원자력 발전소의 구성 및 종류

원자력 발전소의 구성

⑴ 핵 연료 다발

농축우라늄이 담배필터 모양으로 고온 처리된 연료소자(펠릿 pellet)형태로 만들어지고 연료봉이라는 속이빈 금속 튜브 속에 쌓인다. 이 봉을 약 240여개로 함께 묶어서 핵 연료다발로 만든다. 원자력 발전소의 연료로 쓰이기 위해선 우라늄 235의 비율이 2~5% 정도로 높여주여야 된다.한국표준형원자력발전소의 원자노심에는 177개의 핵 연료다발이 내장된다.

※연료 소결체(=펠릿)

직경 0.953cm 길이 1.905cm 이고 한 개의 무게는 약 14g 정도. 소결체 한 개 = 기름 480L or 석탄 910Kg or 나무 2270Kg과 맞먹는 열에너지를 낼 수 있다.

⑵ 제어봉

제어봉은 원자로 노심에서 일어나는 핵분열 속도를 조절하거나 통제하는 것으로 봉상의 형태로 원자노심 내에서 연료봉 혹은 핵연료다발 사이를 상하로 오르내릴 수 있다. 제어봉은 중성자 흡수단면적이 큰 붕소, 카드뮴, 하프늄 등으로 만들어진다. 가압수형 경수로의 제어봉은 연료집합체에 편입되어 있으나, 비등수형 경수로의 제어봉은 연료집합체와는 독립되어 있다. 제어봉의 원리는 중성자를 흡수하여 핵분열 속도를 통제할 수 있는데 제어봉은 중성자를 흡수하여도 우라늄같이 핵 분열을 일으키지 않는다.

⑶ 냉각재와 감속재

원자력 발전소의 연료로 쓰이는 우라늄 235는 속도가 빠른 중성자에 의해 핵분열이 일어나기 어렵다. 이때 감속재가 중성자의 속도를 늦추는 역할을 하고 감속재에 의해 감속된 중성자를 열중성자라고 한다. 감속재의 재료로는 물, 흑연, 중수가 사용되고 원자로의 유형에 따라 쓰이는 감속재가 다르다. 천연 우라늄 원료로 사용할 경우 흑연과 중수가 많이 쓰이고 우리나라에선 감속재가 대부분 순수한 물로 쓰이며 월성원자력발전소가 중수를 쓴다.냉각재는 원자로에서 발생된 열을 전달하는 매개체로서의 역할을 담당하며, 원자로 내부 노심의 온도가극도로 높아져 원자로가 파손되는 것을 방지하기 위해 노심을 냉각시킨다. 실제로 사용되는 냉각재는 고온에서 냉각능력이 우수하고 중성자를 흡수하지 않으며 고온에 견디면서도 감속재 등과 반응하지 않는 등 중요한 조건을 갖추어야 한다. 가스(고압공기, 탄산가스, 헬륨 등) 기체 외에 용융금속(수은, 나트륨, 나트륨과 칼륨의 합금, 납과 비스무트의 합금 등) 냉각재로 이용되며, 중성자를 비교적 잘 흡수하는 경수나 중수 등이 감속재 겸 냉각재로도 사용되는 경우가 많다 결국 냉각재는 비열 . , 밀도가 크고 또 점도가 작으며 화학적으로 방사선에 대해서도 안정인 물질이 바람직하다.

⑷ 압력 용기

두께 약 23cm , 무게 300톤으로 원자 노심을 둘러싸 보호한다. 안전방벽의 역할을 하며 고압 및 고온 조건에서 지탱될 수 있도록 튼튼한 탄소강으로 만들어진다. 항시 물로 채워져 있어 녹이나 마모 방지를 위해 한 겹의 스테인리스 강철 피막으로 덮어 씌여 있다.

