가압수형 원자로
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1. 개요
가압수형 원자로는 핵분열 연쇄 반응을 통해 열을 발생시켜 전기를 생산하는 원자로의 한 종류이다. 웨스팅하우스 베티즈 원자력 연구소에서 군사적 목적으로 개발되었으나, 상업적 목적으로 널리 사용된다. 최초의 상업용 원자력 발전소인 쉬핑포트 원자력 발전소에 적용되었으며, 이후 핵잠수함과 항공모함 등에도 사용되었다. 가압수형 원자로는 1차 계통과 2차 계통의 분리, 자체적인 안전성, 높은 열효율 등의 장점을 가지지만, 높은 건설 비용, 고압 운전으로 인한 위험성, 삼중수소 생성 등의 단점도 존재한다. 현재 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 원자로 형식이며, 대한민국에서도 고리 1호기, 한국표준형원전 등을 통해 가압수형 원자로 기술을 발전시켜 왔다.
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- 가압수형 원자로 - APR-1400
APR-1400은 한국 고유 기술로 개발된 1400MW급 가압 경수로형 원자력 발전소이며, 2002년 표준설계인가를 획득하고 신고리 3, 4호기 및 신한울 1, 2호기에 적용되었으며, 미국과 유럽의 인증을 받았고, 아랍에미리트 바라카 원자력 발전소에 수출되었다. - 가압수형 원자로 - OPR-1000
OPR-1000은 대한민국이 ABB사의 System80 원자로 모델을 기반으로 개발한 100만kW급 가압경수로로, 한국 원자력 발전 기술 자립의 발판이 되었으나 잦은 고장 및 부품 품질 문제로 안전성 논란이 있었다.
| 가압수형 원자로 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 경수로 |
| 냉각재 | 물 |
| 감속재 | 물 |
| 연료 | 우라늄 (일반적으로 저농축) |
| 제어봉 | 중성자 흡수체 (보통 붕소, 하프늄, 카드뮴 또는 은-인듐-카드뮴 합금) |
| 특징 | |
| 열효율 | 약 33% |
| 냉각재 압력 | 15~16 MPa (2200~2300 psi) |
| 냉각재 온도 | 입구: 약 280–295 °C (536–563 °F) 출구: 약 315–325 °C (599–617 °F) |
| 상세 정보 | |
| 개발 | 미국 |
| 최초 | 1950년대 |
| 이용 | 원자력 발전소 |
| 기타 | |
| 참고 | 비등수형 원자로 |
2. 역사
가압수형 원자로(PWR)는 항공모함, 핵잠수함 및 쇄빙선의 선박 추진에 사용되고 있다. 스리마일 원자력 발전소는 TMI-1과 TMI-2 두 기의 가압경수로를 운영했다.
미쓰비시중공업(MHI)과 (Westinghouse Electric Company)(WH)는 가압수형 원자력발전소 설계·제조·건설 주요 업체였다. 2006년 도시바는 54억 달러(54억달러, 당시 약 6210억엔)에 WH 주식을 취득하여 계열사로 만들었다. 이로써 비등수형 원전 주요 제조업체 중 하나였던 도시바는 도시바-WH 연합으로 최고 시장 점유율을 차지하게 되었다. 이들은 중국과 인도를 성장 시장으로 보고 PWR "AP1000" 수주를 노렸다.[31] 그러나 2017년 WH는 경영 파탄을 맞았고, 이후 도시바는 주식을 매각했다.
비등수형 원자로(BWR) 주요 제조업체로는 도시바 외에 히타치제작소와 (General Electric)(GE)가 있다. (일본에서는 양사 원자력 사업 통합 회사인 「히타치GE 뉴클리어 에너지」 설립). 2006년 말 시점에서 가압수형 원자로(PWR)가 경수로 중 74%를 차지했다.[32]
일본에서는 전후 기술 도입 경위로 간사이전력은 가압수형 원자로(PWR)를, 도쿄전력은 비등수형 원자로(BWR)를 각각 원자력발전소 기본 설계로 채택하여 현재에 이르고 있다.
