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송년호 특별부록 | 한국의 核주권

원자로의 종류

가장 안전한 원자로는 한국이 가진 경수로

  • 강재열 한국수력원자력 안전기술처 안전실장 jkang@khnp.co.kr

원자로의 종류

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  • 우라늄 농축 기술을 확보할 수 없었던 캐나다는 중수(重水)를 이용해 천연 우라늄을 태우는 중수로를 개발했다. 영국은 흑연가스냉각로를 개발했으나 시장성이 없어 실패했고, 원자로가 증기발생기까지 겸하는 비등수로는 방사능이 터빈으로 확산될 위험을 안고 있다.
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가압경수로인 울진원전 1·2·3·4·5·6호기.

원자로를 쉽게 설명하면 화력발전소의 보일러와 같다. 우라늄-235와 같은 핵분열 물질에 중성자를 충돌시키면 핵분열 반응이 일어나면서 열(熱)에너지가 발생한다. 핵분열 반응을 순간이 아닌 오랫동안 일어나게 함으로써 열을 얻는 장치가 바로 원자로이다. 핵분열에 의한 열에너지를 오랫동안 얻어내려면 핵분열을 인위적으로 조절해야 하는데, 원자로는 핵분열을 인위적으로 조절하는 장치이다.

원자로는 핵분열을 일으키는 ‘우라늄 연료’, 핵분열을 천천히 그리고 지속적으로 일어나게 해주는 ‘감속재(減速材)’, 핵분열로 생겨난 열을 증기발생기로
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중수로로 건설된 월성원전 1·2·3·4호기.

옮기는 ‘냉각재(冷却材)’, 핵분열 횟수를 조절하는 ‘제어장치’와 원자로에서 나오는 방사선을 막아주는 ‘차폐체(遮蔽體)’로 구성되어 있다. 이들은 수직의 원통형 금속용기나 ‘칼란드리아(Calandria)’라고 부르는 수평 튜브용기에 들어 있는데 이 용기가 바로 원자로이다.

전세계 원자력발전소의 80% 이상이 경수로(輕水爐)로 설계되어 있다. 경수로는 우리가 마시는 물, 즉 경수(輕水·H2O)를 감속재와 냉각재로 사용한다. 경수로는 잠수함용 원자로에서 발전해왔다. 원자로가 일반적인 보일러와 구분되는 가장 뚜렷한 차이점은 산소 없이 우라늄 연료를 태운다는 점이다. 따라서 산소 공급이 원활하지 못한 잠수함의 동력원으로 제격인데, 미 해군은 이 점에 착안해 1946년부터 잠수함용 원자로 개발에 착수했다.

가압경수로

이렇게 개발되기 시작한 원자로가 발전(發電)을 위한 육상용으로 전용돼 대형화하면서 지금의 경수로가 탄생했다. 현재 가동되는 경수로의 전기출력은 100만~140만kW에 달한다. 경수로에는 가압경수로(Pressurized Water Reactor·PWR)와 비등경수로(Boiling Water Reactor·BWR) 두 가지가 있다.

가압경수로(PWR)는 잠수함을 비롯한 함정 동력용으로 개발된 원자로를 발전(發電)용으로 바꿔 대형화한 것이다. 미국·프랑스·한국의 원자력발전소에서 주종을 이루는데, 특징은 25cm 두께의 금속용기로 된 원자로 안에 냉각재인 물(경수)이 들어 있다는 점이다.

밀폐된 원자로 안에 있는 냉각재가 핵분열을 일으키는 우라늄 연료의 열을 받아 끓기 시작하면 팽창해 그 압력이 높아진다. 이 압력은 원자로에 압박을 가할 수 있으므로 냉각재를 끓지 않게 하는 것이 중요하다. 이를 위해 원자로 안에 있는 냉각재에 100~160㎏/㎠(100~160기압)의 높은 압력을 가한다.

물은 1기압 상태에서는 100℃에서 펄펄 끓지만 1기압 이하의 높은 곳에서는 100℃가 되지 않아도 끓는다. 이 같은 물의 성질을 이용해 높은 압력을 가하면 수백℃(320℃ 정도)로 온도가 올라가도 끓지 않는다. 온도가 매우 높은 데도 압력 때문에 끓지 않는 물은 펄펄 끓는 물에 비해 온도를 전달하는 능력이 크다.

가압경수로의 또 다른 특징은 2~5%로 저농축한 우라늄-235를 연료로 사용한다는 점이다. 원자폭탄은 90% 이상 고농축한 우라늄-235를 사용하나 가압경수로는 저농축 우라늄을 사용하므로 핵 확산을 방지하는 데 유리하다.

원자로 안에서 열을 받아 뜨거워진 냉각재는 증기발생기에서 갖고 있던 열을 2차 냉각수에 전달한다. 증기발생기 안에는 원자로에서 나온 냉각재가 흐르는 관이 있어, 이 냉각재로부터 열을 받아 증기를 발생시킬 2차 냉각수와 철저히 구분된 상태로 흐른다.
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강재열 한국수력원자력 안전기술처 안전실장 jkang@khnp.co.kr
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