경수로

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1. 개요
2. 역사
3. 종류
- 3.1. 가압수형 원자로 (PWR)
- 3.2. 비등수형 원자로 (BWR)
4. 주요 특징 및 장단점
- 4.1. 장점
- 4.2. 단점
5. 원자로 설계
6. 한국의 경수로 도입 및 현황
- 6.1. 도입 초기
참조

1. 개요

경수로는 감속재와 냉각재로 일반 물을 사용하는 원자로의 한 종류이다. 핵분열 반응을 통해 열을 발생시켜 전기를 생산하며, 가압수형 원자로(PWR)와 비등수형 원자로(BWR)로 구분된다. PWR은 1차 냉각재와 2차 냉각재를 분리하여 방사능 오염 위험을 줄이는 반면, BWR은 1차 냉각재를 직접 끓여 증기를 발생시킨다. 경수로는 소형 고출력, 핵무기 제조에 부적합하다는 장점이 있지만, 낮은 열효율, 부하 추종 운전의 어려움, 재기동 시간, 핵폐기물 문제와 같은 단점도 존재한다. 한국은 PWR을 주력으로 사용하며, APR-1400과 같은 자체 개발 원자로를 보유하고 있다.

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경수로 - 비등수형 원자로
비등수형 원자로는 경수를 냉각재와 감속재로 사용하여 원자로 내에서 직접 증기를 발생시켜 터빈을 구동하는 원자로로, 높은 열효율과 단순한 구조를 가지지만 안전성 문제와 격납 용기 취약성에 대한 우려가 제기되고 있으며, 한국에서는 운영되고 있지 않지만 차세대 개발을 통한 재도입 가능성이 논의되고 있다.
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경수로
개요
비등수형 원자로의 개략도
가압수형 원자로의 개략도
유형	열중성자 원자로
기술 정보
핵연료	저농축 우라늄
감속재	경수
냉각재	경수
노심 재료	지르칼로이
발전 효율	약 33%
특성
장점	기술 성숙도 높음 비교적 낮은 건설 비용
단점	사고에 취약한 연료 사용 고준위 방사성 폐기물 발생
원자로 종류
주요 유형	가압수형 원자로 비등수형 원자로

2. 역사

경수로의 역사는 핵분열 발견과 초기 원자로 연구에서 시작되었다. 제2차 세계 대전 중 맨해튼 계획을 통해 우라늄 농축 기술이 발전하면서, 경수를 감속재 및 냉각재로 사용하는 원자로의 가능성이 탐구되었다.

전쟁 후, 미국에서는 ORNL에서 재료 시험 원자로(MTR)의 축소 모형인 저강도 시험 원자로(Low Intensity Test Reactor, LITR)가 1950년에 임계에 도달하며 세계 최초의 경수로가 되었다.^[7] 이후 미국 해군의 원자력 잠수함 개발 계획에 따라 가압수형 원자로(PWR)가 개발되었고, 이는 상업용 원자력 발전의 주력 노형 중 하나가 되었다. 소련 역시 1950년대 후반 독자적인 가압수형 원자로인 VVER를 개발했다.

한편, 미국에서는 새뮤얼 언터마이어 2세 주도로 국립 원자로 시험소에서 진행된 BORAX 실험을 통해 비등수형 원자로(BWR)가 개발되어 PWR과 함께 주요 경수로 노형으로 자리 잡았다. 그 외에도 스웨덴의 ASEA-ATOM이 설계한 PIUS 개념이나 에너지 임팩트 센터가 발표한 OPEN100과 같은 오픈 소스 설계 등 다양한 경수로 개발 시도가 이어지고 있다.

2. 1. 초기 개념 및 실험

핵분열 발견과 감속, 핵연쇄반응의 이론적 가능성이 제시된 이후, 초기 실험들은 자연 우라늄이 흑연이나 중수를 감속재로 사용하여 지속적인 연쇄 반응을 일으킬 수 있음을 빠르게 증명했다. CP-1, X10 등 세계 최초의 원자로들이 성공적으로 임계질량에 도달하는 동안, 우라늄 농축 기술은 맨해튼 계획의 목표인 핵무기 개발을 위해 이론적 개념에서 실제 응용 단계로 나아가고 있었다.

