[전기·전력상식] 원자로와 핵연료(上)
문정희 기자 2016-09-13 15:44 0

(1) 원자로의 기본구성

원자로는 핵분열 반응을 지속적으로 유지시키고 원하는 때에 원하는 출력을 낼 수 있는 장치를 말한다. 이것이 재래식 보일러와 다른 점은 기름이나 석탄 대신 우라늄을 태운다는 사실이다. 원자로를 구성하고 있는 요소들은 핵연료, 감속재, 냉각재, 반사체, 제어장치, 차폐체 등이 있고, 이 요소들은 압력용기 속에 들어있다.


① 핵연료
원자로의 생명은 핵연료이다. 핵무기용 플루토늄을 만들려면 우라늄금속을 원자로 내에 넣어야 하는데 발전로에서는 주로 산화우라늄을 쓰고 있다. 우라늄 가루를 구워서 만든, 약 1㎝ 남짓한 백묵 모양의 핵연료를 펠릿이라고 부르며, 이것을 약 4m 길이의 껍질 안에 한 줄로 넣는다. 이 껍질을 피복재라고 부르는데 피복재의 주요 기능은 핵연료에서 발생한 기체가 밖으로 빠져나오지 못하도록 방파제 역할을 하는 것이다. 이 4m 길이의 핵연료를 가로, 세로 각각 14개, 16개 또는 17개씩 얽어매어 가운데 7~8개의 띠로 묶은 다발을 핵연료 집합체라고 한다.
로 내에서 핵분열이 일어나면 핵연료 안에서 생긴 열이 피복재를 거쳐 원자로 안을 맴도는 물을 덥힌다. 그러면 높은 압력의 뜨거운 물이 열교환기로 들어가 수증기를 만들고, 이 수증기가 터빈을 돌리면 터빈에 연결된 발전기에서 전기가 나온다.




② 감속재
핵분열 때 생겨 고속으로 튀어 나온 중성자의 속도를 늦추어주는 물질로서 이것은 원자번호가 적고 중성자를 잘 흡수하지 않으며 또한 밀도가 높고, 방사선에 노출되어도 변질되지 않아야 한다.
감속재로 사용되는 물질로는 경수, 흑연, 중수, 베릴륨 등이 있는데 가장 흔하고 널리 사용하는 감속재는 물이다. 보통 물을 경수(輕水)라고 부르는 것은 중수(重水)와 구분하기 위해 지어낸 말이다. 물이 감속재와 냉각재 겸용으로 많이 사용되는 것은 중성자의 감속능력이 가장 크고, 값이 싸고 흔하며, 특히 우리가 그 성질을 너무도 잘 알고 있기 때문이다.
보통 물은 중성자를 비교적 많이 흡수하기 때문에 천연우라늄을 핵연료로 사용해서는 연쇄반응을 지속시킬 수 없어 2~4% 농축한 우라늄을 쓰게 된다. 그러나 중수를 감속재로 사용하면 천연우라늄을 쓰더라도 원자로 구실을 충분히 할 수 있다.


③ 냉각재
원자로에서 핵분열로 생기는 열을 운반하는 물질로서 핵연료봉 바깥을 흐르고 있다.
냉각재로는 경수, 중수 등 액체나 탄산가스 등 기체가 사용된다. 냉각재는 정상 운전 중에는 열의 운반 및 원자로 온도 유지가 중요한 기능이나 사고 시에는 원자로가 과열되지 않도록 원자로를 비상 냉각시키는 기능을 한다.


④ 제어물질
원자로의 출력을 일정하게 유지시키거나 원하는 대로 변동시키려면 원자로 내에서 발생하는 중성자수를 조절해야 한다. 중성자가 순식간에 너무 급격히 늘어나면 폭발할 우려가 있으므로 중성자의 증가율을 항시 억제할 필요가 있다.
이 조정구실을 하는 물질이 제어물질이다. 제어물질은 핵연료보다 중성자를 훨씬 더 잘 흡수하나 핵분열은 일으키지 않기 때문에 제어물질의 양을 늘리면 중성자수는 줄어들어 출력이 낮아지고, 줄이면 그 반대현상이 생긴다.
제어물질에는 붕소, 카드뮴, 인듐, 은, 가돌리늄, 해프늄 등이 있는데, 이들은 제어봉이라 부르는 금속봉 속에 넣어 사용되기도 하고, 화합물로 만들어 물속에 녹여 사용되기도 한다.
제어봉은 노심내로 드나들면서 중성자수를 조절하고, 수용성 물질은 그 농도를 조절함으로써 출력을 조정한다.


⑤ 차폐체
핵분열이 일어날 때 생기는 고속 중성자나 에너지가 큰 감마선 등이 원자로 밖으로 나와 인체에 해를 주거나 구조물에 강한 열적 충격을 주는 것을 막기 위하여 콘크리트, 납 또는 물 등으로 된 차폐체를 두는 수가 있다.
차폐의 목적이 방사선으로부터 인체를 보호할 목적인 것은 생물학적 차폐, 구조물을 방사선의 열충격으로부터 보호하기 위한 것은 열차폐라 부른다.


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