발전용 원자로 개발사

원자력의 역사는 태평양전쟁(1941~1945) 당시 미국이 핵무기를 개발하기 위해 시작한 Manhattan 프로젝트에서 출발한다. 플루토늄 생산 원자로의 설계·건조 경험이 전쟁 후 즉각적으로 평화적 이용 목적의 발전용 기술로 활용되지 못하고 있는 상태에서 잠수함 추진동력원 원자로로 개발·활용되었다. 동·서간의 핵무기 경쟁의 해빙모드에서 1952년 UN총회에서 아이젠하워 대통령의 「Atom for Peace」 주창에 따라 잠수함 경수형 원자로기술은 육상에 건설하는 발전용 원자로로 급속히 중심이동이 이루어졌으며, 천연우라늄을 연료로 사용하는 가스냉각형 발전용 원자로기술도 한 축을 담당하였다. 이들은 지난 50여 년간 집중적인 투자와 기술개발 노력으로 오늘날의 원자력發電기술로 이어지게 되었다.

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  Shippingport 원자로

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  CANDU형 원자로

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  Magnox형 원자로

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  APR1400 원자로

발전용 원자로 개발 배경

인류 최초로 인위적인 우라늄 핵분열 연쇄반응이 1942년 12월 2일 시카고대학 교정 지하에 세워진 천연우라늄 연료와 흑연감속재 구조물인 CP-1(Chicago Pile-1)에서 이루어졌다. 핵분열 연쇄반응이라는 물리적 현상이 확인된 후 플루토늄 생산목적의 생산로(production reactor)가 건설되고 생산된 플루토늄은 핵무기의 연료로 사용되었다. 1945년 8월 9일 일본 나가사키에 투하한 원자탄이 바로 플루토늄 폭탄이다. 냉전기에 미·소간의 핵무기 경쟁과 영국과 프랑스의 핵무기 개발로 인해 원자로 기술정보는 철저한 국가관리체제에 놓여 원자력의 평화적 이용으로 이어지기 매우 어려웠다. 그러나 미국의 잠수함 승무원이었던 리코버 제독의 주창으로 원자력 에너지를 잠수함의 동력원으로 이용하는 것에 주목하여 이 분야로 원자로 개발이 급속도로 진행되었다. 잠수함 내부의 공간 제한으로 원자로는 소형으로 가벼워야 하고 승무원의 안전우선으로 가압경수로 기반으로 이루어졌다. 핵무기 개발에 뛰어들은 영국과 프랑스는 농축시설이 없었으므로 천연우라늄으로부터 플루토늄을 생산하는 흑연감속 원자로를 개발하였으며 플루토늄 생산과 함께 핵분열 열에너지를 이용한 전기생산도 병행하였다. 냉전기 끝에 동서간의 해빙무드와 1952년 UN총회에서 아이젠하워 대통령의 「원자력의 평화적 이용」 주창에 세계가 공감하여 원자로 기술을 전력생산에 활용하는 발전용 원자로 개발로 이어지게 되었다. 발전용 원자로 개발 흐름은 농축우라늄 연료의 경수로 기술과 천연우라늄을 연료로 이용하는 원자로기술로 양분되어 출발하였다.

• 미국은 대규모 자원을 투입하여 개발한 잠수함 동력원인 발전용으로 전환
• 영국·프랑스는 Pu 생산로인 천연우라늄 연료의 흑연감속 원자로를 발전로로 개발하였으며 캐나다는 농축기술 부재로 천연우라늄 및 중수감속의 중수로 개발

이들 발전용 원자로는 기술과 수요시장 환경에 따라 서로 간에 경쟁이 이루어졌으며, 미국이 경수로를 잠수함 동력원으로 개발할 때 다른 노형들의 개발노력이 따라 오기에 어려울 정도의 대규모 자원투입과 기술개발 노력 덕분으로 경수로가 오늘날 세계 원자력발전 시장을 압도적으로 주도하게 되었다.