1944년 5월, 최초로 생산된 농축 우라늄 몇 그램이 로스 앨러모스에 도착하여 저출력 원자로(LOPO)에서 사용되었다. 이 실험의 목적은 원자 폭탄 제조에 필요한 우라늄-235의 임계질량을 추정하는 것이었다.^[1] LOPO는 연료로 고체 우라늄 화합물 대신 물에 녹인 황산 우라닐 염을 사용했기 때문에, 연료가 부식 방지 물질로 감싸진 현대적 의미의 경수로로 보기는 어렵다.^[2] 하지만 LOPO는 최초의 수성 균질 원자로였으며, 농축 우라늄을 연료로, 일반 물(경수)을 감속재로 사용한 최초의 원자로라는 점에서 의미가 있다.^[1]

제2차 세계 대전 말기, 앨빈 M. 와인버그의 제안에 따라 X-10 흑연 원자로 상단에서 실험이 진행되었다. 자연 우라늄 연료봉을 일반 물 속에 격자 형태로 배열하여 중성자 증배 계수를 평가한 것이다.^[3] 이 실험은 경수를 감속재 및 냉각재로 사용하고 고체 우라늄을 연료로 하는 원자로의 실현 가능성을 판단하기 위한 것이었다. 실험 결과, 약간 농축된 우라늄을 사용하면 임계 상태에 도달할 수 있다는 결론을 얻었다.^[4] 이는 경수로 개발을 향한 첫 번째 실질적인 걸음이었다.

제2차 세계 대전 이후 농축 우라늄을 비교적 쉽게 구할 수 있게 되면서 새로운 원자로 개념들이 등장했다. 1946년, 유진 위그너와 앨빈 M. 와인버그는 농축 우라늄을 연료로 사용하고 경수를 감속재 및 냉각재로 사용하는 원자로 개념을 제안하고 개발했다.^[3] 이 개념은 중성자속 환경에서 재료들이 어떻게 변하는지 시험하기 위한 원자로, 즉 재료 시험 원자로(MTR)를 위해 제안되었다. MTR은 INL 부지 내 아이다호에 건설되었고, 1952년 3월 31일에 임계에 도달했다.^[5] MTR 설계를 위해서는 추가적인 실험이 필요했기 때문에, ORNL에 MTR의 축소 모형이 건설되어 1차 냉각 계통의 수력학적 성능을 평가하고 중성자 특성을 시험했다. 나중에 저강도 시험 원자로(Low Intensity Test Reactor, LITR)로 명명된 이 MTR 모형은 1950년 2월 4일에 임계에 도달했으며,^[6] 세계 최초의 경수로가 되었다.^[7]

2. 2. 가압수형 원자로 (PWR) 개발

제2차 세계 대전이 끝난 직후, 미국 해군은 캡틴(후일 제독) 하이먼 리코버의 지휘 아래 선박용 원자력 추진을 목표로 하는 프로그램을 시작했다. 1950년대 초에 최초의 가압수형 원자로(PWR)를 개발했으며, 이는 최초의 원자력 잠수함인 노틸러스호의 성공적인 배치로 이어졌다.

한편, 소련은 1950년대 후반에 VVER라는 이름으로 독자적인 방식의 가압수형 원자로를 개발했다. 이 원자로는 미국의 기술과 기능적으로 매우 유사했지만, 서방의 가압수형 원자로와는 다른 특정 설계상의 차이점을 가지고 있었다.

2. 3. 비등수형 원자로 (BWR) 개발

연구원 새뮤얼 언터마이어 2세는 미국 국립 원자로 시험소(현재 아이다호 국립 연구소)에서 BORAX 실험이라는 일련의 테스트를 통해 비등수형 원자로(BWR) 개발을 주도했다.

2. 4. 기타 경수로 개발

스웨덴의 ASEA-ATOM은 PIUS(프로세스 고유의 궁극적 안전, Process Inherent Ultimate Safety)라는 경수로 개념을 설계했다.^[8] 이 개념은 SECURE 원자로^[9]와 마찬가지로, 운영자의 조작이나 외부 에너지 공급 없이 수동적인 조치에 의존하여 안전한 작동을 제공하는 것을 목표로 했다. 그러나 실제로 건설된 PIUS 원자로는 없다.

2020년, 에너지 임팩트 센터(Energy Impact Center)는 OPEN100이라고 불리는 가압 경수로(PWR)의 오픈 소스 엔지니어링 설계를 발표했다.^[10] 이 설계는 300MWth(열출력) 또는 100MWe(전기출력)의 에너지를 생산할 수 있도록 고안되었다.