원자로 내의 반응

원자력 발전에서는 핵연료 다발에 있는 농축 우라늄이 핵분열 연쇄반응을 일으키면서 열에너지를 만들어낸다. 핵분열의 원리는 아래의 그림과 같이 간단하게 나타낼 수 있다. 원자력 노심 내에서 일어나는 연쇄 반응으로 중성자를 흡수하는 제어봉에 의해서 핵분열 속도가 통제 될 수 있다. 반대로 감속재에 의해서 방출된 중성자의 속도가 통제가 될 수 있는데 속도가 감속된 중성자는 핵분열 반응을 더 잘 일으킬 수 있게 된다. 이 후 1차 계통 유로에서 가압된 물이 펌프의 힘으로 원자로와 배관을 거쳐 증기 발생기에 이르게 되고 이때 가압된 물의 온도는 약 315도가 된다. 이 물이 증기 발생기에서 수 천 개의 작은 세관을 통해 2차 계통 유로에 있는 물을 덥혀 증기를 발생 시키고 이 증기가 터빈으로 이동하여 터빈을 가동시킨다. 이 터빈의 끝에는 발전기가 달려 있어 발전기의 회전을 통해 전기적 에너지를 만들어 낸다. 

 ※ 터빈을 돌린 후 증기는 복수기에서 3차 계통 유로에서 유입 되는 차가운 물질에 의해서 물로 상태가 바뀐다.

3차 계통 유로를 통해 들어온 차가운 물질이 열을 얻어 온도가 올라지는데 미국의 경우에는 3차 계통 유로를 통해 넣는 물질이 강물을 많이 쓰인다. 그래서 미국은 환경에 좋지 않은 영향을 끼칠 것을 고려하여 데워진 물이 바로 강이나 바다로 유입 되지 못하게 법으로 제한하여 냉각탑을 만들지만, 우리나라의 경우 바닷물을 3차 계통으로 쓰기 때문에 냉각탑을 이용하지 않아도 되는 장점이 있다.

원자로의 종류

⑴ 흑연 경수로

1945년 초 구 소련(현 러시아) 모스크바 교외의 오브닌스크에 세워진 것으로 세계 최초의 발전용 원자로로 5,000kw의 발전을 할 수 있다. 핵연료는 농축 우라늄 / 감속재는 흑연 / 냉각재는 경수를 사용한 원자로이다.

⑵ 가스 냉각로

1956년 영국에 세워진 콜더홀발전소에 설치된 92,000kw 규모의 현대식 원자력 발전 형태이다. 세계 최초의 상업용 원자력 발전소로 핵연료는 천연 우라늄 / 감속재는 흑연 / 냉각재는 이산화탄소를 사용했다. 이때 가스형태의 이산화탄소가 원자로 안에 있는 열을 뽑아내 그 열을 이용하여 수증기를 만들어 발전을 한다. ‘흑연 가스형 원자로’ 또는 ‘흑연 가스’라고도 한다.

⑶ 가압 경수로

세계 원전의 60% 정도를 차지하고 냉각재와 감속재로 일반 물인 경수를 사용하고 핵연료는 우라늄 235가 2~5% 들어있는 저농축우라늄을 사용한다. 냉각재로 사용된 물은 고압 형태로 고온에서도 액체 상태를 유지하는데 이 물이 2차 계통을 지나면서 열 교환을 통해 물을 수증기 형태로 만들고 터빈을 돌리는 형태이다. 12~18개월마다 발전소를 정지하고 전체 연료의 1/3씩 교체를 한다. 한국의 원자력 발전소의 대부분이 이 형태의 발전소이다.

⑷ 비등 경수로

전체 원전의 22% 정도를 차지하는 원자로로 냉각재와 감속재로 경수를 사용한다. 핵연료는 우라늄 235가 2% 들어있는 저농축 우라늄을 사용해 가압경수로와 비슷한 형태로 발전을 한다. 그러나 냉각재가 직접 증기가 되어 터빈을 돌리므로 높은 압력을 유지하는 것이 불필요하고 원자로계통과 터빈계통이 완전 분리되지 않아서 방사선 차폐가 어렵다는 단점이 있다.

⑸ 가압 중수로

캐나다에서 개발해 캔두(CANDU)라고도 불리는 원자로로 냉각재와 감속재가 중수, 핵연료는 천연우라늄을 사용하는 것이 큰 특징이다. 연료가 천연 우라늄이기 때문에 핵분열 확률을 높여주기 위해 감속재로 경수보다 중성자의 속도를 더 잘 감속시켜 주는 중수를 사용한다. 연료는 보통 별도의 운전정지 없이 매일 일정량을 교체하기 때문에 경수로보다 이용률이 높다.