중수로

원자로(nuclear reactor)는 연료(fuel), 핵분열의 연쇄반응을 위해 중성자의 속도를 제한하는 감속재(moderator), 생산된 열을 운반하기 위한 냉각재(coolant) 등으로 구성되어 있다. 중수로(heavy water reactor, HWR)는 천연 우라늄이 연료로 사용되고 중수(heavy water, @@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@)가 감속재와 냉각재로 사용되는 원자로 종류 중 하나이다. 중수형 원자로라고도 부른다.

중수로에 대한 이해를 위해 원자로에 대한 간략한 설명이 필요하다. 원자로는 핵분열에서 발생된 에너지를 추출하여 동력으로 사용하는 장치를 말한다. 핵분열은 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리(@@NAMATH_INLINE@@E=mc^2@@NAMATH_INLINE@@)을 통해 설명할 수 있다. 예를 들어 핵연료로 사용된 235-우라늄은 열중성자와의 반응을 통해 핵분열을 일으킨다. 이때 중성자를 흡수한 우라늄은 2개의 원자핵으로 분리되며 2~3개의 중성자와 감마선을 방출한다. 질량-에너지 등가원리에 따라 질량손실은 엄청난 에너지를 발생하게 한다. 핵분열이 지속적으로 일어나기 위해서는 핵분열에 의해 발생된 중성자를 열중성자로 사용하여 핵분열 반응을 반복시켜야 하며 이를 연쇄반응이라 한다. 그러나 핵분열을 통해 발생된 중성자는 고속 중성자이기 때문에 열중성자로 변환시키기 위해 속도를 조절시켜야 하며 이러한 역할을 하는 것을 감속재라고 한다. 또한 핵분열이 일어나면 엄청난 열이 발생하는데 이러한 열로 인해 핵연료가 용해될 수 있기 때문에 온도를 조절하기 위한 냉각재가 필요하다. 중수로는 냉각재와 감속재로써 중수를 사용한 것을 말한다. 중수(heavy water, @@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@)는 수소의 동위 원소중 하나인 중수소(deuterium, @@NAMATH_INLINE@@^2_1H=D@@NAMATH_INLINE@@)로 이루어진 산화중수소이다. 중수소는 기존의 수소(@@NAMATH_INLINE@@^1_1H@@NAMATH_INLINE@@)에 비해 열성 중성자에 대한 흡수 단면적이 작기 때문에 감속재로 사용된다. 중수(@@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@)를 감속재와 냉각재로 사용한 원자로를 중수로(heavy water reactor, HWR)라 하며 일반적인 물인 경수(@@NAMATH_INLINE@@H_2O@@NAMATH_INLINE@@)를 사용한 원자로를 경수로(light water reactor, LWR)라고 한다.

중수로는 세계 2차 대전을 이후 1960년대에 캐나다에서 최초로 개발되었다. 이에 대한 발전 배경은 세계 2차 대전으로 거슬러 올라간다. 전쟁 당시 캐나다는 군사 목적으로 중수로 연구에 대해 깊게 연루되었고 전쟁 직후 중수로에 관한 연구가 지속되었기 때문이다. 그리고 캐나다는 바로 사용할 수 있는 천연 우라늄양이 방대하기 때문에 값이 비싼 우라늄 농축 공장을 설치하거나 미국이나 다른 국가의 농축 연료에 의존할 필요가 없었다. 그 결과 천연 우라늄과 중수를 감속재로 사용하는 CANDU(canada deuterium uranium)라는 가압 중수로를 개발하게 된다. 중수는 중성자 충돌 대 에너지 손실이 일반 물에서 보다 작고 특정 열에너지에 도달하기 위해 더 많은 충돌을 필요로 하기 때문에 더 많은 거리를 이동한다. 그러므로 중수로는 경수로에 비해 원자로 노심의 압력 용기가 커야 한다. CANDU 중수로에서는 큰 압력용기(pressure vessel)를 사용하는 대신 압력관(pressure tube) 개념을 적용하였다.