3. 종류

경수로는 일반 물(H₂O)을 냉각재와 중성자 감속재로 사용하는 원자로이다. 다른 유형의 원자로보다 건설이 비교적 간단하고 비용이 적게 드는 경향이 있어, 2009년 기준으로 전 세계에서 운용 중인 민간 원자력 발전소와 해군 추진 원자로의 대다수를 차지한다.^[11]

경수로는 크게 세 가지 주요 유형으로 나눌 수 있다.^[11]

가압수형 원자로 (PWR, Pressurized Water Reactor): 원자로 노심에서 핵분열로 발생한 열이 고압 상태의 물(1차 냉각재)을 데우고, 이 뜨거운 물은 증기발생기로 보내져 2차 계통의 물을 끓여 증기를 만든다. 이 증기가 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 원자로 유형이다.
비등수형 원자로 (BWR, Boiling Water Reactor): 원자로 노심에서 핵분열로 발생한 열이 직접 물을 끓여 증기를 만들고, 이 증기가 바로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다. PWR 다음으로 많이 사용된다.
초임계수 냉각로 (SCWR, Supercritical Water Reactor): 물을 임계점 이상의 온도와 압력 상태인 초임계 유체로 만들어 냉각재와 감속재로 사용하는 방식이다. 아직 상용화되지 않은 제4세대 원자로 설계 중 하나로 연구 개발이 진행 중이다. 경수로의 일종이지만, 부분적으로만 감속되어 고속 중성자 원자로의 특성도 일부 가진다.^[11]

이 외에도 중수를 사용하는 중수 감속 원자로(CANDU, AHWR), 가스 냉각 원자로(AGCR), 액체 금속 냉각 원자로(LMFBR), 흑연 감속 원자로(RBMK) 등 다양한 유형의 원자로가 존재하지만, 경수로는 운영 경험이 풍부하고 상대적으로 구조가 단순하여 현재 신규 원자력 발전소 건설에서 가장 선호되는 방식이다.^[11] 또한, 대부분의 핵추진 잠수함이나 함선에서도 안전성 등의 이유로 경수로가 주로 사용된다.^[11]

3. 1. 가압수형 원자로 (PWR)

제2차 세계 대전 직후, 미국 해군은 하이먼 리코버 제독의 지휘 아래 선박용 원자력 추진 프로그램을 시작하여 1950년대 초 최초의 가압수형 원자로(PWR)를 개발했다. 이는 최초의 원자력 잠수함인 USS Nautilus의 성공적인 배치로 이어졌다. 소련 역시 1950년대 후반에 VVER라는 이름으로 독자적인 PWR을 개발했는데, 이는 미국 PWR과 기능적으로 유사하지만 설계상 차이점이 있다.

가압수형 원자로(PWR)는 경수로(LWR)의 한 종류로, 일반 물을 냉각재와 감속재로 사용한다. 경수로는 다른 유형의 원자로보다 건설이 비교적 간단하고 비용이 적게 드는 경향이 있어, 전 세계적으로 운용 중인 민간 원자로나 해군 추진 원자로의 대다수를 차지한다.

PWR 수출 경험이 풍부한 국가는 미국(AP1000, 소형 모듈형 PWR 등), 러시아(VVER), 프랑스(AREVA의 EPR), 일본(미쓰비시 중공업의 Advanced Pressurized Water Reactor) 등이 있다. 대한민국과 중화인민공화국 역시 PWR 건설 분야에서 빠르게 성장하고 있으며, 특히 한국은 자체적인 APR-1400과 같은 모델을 설계하고 건설하는 주요 국가로 부상했다.

PWR은 전기 생산 외에도 해양 원자력 추진에 널리 사용된다. 핵 추진 능력을 갖춘 5개 강대국 중 영국 왕립 해군, 중국 인민해방군 해군, 프랑스 해군, 미국 해군 등 4개국은 PWR만을 사용한다. 러시아 해군도 대부분 PWR을 사용하지만, 일부 잠수함(알파급 잠수함 등)에는 액체 금속 냉각 원자로를 사용한 예외적인 경우도 있다. PWR이 해군 추진에 선호되는 주된 이유 중 하나는 안전성이다. 경수가 냉각재와 감속재 역할을 동시에 하므로, 원자로 손상 시 경수가 유출되면 핵 반응이 자연스럽게 멈추는 음의 보이드 반응도 계수 특성을 가진다.

현재 상업적으로 제공되는 주요 PWR 모델은 다음과 같다.

