발전용 원자로 일반

핵분열 에너지로 전력생산을 목적으로 하는 원자로를 말한다. 열에너지로 전환된 핵분열 에너지가 터빈과 발전기를 구동시켜 전력을 얻는다. 뜨거워진 핵연료를 냉각시키면서 핵분열 열에너지를 수송하는 매체(물질)에 따라 원자로를 다양하게 구분한다. 발전용 원자로는 상용발전 원자로가 주류이나 항공모함이나 잠수함 등의 추진동력용으로도 활용된다.

원자력발전 원리

핵분열로 생겨나는 핵분열 생성물들의 운동에너지가 바로 핵분열 에너지이다. 운동에너지는 핵연료 내에서 마찰로 열에너지로 전환되고 열에너지는 전도(conduction)와 대류(convection)를 통해 핵연료 표면(피복재 표면)으로 전달된다. 이를 냉각제가 전달받아 다시 증기를 만들고 증기의 운동에너지로 터빈과 발전기를 구동시킴으로써 전력을 생산하는 원리이다. 아래 그림은 전형적인 경수로(light water power reactor)를 이용한 발전 원리를 보여준다.

발전용 원자로 구분

발전용 원자로는 핵분열 에너지로 뜨거워진 핵연료를 냉각시키면서 에너지를 전달하는 냉각재 종류에 따라 원자로를 구분하는 것이 가장 일반적이다. 열원자로 경우 냉각재로는 경수(輕水, ), 중수(重水, ), 헬륨() 또는 이산화탄소()와 같은 가스 등이 있으며, 고속로는 금속을 액화하여 냉각재로 사용한다.

경수로(Light Water Reactor) : 냉각재로 우리가 일상 사용하는 경수를 사용하는 대표적인 열원자로이다. 냉각재와 감속재로 쓰는 경수는 불순물을 제거한 순도 99% 이상이다. 운전 중인 전 세계 원자로의 82%가 경수로이며 우리나라 원자로 25기 중 21기가 경수로이다. 저농축(3~5 w/o ) 핵연료를 사용하며 가압경수로(Pressurized Water Reactor)와 비등수형로(Boiling Water Reactor)가 있다.

(참고) 이곳에 “발전용 원자로의 경수로”와 link 삽입

중수로(Heavy Water Reactor) : 천연우라늄(가 0.7w/o)이 풍부한 캐나다에서 개발된 천연우라늄을 연료로 사용하는 열원자로이며 경수보다 중성자 흡수가 작은 중수를 냉각재 및 감속재로 사용한다. 우리나라는 월성에 4기의 중수로발전소를 가동하고 있다.

(참고) 이곳에 “발전용 원자로의 중수로”와 link 삽입

가스냉각로(Gas Cooled Reactor) : 기체를 냉각재로 사용하는 원자로로 영국의 Magnox형 원자로가 대표적이다. 천연 우라늄 또는 저농축 우라늄을 연료로 사용한다. 북한 영변의 5MW 원자로가 이산화탄소를 냉각재로, 흑연을 감속재로 사용하는 가스냉각로이다.

(참고) 이곳에 “발전용 원자로의 가스냉각로”와 link 삽입

액체금속냉각로(Liquid-Metal Cooled Reactor) : 용융점이 낮은 금속을 냉각재로 사용하는 원자로로 고속로가 이에 해당하며, 이들 금속은 특정온도 이상으로 가열되면 액체가 된다. 무거운 금속은 가벼운 원소에 비하여 중성자 에너지 감속능력이 작기 때문에 고속중성자를 이용하는 고속로 냉각재로 적합하다. 대표적인 금속냉각재는 소듐(Na)과 납(Pb)이다. 액체금속을 냉각재 발전용 고속로는 세계적으로 3기가 운전 중에 있다.

(참고) 이곳에 “발전용 원자로의 고속로”와 link 삽입

추진용 원자로(Propulsion Reactor)

수송수단(선박, 항공기 등) 추진에 필요한 동력 생산용으로 사용되는 원자로를 말한다. 선박 추진 경우 핵분열 에너지로 생산한 증기로 터빈을 구동시켜 터빈에 연결된 추진 프로펠러를 작동시키며 동시에 전력도 생산한다. 현재 민수목적 추진용 원자로는 없으며 원자력추진 항공모함 및 잠수함, 일부 우주선 등에 제한적으로 이용되고 있다. 디젤엔진으로 추진에 한계가 있는 대형 컨테이너선 등 대량운송 수단의 추진동력용으로 사용될 것으로 전망된다.

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