흑연 감속로

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 초기 개발
- 2.2. 사고
3. 유형
4. 연구용 원자로
5. 문제점
- 5.1. 안전 문제
- 5.2. 기타 문제점
참조

1. 개요

흑연 감속로는 흑연을 중성자 감속재로 사용하는 원자로의 한 종류이다. 1942년 엔리코 페르미가 개발한 최초의 인공 핵 반응로인 시카고 파일 1이 흑연 감속로였으며, 이후 X-10 흑연 반응로가 건설되었다. 흑연 감속로는 가스 냉각 원자로, 물 냉각 원자로, 고온 가스 냉각 원자로 등 다양한 유형으로 개발되었으며, 상업적 전력 생산 및 연구 목적으로 사용되었다. 윈드스케일 화재, 체르노빌 원자력 발전소 사고 등 심각한 원자력 사고가 발생했으며, 스크럼 시 출력 급증 가능성, 흑연의 연소 위험, 노심 크기 문제, 무기급 플루토늄 생산 용이성 등의 안전 및 기술적 문제점을 가지고 있다.

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흑연 감속로
개요
유형	원자로
감속재	흑연
역사
개발	제2차 세계 대전 중 맨해튼 계획
첫 번째 흑연 감속로	시카고 파일-1 (1942년)
설계 및 특징
핵연료	천연 우라늄 농축 우라늄
냉각재	물 기체 (이산화 탄소, 헬륨)
제어봉	붕소 함유 강철
장점	중성자 경제성 우수 대형로 건설 용이
단점	흑연의 베릴륨 축적 위험 화재 위험
주요 흑연 감속로 유형
RBMK	소련 개발 체르노빌 원자력 발전소 사고 원인이 됨
UNGG	프랑스 개발
시카고 파일-1	세계 최초의 원자로
안전성
사고 위험	흑연의 화재 가능성
안전 대책	흑연의 불활성화 다양한 안전 시스템

2. 역사

S.R. 새피리, 앨버트 고어 시니어 상원의원, 린든 존슨 상원의원, 존 스와트아웃 박사가 1958년 10월 19일 오크리지 국립 연구소에서 흑연 감속로 모형을 보고 있다.

1942년 엔리코 페르미가 이끄는 팀은 최초의 인공 핵반응로인 시카고 파일 1을 건설했다. 시카고 파일 1은 0.5와트에서 200와트 사이의 전력을 생산하는 흑연 감속 장치였다. 이 반응로("원자 파일") 건설 및 테스트는 맨해튼 계획의 일부였다. 이 작업은 연속 운전을 위해 설계 및 제작된 최초의 핵 반응로인 X-10 흑연 반응로를 오크리지 국립 연구소에 건설하는 것으로 이어졌으며, 1943년에 가동을 시작했다.

2. 1. 초기 개발

1942년 엔리코 페르미가 이끄는 팀은 세계 최초의 인공 핵반응로인 시카고 파일 1을 건설했다. 시카고 파일 1은 0.5와트에서 200와트 사이의 전력을 생산하는 흑연 감속 장치였다. 이 반응로("원자 파일")의 건설 및 테스트는 맨해튼 계획의 일부였다. 이 작업은 연속 운전을 위해 설계 및 제작된 최초의 핵 반응로인 X-10 흑연 반응로를 오크리지 국립 연구소에 건설하는 것으로 이어졌으며, X-10 흑연 반응로는 1943년에 가동을 시작했다.

2. 2. 사고

윈드스케일 화재와 체르노빌 원자력 발전소 사고는 흑연 감속로에서 발생한 가장 잘 알려진 원자력 사고이다.

윈드스케일 화재에서는 시험되지 않은 흑연 어닐링 공정이 사용되었고, 이는 사고의 원인이 되었다. 하지만 화재가 발생한 것은 흑연이 아닌 원자로의 우라늄 연료였다. 흑연 감속재 손상은 연소된 연료 요소 주변에서 국지적으로 발견되었다.^[2]^[3]

체르노빌 원자력 발전소 사고에서 흑연은 사고 원인에 기여한 요인이었다. 충분한 냉각 부족으로 인한 과열로 연료봉이 손상되기 시작했다. SCRAM (AZ5) 버튼을 눌러 원자로를 정지시킨 후, 제어봉이 노심 중간에 걸려 흑연에 핵연료가 반응하면서 양성 루프가 발생했다. 이것은 파열 전 사건의 "최종 방아쇠"라고 불렸다. 주요 사건 이후 흑연 화재는 방사성 물질의 확산에 기여했다. 잘못 처리된 실험 중 체르노빌의 대규모 출력 급증으로 인해 원자로 용기가 파열되고 일련의 증기 폭발이 발생하여 원자로 건물이 파괴되었다. 이제 공기와 원자로 노심의 열에 노출된 원자로 노심의 흑연 감속재에 불이 붙었고, 이 화재는 고도로 방사성 낙진 덩어리를 대기 중으로, 광범위한 지리적 지역으로 보냈다.^[4]

또한, 프랑스의 생로랑 원자력 발전소와 스페인의 반데로스 원자력 발전소 - 모두 UNGG 흑연 감속 천연 우라늄 원자로 - 에서 대형 사고가 발생했다. 특히 주목할 만한 것은 1969년 10월 17일에 발생한 노심 부분 용융과 1980년 3월 13일에 생로랑에서 흑연 어닐링 중 발생한 열 폭주로, 둘 다 INES 4등급으로 분류되었다. 반데로스 원자력 발전소는 1989년 10월 19일에 손상되었고 수리는 경제성이 없는 것으로 간주되었다.