3. 2. 비등수형 원자로 (BWR)

연구원 새뮤얼 언터마이어 2세(Samuel Untermyer II)는 미국 국립 원자로 시험소(현재 아이다호 국립 연구소)에서 BORAX 실험이라는 일련의 테스트를 통해 비등수형 원자로(BWR) 개발을 주도했다. 비등수형 원자로는 경수로의 한 종류로, 핵분열로 발생한 열을 이용해 원자로 용기 안의 물을 직접 끓여 증기를 만들고, 이 증기로 증기 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다.

이는 가압수형 원자로(PWR)와 구분되는 가장 큰 특징이다. PWR은 핵분열로 가열된 1차 냉각수를 증기발생기로 보내 2차 계통의 물을 끓여 증기를 만드는 간접적인 방식을 사용하는 반면, BWR은 원자로 내부에서 직접 증기를 생성하여 터빈으로 보낸다. 따라서 BWR은 PWR에 비해 증기발생기와 같은 별도의 열교환기 계통이 필요 없어 구조가 상대적으로 단순할 수 있다.

비등수형 원자로(BWR)의 작동 원리를 보여주는 애니메이션 다이어그램. 원자로 내부에서 직접 증기를 발생시켜 터빈을 구동한다.

BWR의 노심 구조는 다른 경수로와 유사하게 핵연료와 제어봉으로 구성된다. 연필처럼 생긴 핵연료봉은 각각 길이가 약 3.7m이며, 수백 개씩 묶여 연료 집합체를 이룬다. 연료봉 안에는 우라늄 또는 산화 우라늄 펠릿이 들어있다. 중성자를 잘 흡수하는 하프늄이나 카드뮴 등으로 만들어진 제어봉을 노심에 넣거나 빼면서 핵 연쇄 반응 속도를 조절한다. 이 모든 구조물은 물이 채워진 강철 압력 용기 안에 설치된다.

BWR 기술은 주로 미국과 일본 기업들을 중심으로 개발 및 수출되었다. 미국의 제너럴 일렉트릭(GE)과 일본의 히타치 제작소(Hitachi)는 협력을 통해 ABWR(Advanced Boiling Water Reactor)와 ESBWR(Economic Simplified Boiling Water Reactor) 같은 개선된 모델을 개발하여 건설 및 수출하고 있다. 일본의 도시바(Toshiba) 역시 일본 내 건설을 위해 ABWR의 변형 모델을 제공한다. 과거 서독 역시 BWR 기술의 주요 공급 국가 중 하나였다.

터빈을 돌린 증기는 응축기에서 다시 물로 냉각되며, 이 과정에는 보통 강이나 바닷물이 냉각수로 사용된다. 사용된 냉각수는 다시 강이나 바다로 방류되거나 냉각탑을 통해 열을 대기 중으로 방출한다. 비등수형 원자로는 경수 감속 경수 냉각 압력 용기형 비등수형 원자로로 분류된다.

4. 주요 특징 및 장단점

경수로(LWR, Light Water Reactor)는 일반적인 물(경수)을 냉각재와 감속재로 사용하는 원자로이다. 다른 유형의 원자로에 비해 건설이 비교적 간단하고 비용이 저렴한 경향이 있어, 2009년 기준으로 전 세계에서 운영 중인 상업용 원자력 발전소와 해군 추진용 원자로의 대다수를 차지한다.

주요 유형으로는 가압 경수로(PWR, Pressurized Water Reactor)와 비등수형 원자로(BWR, Boiling Water Reactor)가 있으며, 초임계수 냉각로(SCWR, Supercritical Water Reactor)는 아직 개발 중인 제4세대 원자로 설계에 속한다.

경수로는 전기 생산 능력 면에서 다른 유형의 원자로와 비슷하지만, 건설의 용이성과 운영 경험의 축적으로 인해 새로운 원자력 발전소 건설 시 선호되는 경향이 있다. 또한, 미국 해군, 영국 왕립 해군, 프랑스 해군, 중국 인민해방군 해군 등 다수 국가의 원자력 잠수함 및 항공모함에서 사용되는 등 해군 원자력 추진 분야에서도 널리 사용된다. 러시아 해군은 일부 액체 금속 냉각 원자로를 사용하기도 했으나, 대부분은 경수로를 사용한다.

