원자로 일반

원자로란 원자력 에너지를 평화적으로 활용하기 위해 제어된 상태에서 핵분열 연쇄반응을 인위적으로 지속시키는 대표적인 장치이다. 원자로는 활용목적, 활용매체(중성자 또는 에너지)에 따라 구분할 수 있으며, 핵분열 반응에 이용되는 중성자 종류에 따라서도 구분된다.

활용목적에 따른 원자로 분류

• 연구용 원자로(Research Reactor) : 핵분열 반응에서 발생하는 중성자를 이용하는 것이 목적이다. 따라서 주어진 조건에서 속중성자속(fast neutron flux, #/cm²·sec)을 최대로 발생시키도록 설계하며 물질특성 분석, 재료 시험, 동위원소 생산 등에 단일용도 또는 복합용도로 활용된다.

(참고) 이곳에 “원자력종류(기능별)”과 link 삽입

• 발전(發電)용 원자로(Power Reactor) : 핵분열 연쇄반응으로 발생하는 열에너지를 이용하여 터빈과 발전기를 작동시켜 전력생산을 목적으로 하는 원자로이다. 핵분열을 일으키는 중성자 에너지에 따라 열중성자로와 고속원자로로 구분한다. 선박추진에 필요한 동력생산 원자로도 이 범주에 포함할 수 있다.

(참고) 이곳에 “원자력종류(기능별)”과 link 삽입

• 핵물질 생산로(Production Reactor) : 핵분열 원료물질에 중성자를 흡수시켜 핵분열 용이물질을 생산하는 것을 목적으로 하는 원자로로서, 특별한 설명이 없을 경우는 무기제조용 플루토늄($_{94}^{239}PuU$) 생산 원자로를 통칭한다. 미국 Manhattan 프로젝트의 Handford 연구소에서 운용한 원자로와 북한의 영변원자로가 이 범주에 해당한다.
• 다목적 원자로(Multipurpose Reactor) : 발전(發電) 목적이 아니라 지역난방, 해수담수화, 산업공정에 필요한 에너지 등으로 활용할 수 있도록 열에너지를 생산하는 것이 주목적인 원자로이다. 개별 목적으로 활용하기도 하지만 복합적인 목적으로 이용할 수도 있다.

원자로 구조물(Nuclear Reactor Components)

원자로의 구조는 활용목적에 따라 일부 구조물에 차이가 있을 수 있으나 열중성자를 이용하는 발전용 원자로 경우 핵연료(nuclear fuel), 핵연료가 장착된 노심(core), 핵분열로 발생된 고속중성자를 에너지가 낮은 열중성자로 감속시키는 감속재(moderator), 핵분열 에너지 생산으로 뜨거워진 핵연료를 냉각시키면서 동시에 열에너지를 이송시키는 냉각재(coolant), 노심 외부로 중성자 누설을 억제하면서 노심으로 반사시키는 반사체(reflector), 핵분열을 조절하는 제어봉(control rod), 노심 내 구조물을 지지하는 내부구조물(reactor internals), 이들 구조물을 내포한 철제구조물인 원자로 압력용기(reactor vessel) 등으로 구성된다. (참고) 이곳에 “원자로구조”와 link 삽입

중성자 에너지와 원자로

핵분열에서 생성된 중성자의 에너지는 이론적으로 0 eV ~ 무한대()이나 평균에너지는 약 1MeV 정도이다. 원자로물리에서 고속중성자는( 에서 속도 가 크면(빠르면) 에너지가 크다) 통상 0.5MeV 이상의 에너지를 가진 중성자를 말하며, 열중성자는 0.1eV 이하의 에너지를 가진 중성자로 상온(20℃)에서 원자핵의 열운동(thermal motion) 에너지와 평행을 이루며 평균 0.0253eV 에너지를 가진 것으로 정의한다.

• 열중성자로(Thermal Neutron Reactor) 또는 열원자로(Thermal Reactor) : 열중성자를 이용하여 핵분열 연쇄반응을 일으키도록 설계한 원자로를 말한다. 따라서 고속의 핵분열 중성자를 열중성자로 감속시키는 감속재가 필수적이다. 현재의 발전용 원자로는 모두 영원자로이며 열중성자에 대한 핵분열 확률이 매우 큰 핵분열 용이물질 $_{92}^{235}U$를 3~5 w/o로 농축시켜 연료로 사용한다.
• 고속중성자로(Fast Neutron Reactor) 또는 고속로(Fast Reactor) : 고속중성자로 핵분열 연쇄반응을 일으키도록 설계한 원자로이며 중성자의 에너지를 감소시키는 감속재를 설치하지 않는다. 연료로는 열중성자로에 비해 높게 농축된(≤20w/o) $_{92}^{235}U$ 또는 $_{94}^{239}PuU$를 연료로 사용한다.

(참고) 이곳에 “발전용 원자로-고속로”와 link 삽입