2. 1. 개발 초기
가압수형 원자로는 초기에 웨스팅하우스 베티즈 원자력 연구소에서 군사적인 목적으로 개발되었으나, 이후 상업적인 목적으로 웨스팅하우스 원자력 위원회에서 개발되었다.[33] 미국에서는 원래 오크리지 국립 연구소에서 핵잠수함 발전 설비로 설계되었으며, 아이다호 국립 연구소에 완전 작동하는 잠수함 발전 설비가 위치해 있다.[1] 후속 연구는 웨스팅하우스 베티스 원자력 연구소에서 수행되었다. 최초의 순수 상업용 원자력 발전소인 쉬핑포트 원자력 발전소는 하이먼 G. 리커버 해군 제독의 주장에 따라 가압경수로로 설계되었다.[2][3] 미 육군 원자력 프로그램은 1954년부터 1974년까지 가압수형 원자로를 운영했다.[34]2. 2. 스리마일 섬 원자력 발전소 사고와 영향
1979년 스리마일 원자력 발전소 TMI-2에서 부분적인 노심용융이 발생하여, 미국에서는 신규 원자력 발전소 건립이 중단되었다.[34] 이 사고로 인해 20년 동안 미국의 새로운 원자력 발전소 건설이 중단되었다.[5]2. 3. 대한민국 원자력 발전의 역사와 가압수형 원자로
대한민국은 1970년대부터 에너지 자립도를 높이고 경제 발전을 뒷받침하기 위해 원자력 발전을 도입했다. 1978년 웨스팅하우스의 가압수형 원자로를 채택한 한국 최초의 상업용 원자력 발전소인 고리 1호기가 가동을 시작했다.[33] 이후 한국은 지속적인 기술 개발과 국산화를 통해 한국표준형원전(KSNP)을 개발하고, 대부분의 원자력 발전소에 가압수형 원자로를 채택하여 운영하고 있다. 1995년 가동을 시작한 영광 3호기는 한국표준형원전의 첫 번째 모델로, 한국 원자력 기술 자립의 상징적인 사례로 평가받는다. 이후 대한민국은 3세대 원자로 기술을 적용한 APR1400을 개발하였다.[7]2. 4. 최근 동향
와츠 바 2호기(웨스팅하우스 4루프 PWR)는 1996년 이후 미국 최초의 새로운 원자로로 2016년에 가동을 시작했다.[6]3세대 원자로에는 AP1000, VVER-1200, ACPR1000+, APR1400, 화룽일호, IPWR-900 및 EPR 등 여러 새로운 진화 설계를 가진 가압수형 원자로가 개발되고 있다. 최초의 AP1000 및 EPR 원자로는 2018년 중국에서 전력망에 연결되었다.[7] 2020년 누스케일 파워는 수정된 PWR 설계를 가진 소형 모듈 원자로에 대해 원자력 규제 위원회로부터 규제 승인을 받은 최초의 미국 회사가 되었다.[8][9] 또한 2020년에 에너지 임팩트 센터는 PWR 설계를 가진 100 MW전기 원자력 발전소 건설을 위한 오픈소스 청사진을 발표한 OPEN100 프로젝트를 소개했다.[10]
일본에서는 홋카이도 전력, 간사이 전력, 시코쿠 전력, 규슈 전력의 모든 원자력 발전소와 일본원자력발전의 쓰루가 발전소 2호기에서 가압수형 원자로가 채택되고 있다.
3. 설계
가압경수로(PWR)는 원자로 압력용기 안에서 핵연료의 연쇄반응으로 발생한 열을 이용한다. 이 열은 1차 계통으로 전달되어 뜨거워진 물이 증기발생기라는 열교환기를 통해 2차 계통에 열을 전달하고, 여기서 발생한 증기가 터빈을 돌려 전기를 생산한다.[11][12]
가압경수로는 다음과 같은 특징을 가진다.