4. 1. 장점

경수로는 다른 유형의 원자로에 비해 건설 과정이 상대적으로 간단하고 비용이 저렴한 경향이 있다. 또한, 일반 물(경수)의 큰 중성자 감속 능력 덕분에 감속재를 얇게 만들고 연료봉을 조밀하게 배치할 수 있어, 흑연로나 중수로보다 원자로 크기를 작게 만들 수 있다. 특히 가압 경수로(PWR)는 구조적으로 콤팩트한 설계가 가능하여, 군사용을 포함한 선박용 원자로로 널리 사용된다. 실제로 영국 왕립 해군, 중국 인민해방군 해군, 프랑스 해군, 미국 해군 등 주요 해군 강국들은 대부분 경수로를 사용하며, 이는 경수로의 내재된 안전성 덕분이기도 하다. 경수로는 냉각재와 감속재로 모두 물을 사용하는데, 만약 사고로 원자로의 구조가 손상되어 물이 유출되면 핵 반응이 자연스럽게 멈추는 특성(부 보이드 반응도 계수)을 가지고 있다.

핵 확산 방지 측면에서도 장점이 있다. 경수로는 주로 저농축 우라늄을 연료로 사용하는데, 이는 그 자체로는 핵무기의 재료로 사용하기 어렵다. 다만, 우라늄 농축 기술 자체는 핵무기 개발로 이어질 수 있어 국제적으로 엄격하게 관리된다. 또한, 상업용 경수로는 경제성을 높이기 위해 핵연료의 연소도를 높게 설정한다. 이 때문에 사용후 핵연료에서 추출되는 플루토늄에는 핵무기 원료로 쓰이는 ²³⁹Pu의 비율이 약 60% 정도이며, 핵무기에 부적합한 ²⁴⁰Pu의 비율이 40%를 넘어 핵무기 제조가 실질적으로 어렵다. ²⁴⁰Pu가 7% 이상 포함되면 조기 핵폭발을 일으킬 수 있어, 무기급 플루토늄은 ²³⁹Pu 순도가 93% 이상이어야 한다. 물론, 연소도를 낮게 유지하면 ²³⁹Pu의 비율을 높일 수 있지만, 일반적인 경수로는 운전 중 연료 교체가 어려워 잦은 가동 중단이 필요하므로 효율적인 무기급 플루토늄 생산은 어렵다. 그러나 경제성을 완전히 무시한다면 불가능한 것은 아니다. 한편, 원자력 잠수함과 같이 연료 교체가 매우 어려운 경우에는 교체 주기를 늘리기 위해 고농축 우라늄을 사용하는 경우도 있다.

4. 2. 단점

핵폐기물 문제: 사용 후 핵연료는 여전히 강한 방사능을 띠고 있어 안전한 처리가 필수적이다. 경수로는 열효율이 낮아 발전 출력 대비 방사성 폐기물 배출량이 상대적으로 많다는 문제점이 지적되기도 한다.^[14]
사고 위험성: 중대한 원자력 사고가 발생할 경우, 방사성 물질이 외부로 누출될 위험이 존재한다. 비록 해군용 원자로 등에서는 부 보이드 반응도 계수와 같은 안전 기능이 있지만, 상업용 발전소에서는 여전히 잠재적인 위험성을 안고 있다.
낮은 열효율: 증기 온도가 상대적으로 낮아 열효율이 떨어진다. 화력 발전소의 증기 온도가 600°C를 넘는 데 반해, 경수로 냉각수는 최고 300°C 전후에 머문다. 이는 연료 피복관으로 사용되는 지르코늄 합금 (지르칼로이)이 450°C 이상의 고압 환경에서 변형되기 때문이다.^[14] 이로 인해 경수로의 열효율은 약 30% 수준으로, 화력 발전의 43%보다 낮다. 낮은 열효율은 발전량 대비 연료 소비량과 방사성 폐기물 배출량을 늘리는 원인이 된다.^[14] 또한 지르코늄 합금은 700°C 정도에서 수증기와 반응하여 수소를 발생시키고 부서질 수 있어, 노내 수증기 온도를 이보다 충분히 낮게 유지해야 한다.
부하 추종 운전의 어려움: 전력 수요 변동에 맞춰 발전 출력을 단시간에 조절하는 부하 추종 운전이 어렵다. 출력을 급격히 변경하면 오래된 연료 피복관에 열 충격으로 인한 미세한 구멍(핀홀)이 생길 수 있다.^[15] 연료 피복관은 시간이 지남에 따라 산화나 수소 취성으로 인해 연성이 떨어지며, 내부 연료 펠릿의 팽창(스웰링)으로 인해 인장 응력을 받게 되어^[15] 온도 변화에 취약해진다. 이러한 이유로 원자력 발전소는 주로 변동이 적은 기저 부하를 담당하고, 수요 변동에 따른 출력 조절은 화력 발전소가 맡는 경우가 많다.
제논(Xe) 축적 문제: 원자로를 낮은 출력으로 운전하면 핵분열 과정에서 생성되는 방사성 제논 동위원소인 ¹³⁵Xe가 축적되기 쉽다. ¹³⁵Xe는 중성자를 흡수하여 원자로의 반응도를 떨어뜨리는데, 이를 제논 오버라이드라고 한다. ¹³⁵Xe의 반감기는 약 9시간이며, 그 영향이 충분히 줄어들기까지(10% 미만) 약 36시간이 소요된다. 이 시간 동안에는 충분한 잉여 반응도가 없으면 원자로를 다시 가동하기 어려울 수 있다.