경수형 발전로 개발사

경수형 발전로(경수로, LWR-Light Water Reactor))는 제2차 세계대전 후 미국에서 집중적으로 개발이 이루어 졌다. 잠수함 동력원으로 기술개발이 상당하게 이루어진 덕분이었다. 경수로는 Westinghouse(WH)사, Babcox & Wilcox(B&W)사 및 Combustion Engineering (CE, WH사에 흡수·병합됨)사가 개발한 가압경수로(PWR, Pressurized Water Reactor), 그리고 General Electric(GE)사의 비등수형 원자로(BWR, Boiling Water Reactor) 등이 대표적이다. 1950년대부터 개발이 시작된 이들 경수로는 원자력발전 수요시장의 선택에 따라 부침을 거듭하면서 개량·개선되어 오늘날 주력 발전로로 전 세계 원자력발전량의 약 86%(PWR 64%, BWR 22.5%)를 차지하고 있다. 명확한 구분 기준은 없지만 원자로의 안전성과 경제성 향상에 근거하여 원자로기술 세대를 구분하고 있다. 안전성 측면에서는 중대사고 대책, 인적요인 저감, 피동안전 접목, 자동화 등이 핵심적인 기술들이며, 경제성 관점에서는 출력규모, 장수명, 건설비, 가동률, 단순화, 표준화, 보수성 등이 개량·개선대상의 핵심요소들이다.

