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카드 뉴스 53편 "빌 게이츠는 왜 원자력을 지지하는가?"
가압경수로
저농축 우라늄(3~5 w/o 
) 핵연료와 경수(H2O)를 냉각재 및 중성자 에너지 감속재로 사용하는 가장 대표적인 경수로(Light Water Reactor)형 열원자로이다. 핵분열로 열에너지를 생산하는 원자로계통의 일차냉각재(원자로 냉각재)는 증기발생기로 들어가 이차냉각재에 열에너지를 전달하고 다시 원자로로 돌아오는 강제순환 계통을 형성한다. 현재(2017. 2월)전 세계에서 운전되고 있는 발전용 원자로의 약 64%가 가압경수로이며, 2016년 말 현재 우리나라에서 운전 중인 원자력발전소 25기 중 21기가 가압경수로 원전이다.
원자로 냉각재 계통
원자로 내부구조물
핵연료집합체
목차
경수 감속재와 저농축 핵연료
경수는 주변에서 매우 쉽게 구할 수 있으며 값도 싸고 중성자 에너지 감속능력이 매우 뛰어나다. 그러나 열중성자 흡수단면적이 커서 핵분열을 일으키는데 사용될 열중성자를 포획하므로 원자로가 출력 운전기간 동안 임계 연쇄반응이 유지되도록 핵분열중성자 발생수를 늘리기 위해 우라늄을 약간 농축시켜( 원자핵 수밀도, nucleus number density를 늘리는 방법) 사용한다. 감속재와 냉각재로 사용하는 경수는 일반 경수의 불순물을 제거하여 순도가 99% 수준으로 매우 높다.
핵연료집합체(Fuel Assembly)
핵연료봉(fuel rod)을 14x14, 16x16, 17x17 형으로 일정 간격으로 배치한 격자(grid)로 묶은 다발을 핵연료집합체라 하며 17x17형이 가장 보편적이다. 핵연료봉의 유효길이(핵분열성 물질이 들어있는 영역)는 약 4m 정도이며 굵기는 피복재를 포함해서 1cm 정도이다. 핵연료집합체는 핵연료봉으로만 이루어져 있지 않고 제어봉(control rod)과 계측기 등이 들어갈 수 있는 안내관(guide thimble)이 있으며, 또한 핵분열을 제어하는 물질이 포함된 가연성독봉(burnable poison rod)도 핵연료집합체 내에 장전된다.
원자로냉각재계통(Reactor Coolant System)
원자로냉각재계통은 원자로, 냉각재(일차냉각재) 펌프, 가압기, 증기발생기 및 이들을 연결하는 배관으로 구성된다. 냉각재는 펌프로 강제로 순환되며 원자로 내부로 냉각재가 유입되는 관을 저온관(cold leg), 노심에서 뜨거워진 냉각재가 증기발생기로 이동하는 관을 고온관(hot leg)이라 한다. 냉각재 펌프는 저온관에 설치되어 있으며 고온관에는 원자로의 압력을 조절하는 기능을 가진 가압기가 설치되어 있다. 원자로는 증기발생기 수에 따라 2-loop, 3-loop 형이라 부르며 현재 운전 중인 경수로의 대부분은 2-loop형이다.
증기발생기(Steam Generator)
증기발생기는 일차냉각재의 열에너지로 이차냉각재를 증기로 변환시키는 장치이다. 증기발생기 내에는 U형 튜브가 수천 개가 있으며 튜브 내부로는 원자로에서 뜨거워진 일차냉각재가, 튜브 외부로는 급수계통에서 공급된 이차냉각재(경수)가 흐르게 되어 있어서 일·이차 냉각재는 물리적으로 완전히 격리되어 있다. 이는 일차냉각재에 존재할 수도 있는 방사성물질이 이차냉각재로 이동되는 것을 차단하기 위함이다. 압력이 낮은 이차냉각재는 일차냉각재의 열을 받아 증기로 변하고 증기는 터빈과 발전기를 구동시키는 일을 한 후 복수기(Condenser)에서 물로 변한 후 급수펌프(feedwater pump)로 다시 증기발생기로 되돌려 보내진다.
가압기(Pressurizer)
가압기는 정상출력 운전 중에 원자로냉각재계통의 압력을 150~160기압으로 일정하게 유지하며 과도상태에서 압력변화를 조절하는 장치로 고온관에 연결되어 있다. 가압기 내부의 약40~60%는 물로 채워지고 나머지는 증기로 채워져 있다. 가압기 하단 부에 전기가열기가 있으며 물을 포화온도로 유지하여 원자로냉각재계통의 압력을 유지하며, 압력이 증가하면 상부에 설치된 살수기가 저온관의 물을 살수하여 수증기를 물로 만들어 압력증가를 막는다. 압력증가를 살수기가 감당하는 이상으로 커서 정해진 특정 압력에 도달하면 가압기 상단의 보호밸브가 작동하여 증기를 배출하여 압력을 낮추게 된다. 가압기는 원자로냉각재계통에서 유일하게 비등이 허용되는 영역이다.
냉각재펌프(Reactor Coolant Pump)
일차냉각재는 원자로 내부를 빠르게 흐르면서 핵분열로 발생한 열에너지를 증기발생기에 전달한다. 이런 고압(150~160기압) 상태의 원자로 냉각재를 강제로 순환시키는 장치가 바로 냉각재펌프이다. 펌프는 냉각재를 유입하는 날개바퀴(impeller), 유입된 냉각재의 속도를 압력으로 변환시키는 확산기(diffuser), 펌프의 회전을 유지하는 관성바퀴(flywheel)가 주요부품이다. 관성바퀴는 펌프를 구동하는 동력이 차단되어도 펌프가 일정 시간 작동되게 하는 기능으로 전원 상실 시에도 노심에 냉각재를 공급할 수 있다. 펌프 내부로 유입된 냉각재의 누설은 원자로 압력을 변화시킬 수 있으므로 냉각재 밀봉이 매우 중요하다.
제어봉 집합체
제어집합체는 원자로의 기동과 출력변화에 따른 반응도 변화에 상응하여 사용된다. 영광 1, 2호기의 경우 각 핵연료집합체에 24개의 제어봉이 균일하게 배열되어 있고 모두 전장제어봉이다. 핵연료의 유효길이는 144인치인 반면에 제어봉 흡수체의 길이는 약간 짧아서 142인치이다. 그리고 제어봉 끝부분에는 하프늄을 사용하고 있다. 하프늄은 내부식성이 강하고 원자로 정지시 빠른 삽입에 따른 제어봉의 충격을 줄이게 한다.