그림1: CANDU(canada deuterium uranium) 중수로의 모식도 (출처: 한국물리학회)

그림1은 CANDU 중수로의 모식도이다. 앞서 말한 것처럼 CANDU 중수로는 큰 압력 용기 대신 중수 감속재가 채워져 있는 큰 수평 실린더 탱크인 칼란드리아(Calandria, 그림에서 회색 박스를 뜻함)로 구성되어 있다. 이러한 탱크 내에는 연료를 포함하고 있는 몇 백 개의 수평 압력관(모식도에서 화살표 모형을 뜻함)으로 이루어져 있다. 중수 냉각재는 이러한 압력관을 통해 약 10MP 압력으로 흐르며 압력이 가해져도 끓지 않는다. 냉각재 회로는 연료 튜브와 두 개의 회전 루프로 이루어져 있다. 중수는 fuel bundle이라 불리는 핵연료 다발을 지나 뒤집어진 유자 형태의 튜브로 이동한다. 이 증기 발생기에서 증기가 발생하고 터빈으로 이동되며 열을 이동하게 된다. 냉각재는 원자로를 돌아 인접한 연료 튜브를 통해 반대 방향으로 이동한다. 여기서 두 번째 증기 발생기로 흐르기 전에 또 다시 가열된다. CANDU에 이용되는 핵연료 다발이 그림2에 제시되어 있다. 길이 29.5cm에 10.2cm의 직경을 가지고 있다. 한 다발 내에는 37개의 튜브로 구성되어 있으며 천연 우라늄인 @@NAMATH_INLINE@@UO_2@@NAMATH_INLINE@@ 펠렛(pellets)으로 채워져 있다. 각 튜브는 끝 쪽 플래이트에 용접되어있으며 스페이서(spacers)로 분리되어있다. 이 연료는 약 7.5MWd/kg의 연소율을 제공할 수 있다.

그림2: CANDU의 핵연료다발(fuel bundle) ()

CANDU 중수로의 특징은 연료 주입기기의 제어를 통해 원자로를 멈추지 않고 연료를 주입 시킬 수 있다는 것이다. 그림3은 CANDU의 연료 주입기기의 모식도이다. 연료주입 기기가 연료 튜브 양 끝단에 위치해있는 것을 확인할 수 있다. 연료 주입기기 한쪽 내부에는 새 핵연료다발(fuel bundle)이 장전되어 있고 원자로 내에 위치하고 있는 연료다발의 한쪽 끝을 밀게 된다. 이를 지속적으로 밀게 되면 사용된 핵연료다발이 반대쪽 연료 주입기기로 들어가면서 새 핵연료다발로 교체된다. 사용된 핵연료 다발은 ‘수중용 사용 후 핵연료 저장고(underwater spent fuel repository)’로 이송된다. 이러한 재 연료 시스템은 CANDU 원자로의 유용성을 높이는 데에 큰 기여를 하게 된다. CANDU의 발전소는 습식 시스템에 의한 부식을 막기 위해 특별하게 제작된 날로 이루어진 더 큰 터빈이 반드시 사용되어야 한다. 이러한 문제를 회피하기 위해 동일한 중수 감속재를 이용하고 다른 냉각재를 사용하는 실험을 하였다. 특히 경수(light water)나 유기 유체에 대한 실험을 진행하였다. 그러나 자연 상태의 우라늄이 연료로 사용되는 한 이러한 냉각재 중 어느 것도 중수 냉각재 보다 큰 장점을 갖고 있지 않다. 따라서 현재까지 중수가 냉각재와 감속재로 사용된다. CANDU 중수로의 전체적인 크기는 (즉 중수 재고량을 뜻함) 천연 우라늄 대신 약간 농축된 우라늄을 사용함으로써 지속적으로 감소하였다. 이를 통해 연간 연료 소모량을 줄이는 추가적인 이점을 갖게 되며 우라늄 자원을 보존하게 된다. 이 목적을 위해 사용된 농축 우라늄은 약 1.2 w/o 로 최적화되어 있다.

그림3: 연료 주입기기 모식도 (출처: 한국물리학회)

CANDU 중수로 이외에도 여러 나라의 중수로가 존재한다. Argentina에 위치하고 있는 Atucha 원자력 발전소(Nuclear Power Plant)는 독일 기업인 Kraftwerk Union(현재는 Siemens 그룹 중 하나)에 의해 디자인되었다. 여기서는 천연 우라늄과 농축 우라늄 혼합물이 사용되며 중수가 감속재와 냉각재로 사용된다. 또한 이란의 Arak 근처에는 IR-40이라 불리는 중수로가 건설되었다. CANDU와 마찬가지로 천연 우라늄을 연료로 사용하고 냉각재와 감속재로써 중수를 이용한다. 그러나 현재에는 원자로 노심인 칼란드리아(Caladria)가 제거된 상태이며 연구 개발 및 산업 동위 원소 생산에만 사용될 것이라고 명시했다. 우리나라 경북 경주시의 월성원자력에도 중수로가 존재한다. 캐나다의 CANDU와 동일한 모델이며 캐나다 원자력 공사가 설계한 원전 1~4호기 중수로가 존재한다. 1983년 완공된 월성 1호기 중수로는 현재에는 가동 중단된 상태이며 2~4호기 중수로가 운영 중이며 각 700MW의 용량을 갖는 가압중수로이다.