- 1차 계통과 2차 계통으로 분리된 두 개의 냉각수 계통을 가지며, 두 계통 모두 경수(일반 물)를 사용한다. (비등수형 원자로(BWR)는 냉각수 계통이 하나이다.)
- 1차 계통의 압력은 약 15~16MPa로, 비등수형 원자로보다 훨씬 높게 유지되어 냉각수가 끓지 않고 액체 상태를 유지한다.[15]
가압경수로는 원자로와 증기발생기가 격납 건물 안에 있으며, 1차 계통, 2차 계통, 3차 계통으로 구성되어 있다.
원자로 압력 용기 내의 핵연료는 핵분열 연쇄 반응을 일으켜 열을 발생시키고, 이 열은 1차 냉각재를 가열한다. 고온의 1차 냉각재는 증기발생기로 펌핑되어 열을 전달하고, 이 열은 2차 냉각재를 가압 증기로 증발시킨다. 2차 냉각재가 방사성 물질이 되는 것을 막기 위해 두 유체는 섞이지 않는다.[11]
원자력 발전소에서는 가압 증기가 증기터빈으로 공급되어 발전기를 구동, 전력을 생산한다. 터빈을 통과한 2차 냉각재는 복수기에서 냉각 및 응축되어 다시 증기발생기로 펌핑된다.
가압경수로는 음의 온도 계수 특성을 가져 온도가 상승하면 반응성이 감소하는 자체 조절 기능으로 안정적이다.[19]
생성된 증기는 발전 외에도 추진, 항공기 사출기, 지역난방 등에도 사용된다.
가압경수로에서는 제어봉이 상부에서 압력용기를 관통하여 노심에 삽입된다.
열교환 시 손실이 발생하고, 높은 압력으로 인해 끓는물형 원자로보다 높은 기술력이 요구되어 설치 비용이 높아지는 경향이 있다.
3. 1. 냉각재
경수(일반적인 물)가 1차 냉각재로 사용된다.[11] 물은 약 548,000의 온도로 원자로 노심 하부로 들어가 노심을 상향으로 흐르면서 약 588,000까지 가열된다. 1차 냉각재 루프의 압력이 일반적으로 약 155 bar(15.5 MPa, 153 atm, 2,250 psi)로 높기 때문에, 물은 고온에도 불구하고 액체 상태를 유지한다.[16]1차 냉각재는 원자로 노심에서 발생한 열을 흡수하여 증기발생기로 운반하는 역할을 한다. 원자로에서 가열된 고온의 냉각수는 증기발생기로 보내지는데, 이때 고온의 냉각수가 흐르는 배관을 '고온관 (Hot Leg)'이라고 한다. 증기발생기에서 냉각된 물은 다시 원자로로 돌아오는데, 이때 냉각된 물이 흐르는 배관을 '저온관 (Cold Leg)'이라고 한다.[13] 1차 계통의 압력은 가압기에 의해 유지되고 조절된다.
3. 2. 감속재
가압경수로는 핵분열 연쇄 반응을 유지하기 위해 중성자 속도를 늦추는 감속재가 필요하다. 가압경수로에서는 냉각재인 경수(일반적인 물)가 감속재 역할도 겸한다. 물 분자 내의 수소 원자가 중성자와 충돌하여 중성자의 속도를 늦춘다.[19] 물의 온도가 올라가면 물이 팽창하여 밀도가 낮아지므로, 중성자와 수소 원자의 충돌 횟수가 줄어들어 감속 효과가 감소한다. 이는 원자로의 반응도를 낮추는 음의 반응도 되먹임(negative feedback) 효과를 유발하여 원자로를 안정적으로 만든다.[19]3. 3. 핵연료
농축된 이산화 우라늄(UO2) 분말을 고온에서 소결하여 단단한 세라믹 형태의 펠릿으로 만든다. 이 원통형 펠릿을 부식에 강한 지르코늄 합금인 지르칼로이(Zircaloy)로 만든 피복관에 넣는다. 피복관은 헬륨으로 채워져 열전도율을 높이고 누출을 감지한다.[20] 이렇게 만들어진 연료봉을 묶어 연료 집합체를 만들고, 이를 원자로 노심에 장전한다.