• 제1세대 발전로 : 잠수함 원자로기술을 근간으로 1950~1970년대에 육상에 상업 발전용으로 초창기에 건설된 소규모 출력의 원형로에 해당한다고 볼 수 있다. 1957년에 가동된 미국 Pittsburgh시 인근 Shippingport에 건설된 100MWe 경수냉각 발전로가 제1세대 발전로의 시작이다. Shippingport 발전로의 핵연료는 건조가 취소된 원자력추진 항공모함에 사용하기로 했던 고농축 우라늄(93w/o ²³⁵U)을 사용하고 ²³⁸U을 blanket로 설치한 증식로 개념이었다. Shippingport 원자로는 1982년에 운전이 종료되었다. Shippingport 이후 건설된 발전로는 오늘날의 경수로처럼 저농축 우라늄을 연료로 사용한다. BWR의 최초 발전로는 1960년부터 가동한 미국 일리노이주 Grundy County의 Dresden 1호기인 BWR-1형 원자로로 1978년에 폐쇄되었다. 당시의 제1세대 상업 발전로에 절대적인 경제성 개념이 도입되기에는 인식이 부족했으며 비록 현재의 높은 안전성 수준과는 비교가 되진 않지만 당시로서의 최우선 관심은 원자로의 안전성이었다. 초기에는 핵연료의 건전성에 대한 기술수준이나 신뢰성 자료가 부족하여 1년 주기로 핵연료교체가 이루어지고 원자로의 설계수명은 30년이 표준이었다. 1세대에 속할 수 잇는 많은 워자로 중 아주 초기기술의 원자로를 제외하고는 많은 원자로가 계속운전을 하고 있을 정도로 안전성도 제고되었다. 우리나라 고리원전 1, 2호기가 제1세대 범주에 속한다. 그러나 1세대 기간 중에 원자로기술에 대한 지속적인 기술개발이 이루어져 점차 경제성(출력규모 등)과 안전성이 초기와는 비교가 되지 않을 정도로 향상된 원자로가 건설되기 시작했다.
• 제2세대 발전로 : 1970~1995년대에 개발되고 건설된 원자로로 현재 운전 중인 대부분의 상용 발전로가 제2세대 원자로 범주에 해당된다. 2011년 3월 중대사고가 발생한 후쿠시마 제1원전의 1~4호기가 제2세대 BWR형 원자로이다. 제2세대는 발전소의 전기출력 규모도 제1세대의 수십만 kw에서 100만 kw급 수준으로 증가하고, 석탄연료 발전소와 경쟁이 상업용 원자력발전의 최우선 관심요소가 됨에 따라 경제성 향상이 획기적으로 이루어졌다. 나아가 핵연료의 안전성(건전성)이 원자로의 안전성과 원자력발전의 상업성을 보장하므로 핵연료의 획기적인 발전도 이 시기에 이루어졌다. 특히 핵연료 피복재가 초기의 Stainless Steel에서 Zr합금으로 표준화되어 안전성과 중성자의 경제성을 제고시키는 기술발전도 이루어졌다. 1979년 TMI-2 원전의 노심용융사고는 원자로 안전에 대한 인식전환을 가져온 획기적인 계기가 되었다 이에 따라 원자로의 안전성 및 신뢰성과 관련하여 강화된 안전기준이 요구됨에 따라 안전성관련 조치강화 및 신기술 개발과 함께 경제성을 향상시키기 위해 가동률, 운전성 등 경제성 향상요소들에 대한 기술개발도 집중적으로 이루어졌다. 안전성 기준인 원자로의 노심손상빈도(중대사고확률)를 10^-4/년 미만으로 설계하고 중대사고 대책, 인적요인 저감 등에 기술개발 초점을 맞추었으며, 경제성 향상 측면에서는 원자로의 설계수명을 40년으로 늘리고 핵연료 교체주기는 12개월보다 길어졌으며, 건설비 저감, 가동률 향상, 시스템의 단순화와 표준화, 원전 보수성(maintenance) 향상에 집중하였다. PWR은 미국의 WH사 및 CE사, 일본의 미쓰비시중공업 등에서 신기술 개발·접목과 표준화 프로그램을 통해 기술개량이 지속적으로 이루어졌다. 전 세계에서 현재 가동 중에 있는 PWR(미국 WH사와 CE사의 3-loop/2-loop형, System80+, 프랑스 프라마톰 PWR형 등), BWR(미국 GE사의 BWR-3,4,5,6형 등), CANDU형 중수로(Bruce 원전)가 제2세대 로 분류할 수 있으며 우리나라의 경우 고리 1,2호기 이후부터 OPR1000 원자로를 포함하여 신고리 3,4호기 이전에 건설된 원자로가 이에 해당한다.
• 제3, 3⁺세대 발전로 : 1979년 미국 TMI-2 원전 노심용융사고는 비록 원자로 압력용기 및 격납용기의 방벽 덕분에 방사성물질이 환경에 누출되지 않아 방사선피해는 없었지만 원자로의 안전성 확보가 최우선 원칙임을 평가하는 계기가 되었다. 그동안 원자력발전의 상업성은 경제성으로 보장될 수 있었지만 안전성이 전면으로 대두됨에 따라 안전관련 기술개발이 급진전을 이루게 되었다. 2세대 원자로가 안전성 제고 노력에 비해 상대적으로 경제성이 강조되었다면 1980년대 중반부터 개발이 시작되어 2000년대에 시장에 등장하는 제3세대 신형원자로는 안전성이 더욱 향상되었으며 피동안전기술 접목 등을 통해 노심손상빈도 10^-5/년 미만 등으로 능동안전기술의 경수로 기술로서는 더 이상 기대하기 어려운 수준까지의 안전성을 확보한 것으로 평가되고 있다. 원자로 출력용량의 증가(100만 kw에서 140~150만 kw), 원자로 설계수명 60년, 표준화 및 건설공기 단축, 운전성 향상 등을 통해 경제성도 가일층 향상된 것으로 평가되고 있다. 2011년 3월 일본 후쿠시마 원전사고(노심용융, 원자로 압력용기 파손, 방사성물질 환경 누출 등)는 구형인 제2세대 BWR-3,4형 원자로의 사고이긴 하지만, 원자로의 안전성 확보를 근본적으로 재평가하고 대책을 강구하는 게기가 되었다. 이에 따라 제3⁺세대 원자로는 안전성 제고를 최우선 가치로 하여 피동안전기술을 최대한 확장하고 사고저항성 핵연료 개발에 노력을 경주하고 있다. 제3세대형 원자로에는 한국의 APR1400(신고리 3,4호기 및 이후의 원자로), 미국 WH사의 AP1000, GE사의 BWR-6, 일본의 APWR 및 ABWR 등이다. 3⁺세대 형으로는 프랑스 EPR, GE사의 ESBWR, SMR형으로는 한국의 SMART, 미국의 NuScale 및 mPower, 러시아의 KLT-405 등을 들 수 있다.