5. 원자로 설계

경수로는 제어된 핵분열 반응을 통해 열을 발생시키는 장치이다. 원자로의 핵심 부분인 원자로 노심은 핵반응이 실제로 일어나는 곳으로, 주로 핵연료와 제어봉으로 구성된다.

핵연료는 보통 연필처럼 가느다란 봉 형태로 만들어지며, 각 연료봉의 길이는 약 3.7m에 달한다. 이 연료봉 수백 개를 묶어 연료 집합체를 만든다. 각 연료봉 내부에는 우라늄 또는 더 흔하게 사용되는 산화 우라늄을 작은 원기둥 모양(펠릿)으로 만들어 차곡차곡 쌓아 넣는다. 핵연료의 상세한 내용은 #연료 섹션에서 다룬다.

제어봉은 핵분열 속도를 조절하는 역할을 한다. 이 봉에는 중성자를 쉽게 흡수하는 하프늄이나 카드뮴 같은 물질이 들어있다. 제어봉을 노심 깊숙이 넣으면 더 많은 중성자를 흡수하여 핵분열 연쇄 반응이 느려지고, 반대로 제어봉을 빼내면 더 많은 중성자가 핵연료의 우라늄-235나 플루토늄-239 원자와 충돌하여 연쇄 반응이 활발해진다. 제어봉을 이용한 반응도 조절에 대한 자세한 내용은 #제어 섹션에서 설명한다.

이러한 핵연료 집합체와 제어봉 등 노심의 모든 구성 요소는 물이 채워진 두꺼운 강철 압력 용기인 원자로 용기 안에 안전하게 설치된다.

경수로는 작동 방식에 따라 크게 비등수형 원자로(BWR)와 가압수형 원자로(PWR)로 나뉜다.

비등수형 원자로 (BWR): 핵분열에서 발생한 열이 원자로 용기 안의 물을 직접 끓여 증기로 만든다. 이 증기를 이용해 발전 터빈을 돌린다.
가압수형 원자로 (PWR): 핵분열 열로 원자로 용기 안의 물을 고온 고압 상태로 유지하고, 이 뜨거운 물을 증기발생기라는 별도의 열교환기로 보내 2차 계통의 물을 끓여 증기를 만든다. 이 증기로 발전 터빈을 돌린다.

두 방식 모두 터빈을 돌린 증기는 복수기에서 다시 물로 냉각되어 재사용된다. 이 복수기를 냉각시키는 데 필요한 물은 주로 인근 강이나 바다에서 끌어오며, 사용 후에는 데워진 상태로 다시 방류하거나 냉각탑을 이용해 대기 중으로 열을 방출한다. 원자로 냉각에 대한 자세한 내용은 #냉각 섹션에서 다룬다.

5. 1. 연료

일반적인 물을 사용하는 경수로(light-water reactor)는 원자로의 필요한 임계 상태를 유지하기 위해 우라늄 연료를 어느 정도 농축해야 한다. 경수로는 주로 약 3% 정도로 농축된 우라늄-235를 연료로 사용한다. 이것이 주요 연료이며, 우라늄-238 원자 일부도 핵분열 과정에서 플루토늄-239로 변환되어 핵분열에 기여하는데, 이 중 약 절반이 원자로 내에서 소모된다. 경수로는 일반적으로 12~18개월마다 재장전하며, 이때 전체 연료의 약 25%가 교체된다.