일반적인 가압경수로의 연료 집합체는 200~300개의 연료봉으로 구성되며, 대형 원자로는 약 150~250개의 연료 집합체를 사용하여 총 80~100톤의 우라늄을 포함한다. 연료 다발은 보통 14×14 또는 17×17 형태로 배열되며, 길이는 약 4미터이다.[21] 가압경수로의 재장전 주기는 보통 18~24개월이며, 각 재장전 시 노심의 약 1/3을 교체한다. 일부 최신 재장전 방식은 재장전 시간을 며칠로 단축하고 더 짧은 주기로 재장전할 수 있도록 한다.[22]
3. 4. 제어
대부분의 가압경수로는 1차 계통에 넣는 붕산의 양으로 원자로 출력을 조정한다. 붕산은 중성자를 흡수하여 중성자에 의한 연쇄 반응을 줄임으로써 원자로를 제어한다.[11] 전체 제어 시스템에는 고압력 펌프 (보통 가압 및 이완 시스템)가 포함되는데, 이 펌프는 1차 계통에 고압의 물을 넣고 빼서 붕산의 농도를 조절한다. 이와 달리 비등수형 원자로에서는 붕산을 사용하지 않고, 냉각수의 흐름으로 출력을 조정한다. 따라서 비등수형 원자로의 설계가 더 향상되었다고 볼 수 있는데, 붕산의 부식성이 강하고 가압, 이완 시스템이 필요 없다는 점 때문이다. 다만 대다수 비등수형 원자로의 비상정지 시스템에는 냉각수에 높은 농도의 붕산을 넣는 체계가 포함되어 있다. 예컨대 CANDU에서는 붕산이 연쇄 반응을 줄일 수 있는 보조 수단으로 사용되고 있다.또 다른 제어 수단인 제어봉은 압력 용기에서 연료 집합체로 들어가며, 보통 원자로를 처음 운전할 때나 가동을 멈출 때 사용한다. 해군 원자로에서는 제어봉의 높이로 출력을 조절한다.
PWR(가압경수로)에서 원자로 출력은 증기 유량의 증가 또는 감소에 의해 발생하는 온도 변화의 반응도 피드백으로 인한 증기(터빈) 수요에 따라 변화한다고 볼 수 있다. (음의 온도 계수 참조) 붕소와 카드뮴 제어봉은 1차 계통 온도를 원하는 지점에서 유지하는 데 사용된다. 출력을 감소시키기 위해 운전원은 터빈 입구 밸브를 조절한다. 이는 증기 발생기에서 뽑아내는 증기량이 줄어드는 결과를 초래한다. 이로 인해 1차 루프의 온도가 상승한다. 온도가 높아지면 1차 원자로 냉각재인 물의 밀도가 감소하여 중성자 속도가 빨라지고, 따라서 핵분열이 감소하여 출력이 감소한다. 이러한 출력 감소는 결국 1차 계통 온도가 이전의 정상 상태 값으로 돌아가는 결과를 초래한다. 운전원은 붕산을 추가하거나 제어봉을 이동시켜 정상 상태 운전 온도를 제어할 수 있다.
연료가 연소됨에 따라 100% 출력을 유지하기 위한 반응도 조정은 대부분의 상용 PWR에서 일반적으로 1차 원자로 냉각재에 용해된 붕산의 농도를 변화시킴으로써 달성된다. 붕소는 중성자를 잘 흡수하므로 원자로 냉각재 내 붕소 농도를 증가시키거나 감소시키면 중성자 활동에 따라 영향을 미친다. 고압 펌프(일반적으로 충전 및 배출 시스템이라고 함)를 포함하는 전체 제어 시스템이 고압 1차 루프에서 물을 제거하고 서로 다른 농도의 붕산이 포함된 물을 다시 주입하는 데 필요하다. 원자로 용기 헤드를 통해 원자로 용기로 직접 연료 다발에 삽입된 제어봉은 다음과 같은 이유로 움직인다.
