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원자로의 구조와 작용

原子爐－構造－作用

원자로의 구실은 연쇄반응의 속도를 제어하고 발생하는 열을 유효 적절하고도 안전하게 활용할 수 있도록 하는 것이다. 그 때문에 원자로는 원자연료 외에 일반적으로 감속재(減速材)·제어봉(制御棒)·냉각재·구조재(構造材)·차폐재(遮蔽材)·계측제어기기(計測制御機器) 등으로 구성(일반적으로 熱中性子爐이 경우)되어 있다(〔그림〕－1).

연료봉

燃料棒

천연우라늄의 경우에는 우라늄을 금속우라늄째로나 이산화우라늄 또는 몰리브덴(Mo) 등과의 합금으로 하여 둥근 막대 또는 얇은 판으로 가공한 연료봉을 사용하다.

연료봉에는 마그녹스(마그네슘에 필요한 강도를 갖게 하려고 알루미늄 또는 베릴륨을 가한 합금)·마그네슘(Mg)과 지르코늄(Zr)의 합금·알루미늄, 경우에 따라서는 스테인리스강 등의 피복재(被覆材)를 씌워서 사용한다.

농축우라늄의 경우에는 이산화우라늄으로 만들어 스테인리스강의 피복을 해서 사용하는 것이 보통이다(〔그림〕－2). 그 밖에 물에 잘 녹는 염으로 만들어 사용하는 일도 있다. 연료봉의 피복은 우라늄이 냉각재의 침해를 받거나 죽음의 재가 새어 나오거나 하는 것을 방지하기 위한 것이다.

감속재

減速材

천연우라늄이나 저농축우라늄에서는 핵분열 때 방출되는 고속중성자는 계속 핵분열을 일으키기 전에 우라늄238에 포획되어 버린다.

이것을 감속시켜 우라늄238에 흡수되기보다 우라늄235와 만나 핵분열을 일으킬 확률이 훨씬 큰 저속중성자(열중성자)로 만드는 것이 감속재의 구실이다. 감속재에는 중성자를 흡수하지 않는 것으로 될 수 있는 대로 질량수(質量數)가 적은 원자핵이 유리하다. 이 조건에 맞는 것으로는 흑연·경수 또는 중수(重水：보통 물인 경수에서 질량수 2인 중수소나 3인 트리튬, 질량수 17, 18인 산소의 동위원소를 함유하는 것을 분리한 것)가 쓰인다.

제어봉

制御棒

연쇄반응을 도중에서 억제(抑制)하는 장치에 따라 쉴새없이 이것을 제어하면서도 이것을 중단(中斷)되지 않도록 조정(調整)해야만 한다. 연쇄반응(連鎖反應)을 막거나 촉진하기 위해서는 중성자의 밀도를 가감하면 된다. 그러므로 카드뮴(Cd)이나 붕소(硼素, B)처럼 중성자를 잘 흡수하는 재료로 만든 제어봉을 원자연료 사이에 넣고 필요에 따라서 이것을 내거나 한다.

냉각재

冷却材

원자로 속에서는 핵에너지가 끊임없이 열로 바뀌고 있으므로 냉각시켜 열을 외부로 끌어내지 않으면 원자로는 지나치게 고온이 되어 파괴되고 만다. 원자로의 에너지는 이 열을 통해서 이용되는 것이다. 원자로로부터 열을 끌어내기 위해서 노(爐)의 안팎을 순환시키는 액체나 기체가 냉각재여야 한다. 냉각재는 냉각효과가 클 뿐만 아니라 중성자를 잘 흡수하지 않으며 방사능(放射能)을 띠기 어려운 물질이어야 한다. 경수나 중수를 감속재로 사용하는 경우에는 감속재로 냉각재를 겸하는 경우가 있다.

경수(輕水)는 중성자를 흡수하는 까닭에 천연우라늄과 함께 사용할 수 없다. 천연우라늄을 연료로 하고 흑연을 감속재로 사용할 때에는 이산화탄소·헬륨·공기 등의 기체를 냉각재로 사용하는 일이 많다. 최근에는 냉각효율이 높은 액체 나트륨도 사용되고 있다.

