노심
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목차
1. 개요
노심은 원자로의 핵심 부분으로, 핵분열 연쇄 반응이 일어나는 곳이다. 노심의 구성 요소와 형태는 원자로의 종류에 따라 다르며, 핵분열 시 발생하는 중성자 종류에 따라 고속로와 열중성자로로 구분된다. 노심은 핵연료, 감속재, 냉각재, 제어봉, 가연성독물봉 등으로 구성되며, 원자로의 안전성과 효율성을 높이기 위해 다양한 재료들이 사용된다. 가압 경수로, 비등수형 원자로, 흑연 감속로, 고속 중성자로 등 원자로 종류에 따라 노심의 구성과 특성이 다르다.
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| 노심 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 핵반응 |
| 사용 | 원자력 발전소, 핵잠수함, 연구 |
| 관련 용어 | 핵연료, 제어봉, 감속재, 냉각재 |
| 설명 | |
| 정의 | 원자로의 중심 부분으로 핵연료가 위치하며, 핵분열 연쇄 반응이 일어나는 곳 |
| 구성 요소 | 핵연료 감속재 제어봉 냉각재 |
| 핵연료 | 주요 핵연료: 우라늄 (U-235, U-238), 플루토늄 (Pu-239) 핵분열 용이 핵종: U-235 |
| 감속재 | 역할: 고속 중성자 감속, 핵분열 효율 증가 종류: 경수, 중수, 흑연, 베릴륨 |
| 제어봉 | 역할: 중성자 흡수, 연쇄 반응 제어 재료: 붕소, 카드뮴, 하프늄 |
| 냉각재 | 역할: 노심에서 발생한 열 제거, 증기 발생기로 전달 종류: 경수, 중수, 액체 나트륨, 헬륨, 이산화탄소 |
| 작동 원리 | 핵분열 연쇄 반응: 중성자가 핵연료와 충돌하여 핵분열 유도, 추가 중성자 방출 제어봉 역할: 과도한 반응 억제, 안전 유지 감속재 역할: 핵분열 효율 증가 냉각재 역할: 발생한 열 제거 |
| 원자로 종류별 노심 특징 | |
| 가압 경수로 (PWR) | 핵연료: 산화 우라늄 감속재/냉각재: 경수 특징: 높은 열효율, 안정성 |
| 비등 경수로 (BWR) | 핵연료: 산화 우라늄 감속재/냉각재: 경수 특징: 구조 간단, 직접 증기 생성 |
| 중수로 (CANDU) | 핵연료: 천연 우라늄 감속재: 중수 냉각재: 중수 또는 경수 특징: 천연 우라늄 사용 가능, 높은 중성자 경제성 |
| 고속로 (FBR) | 핵연료: 플루토늄, 농축 우라늄 냉각재: 액체 나트륨 특징: 고속 중성자 이용, 핵연료 자원 효율성 증대 |
| 연구로 | 핵연료: 농축 우라늄 감속재/냉각재: 경수, 중수, 흑연 특징: 다양한 실험 및 연구 목적 활용 |
| 안전성 | |
| 고려 사항 | 노심 용융 방지: 냉각재 상실 사고 (LOCA) 대비 방사성 물질 누출 방지: 다중 방호벽 설치 (핵연료 피복재, 원자로 용기, 격납 건물) 지진, 테러 대비: 내진 설계, 보안 강화 |
| 미래 | |
| 연구 방향 | 차세대 원자로 개발: SFR, HTGR, 초임계압 경수로 등 핵연료 개발: 사고 저항성 핵연료 (ATF) 핵폐기물 처리 기술 개발: 파이로프로세싱, 소멸 처리 |
2. 원자로 노심의 구성 요소
노심의 구성 요소는 원자로의 종류에 따라 다르다. 원자로는 핵분열을 일으키는 중성자의 종류에 따라 고속로와 열중성자로 나뉜다.[1]
- 고속로: 핵분열 시 발생하는 고속중성자를 그대로 연쇄 핵분열에 사용한다. 감속재를 사용하지 않으며, 핵연료, 제어봉, 블랭킷연료(핵변환을 통해 연료로 만들기 위해 넣는 연료)로 구성된다. 냉각재로는 소듐(Na)이나 납(Pb) 등의 액체 금속을 사용한다.[1]
- 열중성자로: 고속중성자를 감속재를 이용해 우라늄 핵분열에 유리한 열중성자로 바꾼 후 연쇄 핵분열을 일으킨다. 감속재, 냉각재, 제어봉, 가연성 독물봉 등의 구성 요소가 필요하다.[1]
노심 슈라우드는 원자로 내부에 위치하며, 노심 내부의 핵반응을 냉각시키기 위해 물의 흐름을 유도한다.