- 원자로 기동
- 원자로 내 1차 핵반응 정지
- 터빈 부하 변화와 같은 단기 과도 현상 대응
제어봉은 핵독 재고를 보상하고 핵연료 고갈을 보상하는 데에도 사용할 수 있다. 그러나 이러한 효과는 일반적으로 1차 냉각재 붕산 농도를 변경하여 처리한다.
반면, BWR은 원자로 냉각재에 붕소가 없으며 원자로 냉각재 유량을 조절하여 원자로 출력을 제어한다.
가압경수로에서는 제어봉이 상부에서 압력용기를 관통하여 노심에 삽입되는 설계가 채택되고 있다. 끓는물형 원자로(BWR)에서는 상부 구조물에 의한 제약과 반응도의 효과적인 제어를 위해 제어봉이 원자로 용기 하부에서 삽입되는 구조와 달리 압력용기 하부에 구멍이 없는 구조를 취할 수 있다.
4. 구성 요소
가압경수로의 주요 구성 요소는 다음과 같다:
- '''핵연료''': 저농축 우라늄 연료를 사용한다. 저농축 이산화우라늄(UO2)을 구워 파이프 모양의 금속 지르코늄으로 피복한 것을 수백 개 묶어 핵연료 집합체로 만들어 사용한다.[30]
- '''냉각재''': 1차 냉각계통과 2차 냉각계통 모두 경수(일반적인 물)를 사용한다. 1차 냉각재는 원자로 압력 용기 내의 핵연료에서 발생한 열을 증기발생기로 전달하는 역할을 한다.[11][12][13] 2차 냉각재는 증기발생기에서 1차 냉각재로부터 열을 전달받아 증기를 생성하고, 이 증기는 발전기를 구동하는 증기터빈으로 공급된다.[14]
- '''증기발생기''': 열교환기의 일종으로, 1차 냉각재의 열을 2차 냉각재에 전달하여 증기를 발생시키는 장치이다.[13]
- '''가압기''': 1차 냉각 계통의 압력을 높게 유지하여 냉각재가 끓는 것을 방지하는 장치이다.
- '''원자로 냉각재 펌프''': 1차 냉각재를 순환시키는 펌프로, 강력한 펌프를 사용하여 1차 계통을 순환시킨다.[18]
- '''제어봉''': 핵분열 연쇄 반응을 조절하는 장치로, 가압경수로에서는 제어봉이 압력용기 상부를 관통하여 노심에 삽입된다.
- '''원자로 압력 용기''': 핵연료와 1차 냉각재를 담고 있는 용기로, 고온, 고압에 견딜 수 있도록 설계된다.
5. 안전 장치
가압경수로는 사고 발생 가능성을 최소화하고, 사고 발생 시에도 피해를 최소화하도록 다양한 안전 장치를 갖추고 있다.
5. 1. 5중 방호벽
가압경수로는 방사성 물질의 유출을 막기 위해 5중 방호벽을 갖추고 있다.[1]- '''제0방호벽(펠렛)''' : 화학적으로 안정된 이산화 우라늄을 굳혀서 구운 연료체로서 우라늄의 핵분열에 의하여 생기는 방사성물질의 대부분이 펠렛 안에 갇힌다.[1]
- '''제1방호벽(피복재)''' : 핵연료 펠렛을 둘러싸고 있는 핵연료 봉으로서 지르코늄 합금으로 된 금속관에 넣어져 밀봉되므로 펠렛에서 나온 적은 양의 가스는 이 피복재 안에 밀폐된다.[1]
6. 장점
- 1차 계통과 2차 계통이 분리되어 있어 방사성 물질에 의한 오염 발생이 적다.[30] 2차 계통의 물은 방사성 물질에 오염되지 않기 때문에, 터빈 건물을 차폐할 필요가 없고 터빈과 복수기의 유지보수 시에도 안전하다.
- 원자로 출력의 증가 속도보다 발전 출력 증가 속도가 느려 원자로를 안정적으로 제어할 수 있다.
