경수형원자로

요약 경수(보통의 물)를 감속재와 냉각재로 사용하는 발전형원자로이다.

원자로는 핵연료와 냉각재, 감속재, 구조재로 구성되어 있으며 이용 목적에 따라 실용로, 개발시험로, 생산로, 연구로 등으로 구분할 수 있다. 이 중에서 실용로에 속하는 발전용원자로는 냉각재나 감속재에 이용되는 물질에 따라 경수형원자로, 중수형원자로, 흑연형원자로 등이 있다. 경수형원자로는 경수로(輕水爐)라고도 한다.

연료는 천연우라늄이나 농축우라늄을 사용하며 냉각재로 보통의 물인 경수(중수와 구분하기 위해 경수라고 한다)를 사용한다. 또한 고속중성자의 속도를 조절하는 감속재로도 경수를 사용하는데, 경수가 수소를 많이 함유하고 있기 때문이다. 감속재는 단위부피 안에 무게가 가벼운 원자핵을 다량으로 함유하는 기체가 적합한데, 경수는 가장 가벼운 원자핵인 수소의 핵을 다량으로 함유하고 있기 때문에 효율이 높다. 경수형원자로는 처음에 잠수함동력로로 개발되었는데, 2008년 기준 세계의 원자력발전소 가운데 80% 이상을 차지하고 있다. 현재 운전중인 원자로의 최대출력은 전기출력 100~130만kW에 이른다. 가압수형(加壓水型:PWR)과 비등수형(沸騰水型: BWR)이 있다.

가압수형은 잠수함과 기타 동력용으로 개발된 원자로를 거의 그대로 발전소용으로 대형화시킨 것이다. 가압수형은 감속재와 냉각제로 사용되는 경수를 원자로의 압력용기 속에서 320℃에서도 증발하지 않도록 157기압 정도의 압력을 유지하고 있는데, 이 때문에 이름이 가압수형으로 불린다. 연료는 직경 9mm, 길이 1cm 정도의 원주형으로 소결시킨 농축 산화우라늄 펠릿(pellet) 200~300개 정도를 지르코늄 합금제의 관에 삽입하고 양 끝에 밀봉용마개가 있는 4m 정도의 길이의 연료봉으로 만든다. 그리고 179~264개의 연료봉을 가로세로 14~17열로 배열하여 묶은 연료집합체로 만들어 사용한다. 그리고 연료봉들 사이로 경수가 흘러 그 표면에서 열을 빼앗음과 동시에 감속재 역할을 한다. 경수는 감속능력이 크기 때문에 적은 양으로도 충분하다. 250mm 정도 두께의 원자로용기에 290℃에 가까운 온도로 주입된 경수가 연료집합체 속의 위쪽으로 흐르면서 320℃ 정도로 가열이 되면 원자로용기에서 증기발생기로 흐른다. 증기발생기의 세관 내측을 흐르는 동안 외측에 있는 저압, 저온의 물을 증기로 바꾸고, 이 증기가 터빈발전기를 돌려 발전한다.

비등수형은 증기발생기 없이 원자로 압력용기 속에서 직접 증기를 만들고 터빈발전기에 들어가 발전한다. 가압수형에 비해 연료봉의 틈이 넓고, 연료봉이 굵다. 물이 연료봉 사이를 위쪽방향으로 흐르는 동안 이 물이 연료봉으로부터 열을 받아 일부가 증기로 바뀐다. 원자로용기 내부의 경수의 온도는 285℃ 정도이고, 포화압력은 70기압으로 가압수형에 비해 압력이 낮다.

가압수형은 증기발생기가 있어서 연료집합체를 통과한 물이 터빈발전기에 직접 닿지 않는다. 따라서 터빈발전기는 방사능오염의 우려가 없다. 그러나 증기발생기 세관의 누설이 있는 경우 터빈발전기에 방사성물질 오염의 우려가 있을 수 있다.