3. 유형

상업적 전력 생산에 사용된 흑연 감속로는 다음과 같은 유형이 있다.^[1]

가스 냉각 원자로: 매그녹스, UNGG, 개량형 가스 냉각 원자로(AGR)
물 냉각 원자로: RBMK, MKER, EGP-6, 핸포드 N-원자로(이중 사용), ADE-2
고온 가스 냉각 원자로:
과거: 드래곤, AVR, 피치 보텀 원자력 발전소 1호기, THTR-300, 포트 세인트 브레인 발전소
개발 또는 건설 중: 페블 베드 원자로, 초고온 원자로, 프리즈매틱 연료 원자로, UHTREX
기타: 용융염 원자로
흑연 감속 원자로(소련 개발): LWGR, RBMK
흑연 감속 가스 냉각로(영국 개발): GCR

3. 1. 가스 냉각 원자로

매그녹스^[1], UNGG^[1], 개량형 가스 냉각 원자로(AGR)^[1]는 가스 냉각 원자로이다.

매그녹스는 영국에서 개발되었으며, 천연 우라늄을 연료로, 이산화 탄소를 냉각재로 사용한다. 일본 도카이 발전소에 도입되었으며, 내진 구조로 개조되었다.^[1]

개량형 가스 냉각 원자로(AGR)는 매그녹스 원자로의 개량형으로, 농축 우라늄을 연료로 사용한다.^[1]

UNGG는 프랑스에서 개발된 가스 냉각 원자로로, 천연 우라늄을 연료로 사용한다.^[1]

3. 2. 물 냉각 원자로

RBMK^[1]: 소련에서 개발된 흑연 감속 비등 경수 압력관형 원자로로, 체르노빌 원자력 발전소에서 사용되었다. 상트페테르부르크(레닌그라드 원자력 발전소)에서 가동 중이다.
MKER^[1]: RBMK 원자로의 개량형이다.
EGP-6^[1]: 소형 RBMK 원자로이다.
핸포드 N-원자로^[1]: 미국 핸포드에서 건설된 이중 목적(플루토늄 생산 및 전력 생산) 원자로이다.
ADE-2^[1]: 소련에서 건설된 이중 목적 원자로이다.

3. 3. 고온 가스 냉각 원자로

과거에 운영되었거나 개발 중인 고온 가스 냉각 원자로는 다음과 같다.^[1]

드래곤
AVR
피치 보텀 원자력 발전소 1호기
THTR-300
포트 세인트 브레인 발전소

현재 개발 또는 건설 중인 고온 가스 냉각 원자로는 다음과 같다.

페블 베드 원자로
초고온 원자로
프리즈매틱 연료 원자로
UHTREX 초고온 원자로 실험

미국, 독일에는 흑연 감속 헬륨 냉각로(고온 가스 냉각로)가 있다.

3. 4. 기타

용융염 원자로는 용융된 염을 연료 및 냉각재로 사용하는 원자로이다.^[1]

4. 연구용 원자로

흑연은 연구용 또는 실험용 원자로에도 많이 사용되었다.

시카고 파일 1
시카고 파일 2
과도 반응도 시험 시설(TREAT)
용융염 원자로 실험(MSRE)
흑연 감속 가압 경수 냉각로(LWGR) → 소련 개발
흑연 감속 비등 경수 압력관형 원자로(RBMK) → 소련 개발 → 체르노빌 원자력 발전소에서 사용.
* 상트페테르부르크(레닌그라드 원자력 발전소)에서 가동 중
흑연 감속 가스 냉각로(GCR) → 영국 개발
* 흑연 감속 탄산 가스(이산화 탄소) 냉각로(마그녹스 원자로)
** 한 기만 일본에도 건설되었다(도카이 발전소). 건설 과정에서 내진 구조로 만들기 위한 개조가 이루어졌다.
* 흑연 감속 헬륨 냉각로(고온 가스 냉각로)
** 미국, 독일에 있다.

5. 문제점

흑연 감속로는 몇 가지 기술적, 안전상의 문제점을 가지고 있다.