- 전원 공급이 중단되면 제어봉이 전자석에서 풀려나 중력에 의해 자동 삽입되어 핵반응을 멈출 수 있다.
- 소형화가 가능하여 원자력 잠수함, 원자력 항공모함 등 군용 원자로에 사용된다. 기울기나 진동에 대한 작동 안정성이 비교적 높기 때문이다.
- 전 세계적으로 가장 많이 사용되는 원자로 유형으로, 부품 공급 및 유지 보수가 용이하다. 오랜 운영 경험으로 인해 핵에너지 분야에서 가장 성숙한 기술에 가깝다.
- 천연 우라늄을 사용하는 원자로와 비교하여 비교적 높은 연소도를 달성할 수 있다.
- 물은 상온에서 액체 상태인 비독성, 투명하고 화학적으로 비활성인 냉각재이므로 시각적 검사 및 유지보수가 용이하다. 또한 중수 또는 흑연과 달리 쉽고 저렴하게 구할 수 있다.
- 종류에 따라 MOX 연료 및/또는 러시아의 리믹스 연료를 사용할 수 있어 (부분적으로) 폐쇄된 핵연료 사이클을 가능하게 한다.
7. 단점
- 높은 압력 유지: 가압수형 원자로는 고온의 냉각수를 액체 상태로 유지하기 위해 매우 높은 압력이 필요하다. 이 때문에 고강도 배관과 무거운 압력 용기가 필요하며, 이는 건설 비용 증가로 이어진다.[23]
- 냉각재 상실 사고 위험성 증가: 높은 압력은 냉각재 상실 사고 발생 시 그 결과를 더욱 심각하게 만들 수 있다.[23]
- 원자로 압력 용기 연성 감소: 발전소 운전 중 중성자속으로 인해 원자로 압력 용기를 구성하는 연성 강철의 연성이 감소한다. 이는 압력 용기의 수리 또는 교체를 필요하게 만들어 발전소 수명에 영향을 줄 수 있다.[23]
- 추가 부품 필요: 원자로 냉각재 펌프, 가압기, 증기 발생기 등 추가적인 고압 부품이 필요하여 발전소의 자본 비용과 복잡성이 증가한다.
- 붕산에 의한 부식: 붕산이 용해된 고온의 물 냉각재는 탄소강에 부식성이 있다. 이로 인해 방사성 부식 생성물이 1차 냉각재 계통에서 순환될 수 있으며, 원자로 수명을 제한하고, 부식 생성물 제거 및 붕산 농도 조정을 위한 시스템이 추가 비용과 방사선 노출을 유발한다.[24][25]
- 삼중수소 생성: 1차 냉각재에 붕소를 주입해야 하므로, 비등수형 원자로보다 바람직하지 않은 방사성 2차 삼중수소 생성량이 25배 이상 많다. 삼중수소는 붕소-10 원자가 고속 중성자를 흡수하여 리튬-7과 삼중수소 원자로 분열될 때 생성된다. 가압수형 원자로는 정상 운전 중 매년 수백 퀴리의 삼중수소를 환경으로 배출한다.[26]
- 연료 농축 필요: 천연 우라늄에는 열중성자 원자로에 필요한 우라늄-235가 0.7%에 불과하여 연료 농축이 필요하며, 이는 연료 생산 비용을 증가시킨다.
- 낮은 열효율: 비등수형 원자로보다는 열효율이 우수하지만, 고온 가스, 액체 금속, 용융염 냉각 원자로와 같이 더 높은 작동 온도를 가진 원자로보다는 열효율이 낮다.
- 공정 열 활용 제한: 가압수형 원자로에서 얻는 공정 열은 대부분의 산업용 응용 분야에 적합하지 않다. 산업용으로는 400°C를 초과하는 온도가 필요하기 때문이다.
- 수소 폭발 가능성: 방사선 분해 및 고온 증기와 지르칼로이 피복재 간 상호 작용을 포함하는 특정 사고 시나리오에서 냉각수에 수소가 생성되어 수소 폭발이 발생할 수 있다.
8. 형식
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2012-04-07
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