U)보다 더 많은 연료(239Pu)를 만들어내는 고속증식로에서는 이 239Pu를 사용해서 발전을 하고 있다. 플루토늄 239는 실용적인 연료일 뿐 아니라, U-235와는 달리, 열중성자나 고속 중성자나 다 잡아서 분열해버리기 때문에 235U 보다 더 좋은 연료로 평가받고 있다.

원자로의 연료장전[편집]

핵연료는 24시간 동안 쉬지 않고 에너지를 내뿜는다. 이 때문에 원자로는 24시간 가동되어 최고 출력의 열 에너지를 계속 생산해낸다. 이 "최고 출력시간"은 연료 집합체 속에 든 235U의 양에 따라 변화하는데, 연료집합체를 장전할때 235U가 장전하는 연료 집합체 안에 많이 들어가 있으면, 오랫동안 최고출력을 유지할 수 있을수 있다.

이 최고 출력시간이 끝날 때쯤 되면, 연료가 들어있던 집합체는 "연소"된 것으로 보고, 다른 새 연료 집합체로 교체하게 된다. 원자로의 노심의 연료를 교체할시엔 비등수형 원자로에서는 1/4정도를 교체하고, 가압수형 원자로 같은 경우엔 1/3정도를 교체한다.

모든 원자로가 연료를 교체할 때 운전을 정지해야 되는건 아니다; 예를 들어, 페블베드 원자로, RBMK형 원자로, 용융염 원자로, 마그녹스, AGR 그리고 CANDU는 원자로 가동 중에도 연료를 갈아끼울 수 있다. CANDU의 경우, 연료를 원자로 노심의 다른 방향에 끼울 수 있는데, 이것으로 인해서 235U의 양이 적절하게 조절될 수 있다.

천연 원자로[편집]

원자로가 현대 문명의 산물인 것처럼 보이지만, 실제 지구에서 최초의 원자로는 먼 옛날에 천연적으로 만들어진 것이다. 천연 원자로의 전체적인 환경은 현대의 원자로의 상태와 비슷한 것으로 보이고 있다.[3] 15개의 천연 원자로는 서아프리카 오클로의 우라늄 광산의 독립된 3개의 퇴적층 아래에 있었다. 1972년 프랑스의 물리학자인 프랜시스 페링(Francis Perrin)이 오클로 화석 원자로의 집단을 발견하였다. 이들 원자로는, 1억 5천만 년 전에 가동된 것으로 추정하며, 시간당 평균 약 100 kW정도의 출력을 내온 것으로 추정하고 있다. 이 자연 원자로에 대한 개념은 1956년 아칸소 대학교의 폴 구로다 교수에 의해 이론화되었다.[4][5]

이 원자로들은 U-235의 방사성붕괴로, 천연에 존재하던 우라늄 235의 함량이 낮아졌기 때문에, 연쇄 반응을 떠받칠 만한 양이 부족하여 연쇄반응이 중단되었다.

천연 원자로는 우라늄이 풍부한 퇴적층에 범람한 물이 중성자 감속재 역할을 하는 모양으로 되어 있으며, 천연원자로에서 강력한 연쇄 반응이 일어나면, 물은 연쇄반응에서 발생한 열 때문에 증발해버리고 감속재가 사라진 원자로의 출력은 다시 내려가서, 노심용융을 예방하였다. 이 핵반응은 100년에서 1,000년 정도 지속된 것으로 추정하고 있다.

같이 보기[편집]

주석[편집]

  1. A Technology Roadmap for Generation IV Neuclear Energy Systems, a PDF Files, see "Fuel Cycles and Sustainability"
  2. World Nuclear Association Information Brief -Research Reactors
  3. Video of physics lecture - at Google Video; a natural nuclear reactor is mentioned at 42:40 mins into the video
  4. Oklo: Natural Nuclear Reactors. 《Office of Civilian Radioactive Waste Management》. June 28, 2006에 확인.
  5. Oklo's Natural Fission Reactors. 《American Nuclear Society》. June 28, 2006에 확인.

바깥 고리[편집]