노심 크기: 흑연은 경수로보다 중성자 감속 능력이 작아, 같은 출력을 내려면 노심이 더 커야 한다.
질량 감소: 운전 중 흑연이 산소와 반응하여 CO가 되면서 질량이 조금씩 감소한다.
핵연료 효율: 핵연소도가 낮아 핵연료를 경수로만큼 효율적으로 사용하기 어렵다. 이는 발전소의 경제성 문제를 일으킨다.
핵무기 재료 생산: 핵연소도가 낮아 플루토늄 239 함량이 높아져 핵무기 재료(무기급 플루토늄, 239가 93% 이상)를 만들기 쉽다. 이는 핵무기 확산의 위험성을 높인다.

5. 1. 안전 문제

흑연 감속로에서는 윈드스케일 화재, 체르노빌 원자력 발전소 사고 등 여러 차례의 심각한 원자력 사고가 발생했다.^[2]

체르노빌 사고에서 흑연은 사고의 주요 원인 중 하나였다. 냉각 부족으로 연료봉이 손상된 상황에서 SCRAM(긴급 정지) 버튼(AZ5)을 눌러 원자로를 정지시켰으나, 제어봉이 노심 중간에 걸리면서 흑연과 핵연료가 반응하여 양성 루프가 발생했다. 이는 파열 전 사건의 "최종 방아쇠"라고 불렸다.^[4] 주요 사건 이후 흑연 화재는 방사성 물질 확산에 큰 영향을 주었다. 잘못된 실험 중 체르노빌의 대규모 출력 급증으로 원자로 용기가 파열되고 증기 폭발이 발생하여 원자로 건물이 파괴되었다. 공기와 원자로 노심의 열에 노출된 흑연 감속재에 불이 붙었고, 이 화재는 방사성 낙진을 대기 중으로 광범위하게 퍼뜨렸다.^[4]

프랑스의 생로랑 원자력 발전소와 스페인의 반데로스 원자력 발전소(모두 UNGG 흑연 감속 천연 우라늄 원자로)에서도 대형 사고가 발생했다. 특히 1969년 10월 17일 생로랑 원자력 발전소에서는 노심 부분 용융이, 1980년 3월 13일에는 흑연 어닐링 중 열 폭주가 발생하여 INES 4등급으로 분류되었다. 반데로스 원자력 발전소는 1989년 10월 19일에 손상되었고, 수리는 경제성이 없는 것으로 판단되었다.

흑연로에서 스크럼 동작은 흑연 제어봉을 제거하고 중성자 흡수가 큰 경수를 도입하는 것이다. 흑연 제어봉을 내리는 원자로(RBMK-1000)의 경우, 하부 온도가 높을 때 스크럼을 하면 하부에서 핵분열이 촉진되고 증기가 대량 발생하며, 반응로 상부도 증기로 채워져 중성자 흡수가 저하되고 핵분열 반응이 촉진되어 출력이 급상승할 수 있다.

흑연은 중성자 감속 능력이 경수보다 작기 때문에 경수로보다 노심이 커야 한다. 또한 운전 중 흑연이 공기 중 산소와 반응하여 CO가 되면서 질량이 조금씩 감소한다.

흑연 감속로는 핵연소 정도가 낮아 플루토늄 239의 함유량이 높아 핵무기 재료가 되는 무기급 플루토늄(239가 93% 이상)을 만들기 쉽다. 따라서 핵무기 대량 생산 과정의 핵심이 될 수 있다. 또한 핵연소 정도가 낮아 핵연료 에너지를 경수로만큼 효율적으로 사용할 수 없어, 발전로로서 연료 이용 효율이 낮고 경제성 문제가 있다.

5. 2. 기타 문제점

경수로보다 중성자 감속 능력이 작기 때문에, 같은 출력이면 경수로에 비해 노심이 커져야 한다.
운전 중에는 감속재인 흑연이 공기 중의 산소와 반응하여 CO가 되는 등 질량이 조금씩 감소한다.
핵연소도가 낮아 플루토늄 239의 함량이 높기 때문에, 핵무기 재료가 되는 무기급 플루토늄(239가 93% 이상)을 생산하기 쉽다. 따라서 핵무기 대량 생산 과정의 핵심부를 형성할 수 있다.
핵연소도가 낮기 때문에 핵연료의 에너지를 경수로와 비교하면 효율적으로 사용할 수 없다. 즉, 발전소로서의 연료 이용 효율이 나빠 경제성에 문제가 있다.

참조

_[1] 웹사이트 Russia’s ADE-2 industrial uranium-graphite reactor to become museum https://www.neimagaz[...] 2024-12-14
_[2] 웹사이트 Meeting of RG2 with Windscale Pile 1 Decommissioning Project Team http://www.hse.gov.u[...] Nuclear Safety Advisory Committee 2008-11-26
_[3] 간행물 Evaluation of graphite safety issues for the British production piles at Windscale http://www.iaea.org/[...] IAEA 2010-11-13
_[4] 웹사이트 Frequently Asked Chernobyl Questions http://www.iaea.org/[...] International Atomic Energy Agency – Division of Public Information 2011-03-23

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