구조재·차폐재·계측 제어기기

構造材·遮蔽材·計測制御機器 원자로를 중심으로 하여 역학적으로 떠받치고 있는 것이 구조재이다. 또 원자로의 노심(爐心)을 둘러싼 차폐재는 생체에 위험한 방사능을 막는 것으로, 쇳가루 등이 들어 있는, 특수하게 두꺼운 콘크리트로 되어 있다. 운전중에는 원자로 내부에 들어가지 못하므로 제어봉의 조작이나 연료교환은 모두 원격조종(遠隔操縱)을 행하지 않으면 안 된다. 그러므로 노(爐) 속의 온도나 중성자의 밀도 등 노의 내부 상태는 여러 가지 계측기로 검출한다. 차폐재와 계측제어계는 원자로를 안전하게 운전하기 위해 불가결한 것이다.

원자로의 안전

안전봉

安全棒

원자로 사고 중 가장 무서운 것이 폭주(暴走)이다. 이것은 연쇄반응의 브레이크 구실을 하는 제어봉이 움직여지지 않거나 이것을 지나치게 빼내거나 했을 경우에 일어나며, 원자로의 출력이 일순간에 몇백 배나 되어 연료봉(燃料棒)이 녹고, 원자로는 파괴되어 버린다.

이러한 위험을 피하기 위하여 긴급시에 노를 중지시키는 안전봉이 비치되어 있다. 안전봉은 중성자를 잘 흡수하는 재료로 만들어지며 필요할 때에는 자동적으로 노심(爐心)에 떨어지도록 되어 있다.

방사성폐기물

放射性廢棄物

원자로는 대량의 죽음의 재를 만들어 내며, 냉각재로 쓰인 물과 공기도 방사능을 띠고 있다. 또 원자력공장의 배기(排氣)나 기구세척(機具洗滌)에 쓰인 액체 등도 방사능에 오염되어 있다. 이 방사성 폐기물들을 어떤 방법으로 안전하게 처리하는가는 원자력의 평화적 이용상 커다란 문제이다.

현재는 일단 농축시켜 작은 용적으로 만들어 방사능이 약해질 때까지 보관했다가 기체는 공기중에, 액체는 바다 속에 방출하여 흐리게 한다. 그리고 기구나 용기는 땅속에 파묻거나 바다 속에 가라앉히고 있다.

원자로의 종류

원자로는 연료·감속재·냉각재의 종류, 그것들의 구성, 사용 목적에 따라 여러 가지로 분류한다.

열중성자로와 고속중성자로

熱中性子爐－高速中性子爐중성자를 감속시켜 연쇄반응을 효과적으로 일으키는 것이 열중성자로이다(〔그림〕－6). 이에 대하여 고속중성자로는 감속재를 쓰지 않고 고농축(高濃縮)우라늄을 사용하여 고속중성자에 의해 연쇄반응을 일으키게 하는 것이다.

고속중성자로에서는 중성자의 누출을 방지하기 위해 핵연료 주위를 천연우라늄이나 토륨 같은 반사재(反射材)로 덮는다. 노의 제어에는 제어봉은 사용하지 않고, 중성자가 너무 많을 경우에는 이 반사재를 움직여서 여분의 중성자를 연료 밖으로 내보내는 방법을 쓴다.

균질로와 불균질로

均質爐－不均質爐 열중성자로 중에는 연료인 농축우라늄을 질산우라늄이나 황산우라늄과 같이 염화(鹽化)하여 이것을 감속재로서 물에 녹여서 사용하는 형도 있다. 이 경우 핵연료와 감속재는 똑같이 혼합되어 있으므로 균질로라 한다.

이와는 반대로 핵연료와 감속재가 번갈아 놓인 형의 노를

불균질로라고 한다(〔그림〕－4·5).

사용 목적에 따른 분류

使用目的－分類

사용 목적에 따라 분류하면 연구로(硏究爐)·재료시험로·동력로(動力爐：發展爐)·동력시험로·열원로(熱源爐)·증식로(增殖爐：플루토늄생산로) 등으로 나뉜다.

고속증식로(高速增殖爐)는 에너지를 끌어냄과 동시에 여분의 중성자에 의해 핵연료를 만드는 고속중성자로가 있다(〔그림〕－7). 고농축우라늄의 주위를 천연우라늄으로 둘러싸두면 우라늄238이 고속중성자를 흡수하여 또 하나의 핵연료인 플루토늄239로 변화한다.

그리고 속에 넣은 토륨을 우라늄233으로 전환시키는 것을 목적으로 한 열중성자로도 있다. 재료시험로는 중성자가 많은 노(爐) 속에서 장시간 사용된 경우의 원자로의 구조재나 여러 가지 재료의 성질을 시험하기 위한 것이다.