연료 제작 과정은 농축된 육불화 우라늄(UF₆)을 이산화 우라늄(UO₂) 분말로 전환하는 것에서 시작된다. 이 분말은 압축되어 펠릿 형태로 만들어진 후, 고온 소결로에서 구워져 단단한 세라믹 농축 우라늄 펠릿이 된다. 원통형 펠릿은 균일한 크기를 갖도록 연마 과정을 거친다. 만들어진 산화 우라늄 펠릿은 내식성 금속 합금 튜브에 삽입되기 전에 건조 과정을 거친다. 이는 세라믹 연료의 부식이나 수소 취성을 유발할 수 있는 수분을 제거하기 위함이다. 펠릿은 각 원자로 설계 사양에 따라 금속 튜브 안에 쌓인다. 튜브는 연료 펠릿을 담아 밀봉되며, 이렇게 완성된 것을 연료봉이라고 부른다.

완성된 연료봉들은 특수한 연료 집합체로 묶여 원자로의 원자로심을 구성하는 데 사용된다. 연료봉을 감싸는 튜브의 재질은 원자로 설계에 따라 다른데, 과거에는 스테인리스강이 사용되기도 했으나 현재 대부분의 원자로에서는 지르코늄 합금을 사용한다. 가장 일반적인 유형의 원자로에서는 연료봉 튜브들이 정확한 간격을 두고 묶인다. 각 연료 묶음에는 고유 식별 번호가 부여되어 제조부터 사용 후 폐기까지 추적 관리된다.

가압 경수로(PWR) 연료는 여러 개의 원통형 연료봉을 묶음 형태로 배열한 것이다. 산화 우라늄 세라믹 펠릿은 지르코늄 합금 튜브에 삽입되며, 이 튜브들이 함께 묶여 연료 집합체를 이룬다. 지르코늄 합금 튜브의 직경은 약 1cm이고, 연료 펠릿과 피복재 사이의 간극은 연료에서 피복재로의 열 전달을 개선하기 위해 헬륨 가스로 채워진다. 연료 묶음 하나당 약 179개에서 264개의 연료봉이 들어가며, 원자로심에는 약 121개에서 193개의 연료 묶음이 장전된다. 일반적으로 연료 묶음은 14x14개에서 17x17개의 배열로 연료봉을 묶어서 구성한다. PWR 연료 묶음의 길이는 약 4m이다. 지르코늄 합금 튜브는 헬륨으로 가압되는데, 이는 장기간 운전 시 발생할 수 있는 펠릿-피복재 상호작용으로 인한 연료봉 손상을 최소화하기 위함이다.

비등수형 원자로(BWR)의 연료는 PWR 연료와 유사하지만, 각 연료 묶음이 "캐닝(canning)"되어 있다는 차이점이 있다. 즉, 각 묶음을 둘러싸는 얇은 튜브(채널 상자)가 있다. 이는 주로 국소적인 물의 밀도 변화가 원자로심 전체의 중성자 물리학 및 열수력 특성에 미치는 영향을 줄이기 위해 적용된다. 최신 BWR 연료 묶음에는 제조업체에 따라 묶음당 91개, 92개 또는 96개의 연료봉이 포함된다. 원자로심을 구성하는 연료 집합체의 수는 가장 작은 원자로의 경우 368개부터 가장 큰 미국 BWR의 경우 800개까지 다양하다. 각 BWR 연료봉 내부에는 약 3기압(300 kPa)의 압력으로 헬륨이 채워져 있다.

5. 2. 제어

제어봉은 보통 여러 개가 묶인 제어봉 집합체 형태로 사용된다. 상업용 가압 경수로(PWR)의 경우, 보통 20개의 제어봉이 하나의 집합체를 이루어 핵연료 요소 안의 안내관(가이드 튜브)에 삽입된다. 제어봉은 중성자를 흡수하는 물질(예: 하프늄, 카드뮴)로 만들어져, 원자로 노심에 삽입하거나 인출함으로써 핵분열을 일으킬 중성자의 수를 조절한다. 이를 통해 원자로의 열 출력, 증기 발생량, 그리고 최종적으로 생산되는 전력량을 제어할 수 있다. 핵분열 연쇄 반응이 지속되도록 하려면 제어봉을 노심에서 부분적으로 빼내야 한다. 노심에 삽입되는 제어봉의 개수와 삽입 깊이를 조절하여 원자로의 반응도를 정밀하게 제어한다.

