원자로의 종류

• 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.

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

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.

가압경수로 원자력발전소.

그런데 냉각재는 우라늄 연료와 접촉하므로 방사성 물질에 오염돼 있을 가능성이 있다. 이러한 물(냉각재)이 증기를 발생시킬 2차 냉각수와 섞인다면 방사성 물질은 터빈을 돌리는 증기에 섞여 원자로 건물 밖으로 누출될 수 있다. 따라서 가압경수로는 이러한 위험을 원천적으로 봉쇄하기 위해 증기발생기에서 냉각재와 2차 냉각수를 물리적으로 분리하도록 설계되어 있다.

냉각재로부터 열을 받은 2차 냉각수는 포화증기압력 상태가 되므로 펄펄 끓어 증기를 발생시킨다. 발생한 증기가 곧 터빈에 분사되면 터빈이 돌아가고, 터빈은 연결된 발전기를 돌림으로써 전기가 생산된다.

100℃ 넘는데도 안 끓어

이렇게 우라늄 연료와 접촉하는 냉각재가 끓지 않게끔 압력을 가했다고 해서 가압(加壓)경수로란 이름을 얻었다. 그리고 우라늄 연료와 접촉한 냉각재는 증기발생기 안에서 2차 냉각수와 섞이지 않고 자기 회로로만 흐른다. 2차 냉각수에 열만 전달하는 완전 폐쇄회로를 구성하고 있는 것이다.

2차 냉각수에서 발생한 증기가 터빈을 세차게 쳐서 터빈이 분당 1800바퀴씩 돌아가게 한다. 증기는 터빈을 때려 돌아가게 한 다음 바닷물이 지나가는 복수기(復水機) 안으로 들어간다. 복수기 안에는 여러 개의 관(管)이 있는데 이 관 속으로는 온도가 낮은 바닷물이 흐른다.

따라서 복수기를 거치는 동안 열을 빼앗긴 증기는 다시 물이 된다. 반대로 바닷물은 열을 받아 온도가 약간 올라간 상태(7℃ 정도)로 복수기 밖으로 나오게 된다. 이 물을 ‘온배수(溫排水)’라고 한다. 관 안에 있던 증기는 바닷물에 열을 뺏겨 다시 물이 되는데, 물이 증기가 되었다가 다시 물로 돌아왔다고 하여 ‘복수(復水)’라고 한다.

복수 과정을 거쳐 물이 된 2차 냉각수는 다시 증기발생기로 흘러들어 냉각재로부터 열을 받아 펄펄 끓으면서 증기가 돼 터빈을 때려준다. 2차 냉각수도 증기발생기와 터빈-복수기를 거쳐 다시 증기발생기로 들어오는 폐쇄회로를 구성한다.

이렇게 2차 냉각수 또한 완전 폐쇄회로를 갖게끔 설계돼 있어 밖으로 나가지 못하므로 방사성 물질에 의한 피해를 최소화할 수 있다. 이런 이유로 가압경수로는 가장 안전한 원자로로 꼽힌다. 한국이 갖고 있는 20기의 원전 가운데 월성에 있는 4기를 제외한 16기가 바로 가압경수로이다.

비등경수로

비등경수로(BWR)는 가압경수로보다 먼저 실용화되었다. 일반적으로 경수로라고 하면 가압경수로를 지칭한다. 비등경수로는 비등수로로 약칭된다. 비등수로는 경수로와 마찬가지로 감속재와 냉각재로 물을 사용한다. 우라늄 연료로도 경수로와 비슷한 저농축 우라늄을 사용하지만 경수로와 몇 가지 다른 점이 있다.

비등경수로 원자로.

경수로에서는 냉각재에 강한 압력을 가하기 위해 가압기를 사용하는 데 반해 비등수로에서는 큰 가압기를 사용하지 않는다. 비등수로의 냉각재는 경수로의 냉각재보다 낮은 온도에서 펄펄 끓어 증기를 발생시킨다. 원자로에서 발생한 증기로 바로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것이 비등수로의 발전 방식이다.

비등수로는 증기발생기가 따로 없어 원자로가 증기발생기 구실을 겸한다. 냉각재가 바로 증기가 되는 것이다. 증기발생기가 없는 만큼 비등수로의 구조는 경수로에 비해 훨씬 간단하다. 그러나 원자로가 증기발생기 기능까지 겸해야 해 비등수로의 구조는 경수로보다 크고 복잡하게 설계된다.

경수로는 중성자를 흡수하는 제어봉이 원자로 위에서 들어오게 설계돼 있다. 반대로 비등수로는 원자로 상부가 터빈과 직접 연결돼 있어 제어봉을 하부에서 삽입하도록 되어 있다.

