원자로의 구성 물질 알아보기

원자로는 원자력발전에서 가장 중요한 부분이며, 다양한 물질로 이루어져 있습니다. 우라늄으로 이루어진 핵연료를 기반으로 감속재, 제어봉, 물 등의 물질인 냉각재 등 다양한 형태의 구성물질이 있습니다. 원자로의 구성 물질에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

 

 

 

원자로의 구성물질과 종류 

원자로 안에서는 우라늄-235와 같은 무거운 원자의 핵이 더 작은 조각으로 쪼개지고, 이 과정에서 열에너지가 방출됩니다. 이때 너무 많은 에너지가 방출되는 것을 막기 위한 출력 제어가 필요합니다. 이러한 제어된 연쇄반응이 원자로 내에서의 기본 메커니즘입니다. 

원자로의 구성물질:

핵연료 : 일반적으로 원자로에 사용되는 연료는 농축우라늄으로 핵분열성 동위원소 우라늄-235가 가장 많이 사용됩니다. 원자로 가동 중에 생산되는 플루토늄-239도 연료로 사용될 수 있습니다. 

 

감속재 : 감속재는 핵분열 시 방출되는 중성자들의 속도를 감속시키기 위해 사용됩니다. 일반적인 감속재는 물, 흑연, 중수입니다. 중성자들의 속도를 낮추어 주는 역할을 합니다. 중성자의 에너지 또한 낮출 수 있는 물질을 주로 사용합니다. 

 

제어봉 및 제어 물질 : Control Rod라고 불리는 제어봉이 주로 사용됩니다. 또 CVCS라고 하는 Chemical Volume Control System을 통해, 중성자 흡수물질의 농도를 조절하는 등 다른 방법들도 사용합니다. 제어봉은 핵반응의 속도를 조절하는 데 가장 중요합니다. 사고 시 제어봉이 들어가 원자로 출력을 제로로 만들기도 합니다. Control Rod는 중성자를 흡수하는 물질로 만들어져 있습니다. 원자로 내에 집어넣거나 다시 빼는 과정을 통해 중성자 흡수 물질의 농도 및 원자로 출력을 제어할 수 있습니다. 중성자 흡수 물질의 농도가 늘어나면 원자로 출력이 줄어들고, 반대의 경우 원자로 출력이 늘어납니다. 

 

냉각재 : 냉각재는 원자로 노심을 순환하면서 원자로에서 발생한 열을 다른 곳으로 전달합니다. 일반적인 냉각재에는 원자로 유형에 따라 물, 액체 나트륨, 가스 등이 해당되며, 이 열은 증기발생기를 통해 증기를 생산하는데 쓰입니다. 증기는 터빈발전기를 돌리고 이를 통해 전력을 생산하게 됩니다. 

 

원자로 용기: 원자로 용기는 원자로에서 가장 중요한 부분인 핵연료 등을 감싸며 또 하나의 보호 장벽을 제공합니다. 방사선을 차폐할 수 있고, 원자로의 높은 온도와 압력에 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다. 초기에는 기계적 성질이 중요했는데, 추후 수소 폭발 등의 사고사례가 접목되어 최근에는 화학적 특성이 좋은 물질이 사용되며, 지르코늄 합금이 주로 사용됩니다. 

 

원자로의 종류

원자로에는 여러 가지 종류가 있습니다. 각각의 고유의 설계 특성을 가지고 있습니다. 중성자의 속도 및 에너지, 감속재, 냉각재, 핵연료에 따라 구분되기도 합니다. 가장 많이 사용되는 노형은 가압경수로이며, 그다음은 BWR입니다.  

 

경수로 : 우리나라에 가장 많이 설치되어 있는 노형입니다. 우리가 일반적으로 알고 있는 물을 냉각재로 사용하는 원자로입니다. 원자로 내부에서 직접 물을 끓여서 증기를 생성하는 비등경수로가 있고, 냉각재는 폐회로를 구성하고, 별도의 급수가 공급되어 증기를 생성하는 가압경수로가 있습니다. 물은 냉각재와 감속재의 역할을 동시에 수행합니다. 저농축 우라늄을 연료로 사용하는 열중성자로 입니다. 

 

중수로 : 일반적인 물보다 무거운 중수를 사용합니다. 중수는 냉각재와 감속재의 역할을 동시에 수행합니다. 저농축 우라늄을 연로로 사용하는 열중성자로 입니다. 가압경수로와 같이 원자로에서는 증기를 생산하지 않습니다. 별도의 급수가 공급되어 증기발생기를 통해 증기가 생산됩니다. 가압중수로로 주로 불립니다. 월성에 있는 캔두 원자로가 대표적입니다. 중수를 사용할 경우 일반적인 물과 달리 열중성자 흡수율이 매우 낮습니다. 따라서, 천연 우라늄을 사용하더라도 연쇄반응을 달성할 수 있지만, 연료 교체주기가 짧아져서 경제성 및 운전 효율성이 좋지는 않습니다. 

 

액체금속로 : 액체 금속을 냉각재로 사용하는 타입의 원자로입니다. 중성자 감속을 잘 시키지 않는 것이 특징이며, 사용 후 연료를 연료로 사용할 수 있는 장점이 있습니다. 현재는 액체 소듐 등이 냉각재로 개발되고 있습니다. 

 

액체 금속로의 대표적인 SFR 은 아래 글을 참조 바랍니다. 

 

2023.12.26 - [산업의이해] - 소듐냉각고속로(SFR)의 구성과 원리

소듐냉각고속로(SFR)의 구성과 원리

원자로 설계와 운전에서 안전은 무엇보다 중요합니다. 현대 원자로에는 비상 냉각 메커니즘, 격납 구조, 중복 제어 시스템 등 여러 안전 시스템이 통합되어 있습니다. 기술의 지속적인 발전과 엄격한 안전 프로토콜은 원자력의 전반적인 안전에 기여합니다.

이상으로 원자로의 구성물질과 종류에 대해 알아보았습니다. 원자로는 지속 가능한 발전을 전 세계적으로 추구하는 가운데 신뢰할 수 있고 저탄소적인 대안을 제공하는 강력한 에너지원입니다. 사회가 에너지 수요를 충족시키고 기후 변화를 완화해야 하는 이중적인 도전에 직면하면서 원자로에 대한 미묘한 이해가 필수적입니다. 책임 있는 개발, 엄격한 안전 조치, 지속적인 혁신을 통해 원자로는 에너지의 미래를 형성하는 데 계속해서 중추적인 역할을 할 수 있습니다.