제어봉 외에도 반응도를 제어하는 다른 방법들이 있다. 가압 경수로(PWR)에서는 중성자를 흡수하는 붕산을 냉각재에 녹여 넣어 반응도를 조절하기도 한다. 이를 통해 평상시 운전 중에는 제어봉을 완전히 빼내어 노심 전체에 걸쳐 출력과 중성자속 분포를 균일하게 유지할 수 있다. 비등수형 원자로(BWR)에서는 노심을 통과하는 냉각수의 흐름 속도를 조절하여 반응도를 제어한다. 냉각수 흐름을 빠르게 하면 증기 기포 제거가 개선되어 냉각수/감속재의 밀도를 증가시키고, 그 결과 출력을 감소시킨다.

5. 3. 냉각

경수로는 원자로 노심을 냉각하기 위해 일반적인 물, 즉 경수를 사용한다. 냉각수로 사용되는 경수는 원자로 노심을 순환하면서 노심에서 발생하는 열을 흡수한다. 이 열은 원자로 밖으로 전달되어 증기를 생성하는 데 사용된다.

대부분의 원자로 시스템, 예를 들어 가압수형 원자로(PWR)는 터빈을 돌리기 위한 가압 증기를 생산하는 증기발생기와 원자로 냉각 시스템을 물리적으로 분리하여 운영한다. 반면, 비등수형 원자로(BWR)와 같은 일부 원자로에서는 증기 터빈에 사용될 물을 원자로 노심에서 직접 끓여 증기를 만든다.

RBMK 원자로와 일부 군사용 플루토늄 생산 원자로처럼 다른 많은 유형의 원자로들도 냉각 방식으로 경수를 사용하지만, 이들은 흑연을 감속재로 사용하기 때문에 경수로로 분류되지 않으며 핵 물리적 특성도 상당히 다르다.

경수를 냉각재와 감속재로 함께 사용하는 것은 중요한 안전 특성으로 이어진다. 만약 냉각재 상실 사고(LOCA)가 발생하면, 냉각수뿐만 아니라 감속재 역할도 하던 경수가 함께 사라지게 된다. 감속재가 없어지면 고속 중성자가 열 중성자로 느려지지 못해 핵분열 연쇄 반응이 스스로 멈추게 된다. 이러한 고유 안전 특성을 음의 반응도 계수(specifically, negative void coefficient)라고 부른다.

핵 연쇄 반응이 중단된 후에도, 핵분열 과정에서 생성된 방사성 부산물의 붕괴열 때문에 원자로 정격 출력의 약 5%에 해당하는 열이 계속 발생한다. 이 붕괴열은 원자로 정지 후 1년에서 3년 동안 지속되며, 이 기간 동안에는 원자로가 과열되어 노심이 녹는 것을 방지하기 위해 지속적인 냉각이 필수적이다. 붕괴열 자체는 활발한 핵분열 반응만큼 강력하지는 않지만, 제대로 관리되지 않으면 심각한 사고로 이어질 수 있는 위험 요소이다. 특히 온도가 2200°C를 초과하면 냉각수가 열분해되어 수소와 산소로 분리될 수 있으며, 이는 화학적 폭발의 위험을 야기한다. 붕괴열은 경수로 안전 기록에서 주요 위험 요소 중 하나로 꼽힌다.

6. 한국의 경수로 도입 및 현황

6. 1. 도입 초기

일본에서는 제2차 세계 대전 이후 경수로를 이용한 원자력 발전 도입이 결정되었다. 이때 자체 개발과 해외 기술 도입(주로 미국)이라는 두 가지 방침이 채택되었다. 전력 회사들이 상업용 원자로를 도입할 때는 PWR과 BWR을 함께 사용하는 방식으로 해외 기술을 받아들이기로 결정했으며, 이때 형성된 전력 회사, 플랜트 제조사, 그리고 이를 지원하는 대학 간의 협력 관계는 다음과 같았다.

원자로 유형	전력 회사	플랜트 제조사	지원 대학
PWR	간사이 전력	미쓰비시 중공업	교토 대학
BWR	도쿄 전력	히타치 제작소 · 도시바	도쿄 대학

이러한 협력 구조는 현재까지도 유지되고 있으며, 이후 원자력 발전에 참여한 다른 전력 회사들도 이 두 그룹 중 하나를 따르고 있다.

참조

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_[16] 저널 북미 상호 불신과 제네바합의의 붕괴:경수로 핵전용 가능성의 정치·군사적 효용가치를 중심으로 https://nkorea.or.kr[...] 북한연구소 2013

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