비등수로의 냉각재 온도는 285℃이고 압력은 경수로의 절반인 70~75㎏/㎠이다. 이 때문에 운전 측면에서 유리한 점이 있으나 원자로 상부에서 만들어진 증기가 직접 터빈을 때리므로 터빈계통으로 방사능이 유출될 위험을 안고 있다. 따라서 터빈/발전기 건물 안에 복잡한 차폐체와 안전설비를 반드시 설치해야 한다.

우리나라에는 비등수로가 없다. 현재 미국에서 가동 중인 103기(基)의 원자력발전소 가운데 34기와 일본에서 가동 중인 54기의 원자력발전소 가운데 31기가 비등수로이다. 독일·스웨덴·대만에서도 가동하고 있다. 기술적으로나 운영 측면에서 경수로보다 불리하다는 평가를 받고 있다.

]

가압중수로

다음으로 캐나다와 우리나라를 비롯한 중국·인도·파키스탄에서 가동되고 있는 가압중수로(Pressurized Heavy Water Reactor·PHWR)가 있다. 가압중수로는 천연 우라늄과 중수를 사용하고 가동 중에 연료를 교체할 수 있다는 것이 특징이다.

이 원자로는 중수(重水·D2O)를 감속재와 냉각재로 사용한다. 지구상에 있는 물의 대부분은 수소 2개와 산소 1개로 구성된 경수(H2O)이고, 나머지 130~150ppm은 수소의 동위원소(중성자 수만 다른 원소)인 ‘중수소 2개와 산소 1개’로 구성된 중수인 것으로 알려져 있다.

중수는 경수보다 질량이 약 1.1배 클 뿐, 대부분의 화학적 특성은 경수와 같다. 그러나 경수가 중성자를 흡수하는 데 반해 중수는 중성자를 흡수하지 않는다. 따라서 경수로에는 저농축 우라늄을 사용하고 가압중수로는 우라늄-235가 0.7% 정도 들어 있는 천연 우라늄을 그대로 사용한다.

가압중수로는 ‘중수로(重水爐)’로 약칭하는데, 캐나다에서 개발했다고 하여 ‘캔두(CANDU·Canada+중수소 Deuterium +천연 우라늄 Uranium의 머리글자를 딴 말)’로 부르기도 한다. 우리나라에서는 경주시 월성에 있는 4기의 원자력발전소가 가압중수로를 쓴다.

캐나다는 제2차 세계대전 때 미국처럼 핵무기를 만드는 데 필요한 우라늄 농축 기술을 개발할 기회가 없었다. 대신 제2차 세계대전 후 자국 영토에 풍부하게 매장되어 있는 우라늄 자원을 활용하기 위해 많은 노력을 기울여 중수를 감속재와 냉각재로 사용하는 가압중수로를 개발하는 데 성공했다.

이 원자로에는 380개의 튜브용기가 수평으로 배열되어 있다. 이 튜브용기가 원자로인데 이 안에 핵연료 다발 12개를 길이로 집어 넣는다. 따라서 과거 각 가정에서 연탄을 갈아 넣는 것처럼, 발전소가 가동하고 있을 때 우라늄 연료 다발의 일부를 교체할 수 있다.

원자로 계통은 냉각재(중수)가 약 110기압 정도로 가압돼 있으므로 중수는 온도가 올라가도 끓지 않는다. 중수(냉각재)는 300℃ 정도로 가열돼 증기발생기로 흘러가는데, 가압중수로의 증기발생기도 경수로의 증기발생기처럼 물리적으로 완전히 분리된 튜브 사이를 지나면서 튜브 밖에 있는 2차 냉각수에 열을 전달하고 원자로로 흘러가도록 설계되어 있다.

가압중수로 원자력발전소.

증기발생기에서 열을 받은 2차 냉각수는 펄펄 끓어 증기를 발생시키는데 이 증기가 경수로에서처럼 터빈과 발전기를 돌려 전기를 생산한다.

냉각재는 칼란드리아라고 하는 수평형 튜브용기 속을 통과한다. 칼란드리아 안에는 우라늄 연료가 들어 있어 핵분열이 일어나므로 냉각재는 열을 받는다. 따라서 칼란드리아는 원자로 그 자체가 되는데, 중수로에는 수평으로 설치된 칼란드리아 380여 개가 들어 있다.

경수로는 거대한 원자로가 한 개 들어 있는 구조로 이 대형 원자로 안에 많은 우라늄 연료를 넣어 핵분열을 시키는 데 비해 중수로는 칼란드리아라고 하는 아주 작은 원자로에 소량의 우라늄 연료를 넣어 핵분열을 시킨다.

중수로는 천연 우라늄을 연료로 사용하기 때문에 핵분열 연쇄반응을 일으킬 확률이 가압경수로에 비해 매우 낮다. 이 때문에 핵분열에서 나오는 중성자를 감속시켜서 중성자가 핵분열 연쇄반응에 기여할 수 있도록 냉각재 중수와는 별도인 감속재 중수계통으로 설계된다.