기타 명명법

其他命名法

원자로의 형식을 노의 특징을 딴 별명으로 부르는 일이 있다. 예를 들면 농축우라늄·경수감속의 균질로를 보일러형, 불균질로를 수영풀형이라 부른다. 최초의 건설지명이나 발안자(發案者)의 이름을 따서 부르는 일도 있다. 예를 들면 천연우라늄·흑연감속·이산화탄소냉각의 원자로는 콜더홀형(Calder Hall型)이라 부르는데, 이 같은 형의 노가 1956년에 최초로 영국의 콜더홀 원자력발전소(Calder Hall Station)에서 건설되었다 하여 그렇게 명명된 것이다.

또 고속증식로를 발안자의 이름을 따서 페르미로(Fermi 爐)라고 부르기도 한다.

원자력발전

원자력발전 방법

原子力發電方法

핵에너지를 전기에너지로 변환하는 것이 원자력발전인데 현재는 원자로로 핵에너지를 열에너지로 변환하고, 열교환기로 이것을 고온 증기로 바꾸고, 이 증기로 터빈을 돌려서 발전하는 화력발전과 같은 방법이 취해지고 있다.

이러한 방법은 여러 과정을 거쳐야 하므로 복잡할 뿐만 아니라, 일반적으로 원자로에 사용되는 재료가 제한되기도 하여 증기의 온도나 압력은 화력발전의 경우보다 낮으며 열효율도 높지 않다. 원자로 속에서 일어나고 있는 현상을 교묘하게 이용하여 노(爐)로부터 직접 전력을 끌어낼 수 있으면 그보다 더 좋은 방법은 없으나 여러 가지 곤란한 점이 있어서 아직도 성공하지 못했다.

원자력발전소

原子力發電所

원자력발전소는 보통 100개 이상의 개별적 기능을 가진 계통으로 구성된다. 이들은 크게 원자로를 중심으로 한 핵증기공급계통(NSSS：Nuclear Steam Supply System)과 증기를 공급받아 발전기를 돌리는 터빈·발전기계통 그리고 부수설비로 구분된다.

현재 우리나라 원자력발전소의 주종을 이루고 있는 가압수형 경수로 발전소를 살펴보면 원자로를 중심으로 한 1차계통, 증기발생기·터빈·발전기 그리고 복수기를 포함한 2차계통, 사고에 대비한 공학적 안전설비계통, 계측제어계통, 기타 보조계통들로 구성되어 있다.

발전용동력로

發電用動力爐

발전용동력로에는 대형으로 저(低)코스트의 운전이 가능할 것, 될 수 있는 대로 고온·고압의 증기를 끌어낼 수 있을 것이 요망된다.

그러나 조건에 맞는 것 중에 현재 널리 사용되고 있는 것은 다음 세가지 형이 있다.

가스냉각형

gas 冷却型

영국에서 개발되고 사용되어 온 천연우라늄(금속우라늄)·흑연감속·이산화탄소 냉각로(Calder Hall 型爐)가 대표적인 것이다. 연료의 비용은 싸지만 중성자의 밀도가 작으므로 중성자를 흡수하기 쉬운 물을 냉각재로 사용할 수 없고, 스테인리스강(鋼)의 사용도 신통치 않다. 증기의 온도나 압력도 낮다.

연료봉을 금속우라늄에 마그녹스 피복(被覆)을 한 것에서 이산화우라늄에 스테인리스강의 피복을 한 것으로 바꾸어, 보다 고온의 증기를 얻을 수 있도록 만든 개량형 가스냉각로(AGR)도 완성되었다(〔그림〕－8의 c).

가압수형

加壓水型

미국의 웨스팅하우스(Westinghouse)사에서 개발한 것으로, 연료는 농축우라늄을 이산화우라늄으로 하고 스테인리스강으로 싼 것인데, 감속재 겸 냉각재료는 100기압 정도로 가압한 경수(輕水)를 펌프로 순환시켜서 사용한다(〔그림〕－8의 b).

비등수형

沸騰水型

미국의 제너럴 일렉트릭(General Electric)사에서 개발한 것. 연료는 위의 것과 같으로 감속 겸 냉각재로 사용하는 경수를 노 속에서 비등시키는 것이다. 가압수형(加壓水型)에 비해 대용량의 펌프는 필요치 않지만 열출력(熱出力)이 불안정하게 되기 쉬운 결점이 있는 것이다(〔그림〕-8의 a).