중수형 발전로 개발사

캐나다는 미국처럼 대규모로 자원을 투입하여 우라늄 농축기술을 개발하는 대신 풍부하게 매장된 천연우라늄을 연료로 사용할 수 있는 중수(D₂O) 감속 원자로를 제2차 세계대전 말기부터 개발하기 시작하였다. 중수의 중성자에너지 감속능력은 경수(H₂O)에 비해 떨어지지만 중성자 흡수가 작아서 천연우라늄을 연료로 사용할 수 있다. 천연우라늄을 연료로 쓰면 농축우라늄 경우에 비해 ²³⁵U 함량이 작아 임계 연쇄반응을 유지할 수 있는 시간이 짧아 연료를 자주 교체해 주어야 하므로 경수로에 비해 연소도(burnup, MWD/MTU)가 매우 낮다. 중수로에는 가압 중수 냉각형과 비등 경수 냉각형이 개발되었으나 비등 경수냉각형은 주목을 받지 못함으로서 가압 중수 냉각형이 현재의 발전로 위치를 차지하고 있다. 영국도 농축우라늄을 쓰는 비등 경수냉각형을 개발하였으나 경제성이 나빠 중지하였다. 중수형 발전소는 세계 원전의 약 5%에 이른다.

• 캐나다 CANDU형 중수로 : 캐나다가 주력으로 개발해온 압력관 형태의 중수 감속, 가압 중수 냉각형 원자로이다. 1966년에 운전하여 1984년에 폐쇄한 220MWe 전기출력의 Douglas Point가 최초의 CANDU(Canadian Deuterium Uranium)형 발전소이나, 대표적인 발전로는 1971년도에 운전을 시작한 542MWe 전기출력의 Pickering A 원자로이다. 이 노형은 압력관이 수평으로 설치되어 연소시간이 짧은 천연우라늄 연료 사용의 단점을 극복할 수 있도록 운전 중에 핵연료 교체가 가능하다. CANDU형 발전로는 현재 캐나다를 위시하여 한국, 인도, 파키스탄, 아르헨티나 등에서 전기를 생산하고 있다. 경수로와 같은 원자로기술 시대구분을 해보면 제2세대 원자로는 Bruce 원전이며, CANDU 6 가압중수로가 제3세대 원자로에 해당된다고 볼 수 있다.

흑연감속형 발전로 개발사

흑연감속형 원자로 역사는 미국의 물리학자 엔리코 페르미가 천연우라늄을 연료로 사용하여 최초로 핵분열 연쇄반응을 확인한 CP-1 원자로에서 출발한다. 흑연은 중성자에너지 감속능력이 중수보다는 떨어지지만 비교적 크고 값이 싸며 대량으로 구하기가 쉬워 태평양전쟁 중에 미국서 플루토늄 생산을 위해 건설하였고, 2차 세계대전이 끝난 후 영국과 프랑스에서 핵무기 연료생산 목적으로 대형 흑연감속형 원자로를 건설하였다. 이를 발전용으로 개조하여 상업 발전에 활용하였으며 원자력발전 태동기에 큰 역할을 하면서 영국과 프랑스를 중심으로 다수의 발전소가 건설·운영되었다.

