경수로

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경수로는 핵분열 에너지로 뜨거워진 핵연료를 냉각시키면서 열에너지를 증기발생기로 이동시키는 매체로 경수(물, H₂O)를 이용하는 원자로로 대표적인 발전용 원자로이다. 냉각재 경수는 중성자 에너지를 감속시키는 감속재로도 이용되며, 핵연료는 저농축(3~5 w/o) 이산화우라늄(UO₂)을 사용하고 혼합핵연료(MOX)를 사용할 수도 있다. 가압경수로와 비등수형경수로 두 가지 노형이 있다.

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  가압경수로 발전

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  비등수형경수로 발전

경수(H₂O) 냉각재와 저농축 우라늄연료

냉각재는 원자로 구성에서 핵심인자 중의 하나이다. 중성자 환경에서 냉각과 감속 역할을 수행하는 냉각재와 감속재의 조건으로는,

• 중성자에 대한 흡수단면적(cross section)이 작아야 한다.
• 중성자와 산란반응으로 중성자 에너지 감속 능력이 뛰어나야 한다.
• 구하기 쉽고 싸야 한다.
• 방사선 조사(照射, irradiation)에 대한 안정성이 뛰어나야 한다.

경수는 쉽게 구할 수 있고 값도 싸며 특히 경수의 수소(H2)는 중성자 에너지 감속능력이 매우 뛰어나 냉각재와 감속재로 같이 사용되고 있다. 그러나 경수는 중성자 흡수단면적이 다소 커서 핵분열을 일으킬 중성자를 흡수하므로 우라늄을 농축하여 중성자 발생량을 늘인다. 연료교체 없이 일정 기간 임계와 연쇄반응을 유지하기 위해서도 농축이 필요하다. 발전용 핵연료 농축도는 5.0w/o $^{235}U$ 이하로 제한되어 있다.

가압경수로(PWR, Pressurized Water Reactor)

물이 높은 온도에서도 액체 상태를 유지하면 열전달 효과가 높아지지만 물이 끓어 액체와 수증기가 혼합되면 열전달 효과가 급속히 떨어진다. 대기압상태 100℃에서 끓는 경수가 원자로 운전온도 300~330℃ 에서도 액체 상태를 유지하도록 약 150기압 정도 압력을 가한 상태에서 운전을 하므로 가압경수로라 한다. 냉각재의 운전온도는 보통 290~320℃ 범위이다. 핵연료는 정사각형 모형으로 17x17핵연료집합체가 가장 널리 사용되고 있다. 가압경수로는 원자로에서 뜨거워진 냉각재(일차계통)가 증기발생기에 공급된 냉각수(이차계통)에 열을 전달하여 증기를 만든다. 즉, 2개의 계통이 분리되어 있다. 이차계통의 압력은 일차계통에 비해 낮은 XX기압이어서 이차계통으로 공급된 물이 일차계통의 열을 전달받아 증기로 만들어 진다.

비등형경수로(BWR, Boiling Water Reactor)

비등형 경수로는 핵분열 에너지로 원자로 냉각재를 원자로 안에서 증기로 만들어 발전계통에 에너지를 전달한다. 즉, 가압경수로와는 달리 증기발생 계통이 따로 갖추어져 있지 않다. 원자로 냉각재계통은 가압경수로의 약 절반인 75~80 기압으로 가압되어 있어서 냉각재는 285℃ 정도에서 비등(沸騰)되어 증기로 변한다. 냉각재의 노심입구에서 온도는 210~220℃ 정도이며 노심출구에서 약 290℃ 부근이 된다. 즉, 노심 하부에서 유입된 냉각재가 노심을 벗어나면서 증기로 변하는 것이다. 핵연료집합체는 통(canister) 속에 핵연료봉이 8x8 또는 9x9 형태로 배열된 형태이다. 비등형 경수로는 원자로 상단부에 증기를 처리하는 설비 등이 위치하여 매우 복잡하므로 노심을 제어하는 제어봉이 원자로 밑 부분에서 위로 삽입되게 되어 있어서 원자로용기 상부에 설치되어 밑으로 삽입되는 가압경수로와는 크게 다르다.

가압경수로와 비등형경수로의 주요 차이 비교

	가압경수로	비등수형 경수로
핵연료집합체	17x17형 핵연료봉 배열	8x8 또는 9x9 핵연료봉 배열
원자로 운전 압력(기압)	150 ~ 160	75 ~ 80
핵연료 운전온도(℃)	290 ~ 320	210 ~ 290
일차냉각재 상태	액체	액체 및 수증기
제어봉 구동장치	원자로용기 상부 설치	원자로용기 하부 설치
증기발생기	있음	없음