흑연가스냉각로

원자로에서 사용되는 감속재로는 물 외에 흑연(黑鉛)이 있다. 흑연은 중성자를 비교적 빨리 감속시키고 값이 싸서 대량으로 구할 수 있는 장점이 있다.

이 때문에 이탈리아에서 미국으로 망명한 물리학자 엔리코 페르미(Enrico Fermi)는 흑연을 감속재로 사용해 원자로인 CP-1을 만들었다. 1945년 12월 2일 이 원자로가 중성자에 의한 핵분열 연쇄반응을 일으키는 데 성공한 이래 흑연은 감속재로 사용되기 시작했다.

흑연을 감속재로 하는 원자로는 핵무기의 원료가 되는 플루토늄-239 생산에 유리하다. 이러한 원자로는 미국, 영국, 프랑스 등에서 주로 개발되었다. 1956년 영국은 흑연을 감속재로 쓰고 탄산가스를 냉각재로 사용하는 흑연가스냉각로를 콜더 홀에 세웠다. 자본주의권에서 최초로 건설된 흑연 원자력발전소다.

흑연 원자로는 연료로 천연 우라늄이나 저농축 우라늄을 사용하고 냉각재로는 탄산가스나 경수를 사용한다. 그러나 흑연은 중수에 비해 중성자를 감속시키는 능력이 떨어지기 때문에 많은 양이 소요돼 원자로의 부피가 매우 커야 한다. 탄산가스를 냉각재로 사용하므로 열전달 효율이 낮아 증기발생기를 매우 크게 설계해야 한다는 문제점도 있다.

제4세대 원자로 주요 정량적 목표

이러한 단점을 보완하기 위해 구(舊)소련에서는 흑연을 감속재로 사용하는 원자로에 저농축 우라늄을 연료로 사용하고, 냉각재로 경수를 사용하는 독특한 RBMK 1000형 원자력발전소를 건설했다. 그러나 이 원자로는 1986년 4월25일 우크라이나 체르노빌에서 방사능이 누출되는 대형 사고를 일으켰다.

원자로의 미래

현재 영국에서는 천연 우라늄 연료를 경수로와 똑같은 저농축 우라늄 연료집합체로 바꾼 개량형 흑연가스냉각로 14기를 건설해 운영 중이다. 그러나 흑연가스냉각로의 비효율성과 엄청나게 큰 원자로와 증기발생기로 인한 비경제성 때문에 경수로와 경쟁할 수 없다고 판단해 영국은 흑연 원자로를 더는 건설하지 않고 있다. 영국은 원자로형 선택에 실패한 나라이다.

1960년대 말 우리나라는 국내 최초의 원자력발전소인 고리 1호기 건설을 추진하면서 영국의 흑연가스냉각로 도입을 심도 있게 검토한 적이 있다. 그때 흑연가스냉각로를 선택했다면 한국의 원자력 산업은 실패의 길을 걸었을 것이다.

지금까지 설명한 원자로의 원리는 핵분열로 생긴 빠른 중성자(고속중성자)를, 감속재를 이용해 핵분열을 잘 일으키는 느린 중성자(열중성자)로 만들어 우라늄-235와 핵분열 연쇄반응을 일으키는 것이다. 이 과정에서 저농축 우라늄과 천연 우라늄에 있는 우라늄-238이 중성자를 흡수하여 플루토늄-239와 핵분열 부산물로서 반감기가 매우 긴 고준위 방사성 물질이 된다.

플루토늄-239는 재처리 과정을 거치면 원자력발전소에세 쓰는 우라늄-235와 같은 연료가 된다. 그러나 플루토늄-239는 핵무기 원료로도 전용(轉用)될 수 있어 세계적으로 요주의 대상이 되고 있다.

하지만 언젠가 우라늄 자원이 고갈되고, 핵분열로 발생한 고준위 방사성 물질을 고속중성자로에서 태워 반감기가 극히 짧은 방사성 물질로 만듦으로써 고준위 방사성폐기물을 줄일 수 있다면, 사용후우라늄 연료의 재처리를 긍정적으로 검토할 수 있을 것이다.

강재열 ● 1954년 경남 산청 출생 ● 성균관대 물리학과 졸업 ● 한전 영광1발전소 발전부장, 기술공무부장, 기술기획처 기술개발부장, 한수원 홍보실장 ● 발표문 : ‘전력기술 연구개발의 효율성 증대방안’ 등

현재 핵물질 전용을 방지하고 테러를 예방할 수 있는 제4세대(Generation IV) 원자로, 즉 GEN Ⅳ(젠포)가 여러 나라에서 연구 개발되고 있다. 이 원자로는 2030년경 상업운전에 들어갈 수 있을 것으로 보이는데 통상 새로운 원자로를 개발 설계하는 데 10년, 건설하는 데 10년이 소요된다. 따라서 2010년부터 Gen IV의 개발이 본격화할 것으로 전망된다.