• Magnox형 발전로 : 농축우라늄 연료를 확보가 어려운 상태에서 우라늄 이용률 향상방안으로 흑연을 감속재로 사용하는 원자로로 개발된 발전로이다. 천연우라늄 연료봉을 마그네슘과 알루미늄 및 다른 금속의 합금인 마그녹스 피복재로 감싼 연료와 이산화탄소를 냉각재, 흑연을 감속재로 사용하였다. 세계최초로 상업용 발전을 시작한 Magnox형 원자로는 1956년 8월에 가동한 영국의 콜드홀(Calder Hall) 원자로이며, 프랑스에서는 1958년에 처음으로 상업적 전력을 공급하기 시작했다. 흑연의 감속능력이 경수나 중수에 비해 떨어져 동일한 출력 대비 노심의 체적이 커야하고 또한 이산화탄소 가스의 열전달 능력이 떨어져 증기발생기도 커져야 하는 기술고유적인 문제가 있었다. 26기의 Magnox형 발전소가 건설되었으며 2003년 콜드홀 발전소가 영구폐로 되었으며 현재 운전 중인 Magnox형 발전로는 없다. 북한 영변에서 운영 중인 5MWe 원자로가 바로 Magnox형이며 발전용이 아니라 무기급(weapon-grade) 플루토늄 생산에 활용되고 있다.
• 개량형 가스냉각 발전로(AGR, Advanced Gas-cooled Reactor) : 가스냉각형 원자로의 제2세대로 열에 약한 마그녹스 피복재를 스테인레스강으로 바꾸었다. 스테인레스강이 마그녹스에 비해 중성자 흡수가 커서 천연우라늄을 연료로 사용할 수가 없으므로 약 2.5~3.5w/o 농축우라늄을 연료로 사용한다. Magnox 및 CANDU형 원자로와 같이 운전 중에 핵연료를 교체할 수 있다. Magnox형 원자로에 비해 다소 높은 40기압 정도로 가압되며 이산화탄소 냉각재의 높은 온도(630~640℃)로 열효율이 약 40%에 이르러 PWR(~33%)에 비해 높다. 그러나 흑연 감속재가 경수(H₂O) 감속재에 비해 성능이 떨어져서 원자로용기와 증기발생기가 커져야 하는데 크기의 제한성으로 전기출력규모가 550~650 MWe 정도여서 경제성 확보가 어려워 경수로와 경쟁이 어려울 것으로 평가되어 동 형의 원자로 개발과 건설은 주목을 받지 못했다. AGR 최초 발전소는 1962년 영국의 셀라필드에 건설되었으나 1976년이 되어서야 운전이 시작되었으며 지금은 폐로되었다. 영국은 AGR 14기를 건설하였으며 지금도 일부가 가동 중에 있다.
• 러시아의 흑연감속 경수로 : 구소련에서는 흑연을 감속재로 사용하지만 냉각재로 경수를, Zr 피복재의 농축 UO₂를 연료로 쓰는 독특한 원자로를 개발하였다. 1954년dp 세계 최초로 원자력발전을 시작한 것으로 알려지는 Obninsk에 소재한 IPPE연구소 내에 건설한 5MWe 실증로가 그 시작으로 현재도 가동 중이다. 이어서 Pu 생산목적으로 흑연감속과 비등을 허용하는 경수냉각 압력관형 원자로(RBMK)를 개발하였으며, 이를 발전로로 전환하여 1974년 1,000MWe 발전소를 레닌그라드 부근에 건설하였다. 1986년 우쿠라이나 체르노빌에서 사고(운전원 실수와 실험 미숙으로 출력폭주, 연료 용융, 흑연연소 화재, 수소 폭발, 대량의 방사성물질 환경 방출 등)를 일으킨 원자로가 바로 RBMK-1000형 원자로이다. RBMK형 원자로는 현재도 러시아, 우크라이나, 리투아니아에서 가동되고 있다.