가압수형 원자로

가압수형 원자로(加壓水型原子爐, Pressurized water reactors, PWRs)는 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.

개략

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 원자로에서는, 냉각수 계통이 하나밖에 없다.
• 제1차 계통의 압력은 대체로 16 파스칼 정도로, 다른 원자로에 비해서 주목할 만한 압력이 아니다. 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

냉각재

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

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

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 헬륨을 지르코니 봉에 주입하게 된다. 완성된 연료봉은 연료 집합체에 묶이게 되고, 이걸 연료 다발이라고 부르는데, 이걸 원자로의 노심에다 장전하게 된다. 안전하게 적용된 가압경수로의 설계는 분열된 우라늄이 초래하는 급속한 연쇄반응을 허용하지 않는다. 급속한 연쇄반응이 일어나지 않게 하는것은 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 4미터정도 된다.

가압경수로의 압력용기

제어

많은 상업용 가압경수로와, 군사용 가압경수로는 보통 1차 계통에 집어넣는 붕산의 양으로 원자로 출력을 조정한다. 붕소는 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 볼수 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.

바깥고리

한국 원자력 지식정보 관문국의 가압수형 원자로 항목