원자력 발전소에서는 각 원자로의 노심 특성에 따라 다양한 구성재들을 서로 보완하여 사용하면서, 더 안전하고 효율적인 노심을 만들기 위해 노력하고 있다.[1]
2. 1. 핵연료
원자로는 핵분열을 일으키는 중성자의 종류에 따라 고속로와 열중성자로로 나뉜다. 열중성자로는 고속중성자를 우라늄 핵분열에 유리한 열중성자로 바꾸어 연쇄반응을 일으키는데, 이때 고속중성자를 열중성자로 바꿔 주는 물질이 감속재이다.핵연료로는 농축우라늄 또는 천연우라늄을 사용한다. 가압경수로에서는 농축우라늄을, 중수로에서는 천연우라늄을 핵연료로 사용한다.[1] 가압 경수로 또는 비등수형 원자로의 노심 내부에는 연료봉이 있는데, 이 연료봉은 지름이 큰 젤 잉크 펜과 같고 길이는 약 4m이다. 연료봉은 수백 개씩 묶여 "연료 집합체"라고 불린다. 각 연료봉 내부에는 우라늄 또는 산화 우라늄의 펠릿이 쌓여 있다. 경수는 중수보다 중성자 흡수율이 높아 농축 우라늄이 꼭 필요하다.[1]
2. 2. 감속재
원자로는 핵분열을 일으키는 중성자의 종류에 따라 고속로와 열중성자로로 나뉜다. 고속로는 핵분열 시 발생하는 고속중성자를 그대로 사용하고, 열중성자로는 고속중성자를 우라늄 핵분열에 유리한 열중성자로 바꾼 후 핵분열을 일으킨다. 이때 고속중성자를 열중성자로 바꾸는 물질이 감속재이다.원자로의 종류에 따라 사용하는 감속재도 다르다.
- 농축 우라늄을 핵연료로 사용하는 가압경수로에서는 일반적인 물(H2O)을 사용한다.
- 천연우라늄을 핵연료로 사용하는 중수로에서는 중수(D2O)를 사용한다. 중수는 물을 구성하는 수소 원자가 일반적인 경수소(질량수 1) 대신 중수소(질량수 2)로 이루어진 물이다.
- 흑연로에서는 흑연을 사용한다.
- 고속로에서는 감속재를 사용하지 않는다.
경수의 경우 중수보다 중성자 흡수율이 높기 때문에, 경수로에서는 우라늄 농축도가 더 높은 농축 우라늄을 사용해야 한다.
흑연은 높은 온도에서도 잘 견디고 강도가 높으며, 원자로 출력 변동도 낮아 4세대 원자로의 감속재로 주목받고 있다.
용융염 원자로와 페블베드 원자로 등 일부 실험적인 원자로에서도 감속재가 사용된다.[1]
흑연 감속로는 고체 원자력 흑연을 중성자 감속재로, 일반 물을 냉각재로 사용한다. 소련의 RBMK 원자력 발전소가 대표적인 예시이며, 체르노빌 원자력 발전소 사고와 관련이 있다.
영국의 고급 가스 냉각로는 흑연 중성자 감속재를 사용하고, 이산화 탄소 가스를 냉각재로 사용한다.
2. 3. 냉각재
경수로나 중수로에서는 일반적으로 쓰는 물을 냉각재로 사용하며, 흑연로에서는 주로 가스를, 고속로에서는 소듐(Na)이나 납(Pb) 등의 액체 금속을 냉각재로 사용한다.[1] 다만, 경수로에서는 냉각재에 히드라진(Hydrazine)을 섞어 냉각수 산도(pH)를 조절하며, 붕산을 섞어 중성자를 추가로 흡수하도록 한다.[1]2. 4. 제어봉
제어봉은 원자로의 핵분열 속도를 제어하기 위한 것으로, 카드뮴(Cd), 인듐(In), 은(Ag), 붕소(B) 등 중성자 흡수 능력이 큰 물질들을 주로 사용한다.[1] 사용 목적에 따라 원자로의 운전을 정지시킬 때 필요한 정지봉(shut-down rod), 원자로의 출력을 제어하는 데 필요한 출력제어봉(regulating rod), 부하추종운전(load follow operation)을 위해 세부적인 출력 조절에 필요한 회색봉(gray rod) 등이 있다.[1]가압수형 원자로 또는 비등수형 원자로의 제어봉은 중성자를 쉽게 잡아둘 수 있는 붕소, 하프늄, 카드뮴 같은 물질들의 펠렛으로 채워진다. 제어봉이 노심으로 삽입되면 중성자를 흡수하여 연쇄 반응에 참여할 수 없게 된다. 반대로, 제어봉이 제거되면 더 많은 중성자가 근처 연료봉의 핵분열성 우라늄-235(U235) 또는 플루토늄-239(Pu239) 핵에 충돌하여 연쇄 반응이 강화된다.