세계의 원자력발전

世界－原子力發電

원자력의 평화적 이용 중 대표적인 발전방식이다. 1942년 12월 Ｅ. 페르미가 핵분열 연쇄반응을 발견한 이후, 1954년 6월 러시아에서 세계 최초의 원자력 발전소인 OBNINSK(흑연 감속형원자료：5㎽)가 가동되기 시작했다.

그 후 1956년 10월 영국에서는 CALDER HALL－1(기체냉각형원자로, ＧＣＲ：60㎽) 원자력발전소가 가동되었고, 미국에서는 57년 12월 SHIPPING－PORT(가압경수형원자로, ＰＷＲ：100㎽)가 상업운전을 개시하였다.

한국은 62년 3월 TRIGA MARK－2 연구용 원자로(열출력 100㎾)가 가동된 이후 78년 4월 고리(古里) 1호기(가압경수형원자로：587㎽)가 최초로 상업운전을 개시하면서 본격적인 원자력시대를 열었다.

98년 2월 현재 원자력발전소를 갖고 있는 국가는 32개국이며 건설중이거나 계획중인 국가는 모두 86개국에 달하고 있다. 이들 나라에서 운전중인 원자력발전소는 422기, 3억 5,849만 ㎾에 이르며 건설중이거나 계획중인 것을 합하면 508기로 총용량은 4억 3,103만 ㎾에 달하고 있다. 원자력발전소를 운전중인 나라들은 거의가 선진국이거나 개발도상국 중에서도 앞서가는 나라들로서 과학적·경제적 바탕을 갖춘 국가들이다. 한국은 2002년 12월 현재 18기(1,571.6㎾)의 원전을 운전중이고 4기(200㎾)가 건설중인데, 2005년에는 원자력발전소가 총 22기(1,771.6㎽)에 이를 전망이다.

93년 말 기준으로 볼 때 원자력발전 설비용량은 총 전력설비용량의 27.5%에 불과하지만 국내 전력생산량의 40% 이상을 점유하고 있다. 국내 운전중인 원자력발전소는 월성 1호기(가압중수로, ＰＷＲ：679㎽)를 제외하고 전부 가압경수로(ＰＷＲ)인데, 국내 원전의 운영실적은 세계적인 수준으로서 최근 수년간 세계 평균이용률보다 약 15% 가량 높게 유지하고 있다. 특히 93년도에는 국내 원전 운영사상 최고의 이용률인 87.2%를 기록하여 세계 2위에 해당하는 실적을 올린 바 있다.

이와 같은 높은 이용률에 따른 경제적 이득은 100만 ㎾급 원전 2기(건설비 약 3조)를 추가로 보유하고 있는 것과 같은 효과가 있다. 국내 원전의 발전정지 건수도 발전소운전 경험 및 기술축적에 따라 점차 감소하여 선진국 수준에 근접하고 있다.

원자력선

原子力船

핵연료는 같은 에너지를 내는 석유보다도 월등하게 가벼우므로 원자력은 차폐(遮蔽) 시설의 중량을 공제해도 대형이고 항속거리가 긴 선박용 동력에 적합하다. 평화목적으로는 대형탱커·여객선·광석(鑛石)운반선·포경모선(捕鯨母船)·해양조사선·쇄빙선(碎氷船), 군사적 이용으로는 항공모함 등이 이에 해당한다.

또 연소시키는 데에 산소가 필요치 않아 잠수함에는 안성마춤이다. 이 함선들은 보통 열교환기에 의해 증기를 만들고 이 증기로 주기관인 터빈을 돌리는 구조로 되어 있다(〔그림〕－9). 1954년에 최초의 원자력잠수함 노틸러스(Nautilus)호가 미국에서 건조되었다. 미국의 제2호 원자력잠수함 시울프(Seawolf)호는 고농축우라늄·베릴륨감속·나트륨냉각의 중속(中速)중성자로를 사용하고 있으나 그 밖에는 거의가 가압수형의 열중성자로를 사용하고 있다.

구소련에서는 1959년에 쇄빙선 레닌(Lenin)호를 완성시켰다. 이것은 10만 ㎞(지구 2바퀴 반)를 항해하는 동안에 연료를 한번 교환했다는 기록을 가졌으며, 열출력이 9만 ㎾인 가압수형동력로를 3기 싣고 있다. 그 밖에 미국의 화물선 사배나(Savannah)호가 1962년에 건조되었다. 원자력선에 사용되는 원자로는 크기·무게·차폐 등에서 육상의 것보다 엄격한 구조상의 제약을 받는다.