중수로

중수로는 핵연료를 냉각시키면서 열에너지를 증기발생기로 이동시키는 매체로 중수(重水, D₂O)를 이용하는 발전용 원자로이다. 냉각재 중수는 중성자 에너지를 감속시키는 감속재로도 이용되며, 핵연료는 천연우라늄(0.7w/o $^{235}U$) 또는 저농축(1~2w/o $^{235}U$) 이산화우라늄(UO₂)을 사용한다. 가압중수로(PHWR, Pressurized Heavy Water Reactor)와 비등형 중수로 두 가지 노형이 있으며 가압중수로의 대표적인 원자로는 캐나다에서 개발된 CANDU(Canadian Deuterium Uranium)형 원자로로 천연우라늄을 연료로 사용한다.

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  중수로 구조

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  중수로 핵연료집합체

천연우라늄 핵연료와 중수

천연우라늄은 농축우라늄에 비해 $^{235}U$ 수밀도(number density)가 낮아 중성자속(neutron flux)이 적어 경수(H₂O)를 냉각재 및 감속재로 사용할 경우 임계 연쇄반응을 유지할 수 없다. 이는 경수의 중성자 흡수력이 중수의 수백 배로 커서 핵분열을 일으킬 중성자를 포획하기 때문이다. 따라서 천연우라늄을 연료로 사용하는 경우 냉각재 및 중성자 에너지 감속재로 중성자 흡수단면적이 경수보다 작은 중수를 사용한다. 중수의 중성자 에너지 감속능력이 경수보다 낮기 때문에 에너지 감속효율을 높이기 위해 감속재 중수의 순도는 냉각재 중수보다 훨씬 높다. 만일 중수로에 냉각재로 경수를 사용하고자 한다면 천연우라늄 대신 저농축 우라늄을 사용해서 $^{235}U$ 수밀도를 높여 중성자 발생량을 늘려주어야 한다.

원자로(Reactor – Calandria)

중수로는 경수로와는 달리 원통형 원자로가 수평으로 설치된다. 원자로 내부에 수백 개 원통형 압력관(pressure tube, fuel channel)이 수평으로 배치되고 각 관에 12개의 핵연료 다발이 장전된다. 압력관 수는 원자로 용량에 따라 다르며 600MWe급 경우 389개, 800MWe 급 원자로 경우 480개의 압력관이 설치된다. 경수로와는 달리 냉각재와 감속재 영역이 공간적으로 분리되어 서로 교류하지 않는다. 300℃ 정도의 냉각재는 약 100기압 정도로 가압된 압력관 내부를 펌프를 사용하여 강제로 순환시키며 인접한 압력관의 냉각재는 서로 반대방향으로 흐른다. 압력관 외부를 채운 감속재의 운전온도는 100℃ 아래여서 비등되지 않으므로 대기압보다 약간 높게 가압되어 있다. 압력관의 냉각재를 연결배관을 통해 집중관에 모아 증기발생기에 공급하여 이차냉각재인 물을 증기로 만든다. 원자로제어는 수평 원자로 상단부에 위치한 제어봉과 중성자 흡수 독물질(poison material)를 이용하여 이루어진다.

핵연료집합체(Fuel Bundle)와 핵연료 채널(Fuel Channel)

핵연료집합체는 37개의 핵연료봉이 실린더 형으로 묶여 양단에 지지판으로 용접하여 고정되어 있으며 길이는 약 49.5cm이다. 핵연료봉에는 격자가 있어서 봉 간에 접촉을 방지하며 압력관과 직접 접촉되자 않도록 외곽 핵연료봉에는 패드가 부착되어 있다. 압력관으로 불리는 핵연료 채널에는 12개 핵연료집합체가 장전되며 냉각재가 흐르는 방향으로 핵연료를 삽입한다. 핵연료 채널 양단에는 핵연료를 교체할 때 사용되는 핵연료교체기와 연결되는 마개가 설치되어 있다.

핵연료 교체

12~18개월 운전주기로 노심의 1/3에 해당하는 핵연료를 교체하는 경수로와는 달리 천연우라늄을 연료로 하는 중수로 경우는 운전하면서 매일 소량의 핵연료집합체를 교체한다. 이는 천연우라늄 연료에 함유된 $^{235}U$의 량이 적어 핵분열로 U235가 소모되면서 핵분열 연쇄반응을 지속시키는 임계상태를 유지할 수 없기 때문이다. 600MWe CANDU 경우 한 개 핵연료 채널에서 8개씩 매일 약 20개의 연소된 핵연료를 신 연료로 교체한다. 원자로 양단에 핵연료교체기가 있으며 핵연료가 장전되는 방향(냉각재가 흘어 들어가는 방향)에서 신 연료를 삽입하고 반대쪽에서 연소된 연료를 인출한다.