2. 5. 가연성 독물봉
가연성독물봉(burnable poison rod)은 원자로의 초기 핵분열 단계에서 과도하게 발생하는 중성자를 흡수하기 위한 것으로, 중성자 흡수능이 큰 물질인 붕소(B), 가돌리늄(Gd), 어븀(Erbium) 등이 주로 쓰인다. 원자로의 수직방향이나 수평방향으로 불균형하게 발생하는 출력의 평탄화, 혹은 연소 시 국부출력들의 평탄화를 위해 사용한다. 냉각수에 붕산을 섞는 것도 노심이 장기간 연소되도록 보완한 것이다.[1]3. 원자로 종류별 노심 특성
원자로는 핵분열을 일으키는 중성자의 종류, 감속재, 냉각재 등에 따라 다양한 종류가 있으며, 각 원자로의 노심 특성에 맞게 구성재들을 조합하여 사용한다.
핵분열을 주도하는 중성자에 따라 고속로와 열중성자로로 나뉜다. 고속로는 핵분열 시 발생하는 고속중성자를 그대로 사용하고, 열중성자로는 고속중성자를 감속재를 이용해 열중성자로 바꿔 핵분열을 일으킨다.[1]
원자로 종류별 노심의 주요 특성은 다음과 같다.
- 경수로/중수로: 감속재로 경수(일반 물) 또는 중수를 사용하고, 냉각재로는 일반 물을 사용한다. 제어봉과 가연성독물봉을 통해 중성자 수를 조절한다.
- 흑연 감속로: 감속재로 흑연을 사용하며, 냉각재로는 물 또는 이산화탄소 가스를 사용한다. 체르노빌 원자력 발전소 사고에 관련된 RBMK 원자로가 대표적이다.
- 고속 중성자로: 감속재를 사용하지 않고 고속중성자를 직접 핵분열에 이용한다. 핵물질, 제어봉, 블랭킷연료로 구성된다.
3. 1. 경수로/중수로
경수로와 중수로는 핵분열을 일으키는 중성자의 종류와 감속재, 냉각재 등에서 차이를 보인다.감속재
- 경수로: 농축 우라늄을 핵연료로 사용하며, 일반적인 물(H2O)을 감속재로 사용한다.
- 중수로: 천연 우라늄을 핵연료로 사용하며, 중수(D2O)를 감속재로 사용한다. 중수는 일반 물을 구성하는 수소 원자 대신 질량수가 2인 중수소 원자로 구성된다.
냉각재경수로와 중수로는 모두 일반적인 물을 냉각재로 사용한다. 하지만, 경수로에서는 냉각재에 히드라진을 섞어 냉각수 산도(pH)를 조절하고, 붕산을 섞어 중성자를 추가로 흡수하도록 한다.[1]
제어봉제어봉은 원자로의 핵분열 속도를 제어하는 장치로, 카드뮴(Cd), 인듐(In), 은(Ag), 붕소(B) 등 중성자 흡수 능력이 큰 물질을 사용한다.
가연성독물봉가연성독물봉은 원자로 초기 핵분열 단계에서 과도하게 발생하는 중성자를 흡수하기 위해 사용되며, 붕소(B), 가돌리늄(Gd), 어비움(Erbium) 등 중성자 흡수능이 큰 물질이 주로 쓰인다.
경수로의 경우 중수보다 중성자 흡수율이 높기에 농축 우라늄이 꼭 필요하다.[1]
3. 2. 흑연 감속로
중성자 감속재로 흑연을 사용하는 원자로 형태이다. 흑연은 높은 온도에서 잘 견디고 강도가 높으며, 원자로의 출력 변동도 낮추는 특징이 있어 4세대 원자로의 감속재로 주목받고 있다.감속재로 흑연을 사용하고 냉각재로 물을 사용하는 RBMK, 마그녹스, 개량 가스냉각로 등이 흑연 감속재 및 반사재로 사용되고 있다.
- 소련에서 제작한 RBMK 원자력 발전소는 고체 원자력 흑연을 중성자 감속재로 사용하고 일반 물을 냉각재로 사용한다. 이것은 체르노빌 원자력 발전소 사고에 관련된 원자로 유형이었다.[1]
- 영국에서 설계된 고급 가스 냉각로에서 노심은 연료 집합체가 위치한 흑연 중성자 감속재로 만들어진다. 이산화 탄소 가스는 냉각재 역할을 하며 노심을 통해 순환하며 열을 제거한다.[1]
구형 원자로 개념 및 용융염 원자로 실험과 같이 감속을 위해 흑연을 사용하는 여러 실험용 원자로가 있었다.[1]
3. 3. 고속 중성자로
고속로는 초기 핵분열 시 발생하는 고속중성자를 그대로 연쇄핵분열에 활용하는 방식이다[1]. 감속재가 없는 고속 중성자로의 경우, 원자로 노심 안에는 핵물질, 제어봉, 블랭킷연료(핵변환시켜 연료로 만들기 위해 넣는 연료)로 구성된다[1].
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