원자로

원자력의 역사적 배경

제2차 세계대전중인 1942년 미국에서는 원자폭탄 제조 계획인 소위 '맨해튼 계획'이 수립되었다. 또한 1943년에는 맨해튼 계획의 일환으로 엔리코 페르미가 이끄는 물리학자 팀이 시카고대학교의 스태그(Stagg) 경기장 콘크리트 관중석의 지하에 세계 최초의 원자로인 '시카고 파일'(Chicago Pile)을 제작했다.

1943년에는 맨해튼 계획의 일환으로 테네시 주 오크리지 서쪽 20마일 지점에 원자폭탄 제조용 우라늄 생산공장을 건설하기 시작했으며, 뉴멕시코 주의 '로스앨러모스 과학연구소'에서는 폭탄 개발 및 설계를 수행했다. 1945년 7월 16일 맨해튼 계획 팀은 뉴멕시코 주 앨러머고도에 첫 원자폭탄 폭파 실험을 성공시켰고, 그해 8월 6일 히로시마[廣島]에, 3일 후 나가사키[長崎]에 원자폭탄을 투하함으로써 제2차 세계대전이 종식되었다. 이로써 핵 에너지는 최초로 군사적 목적에 이용되었다.

전후 캐나다·영국·미국은 국제연합(UN)에 원자력의 국제적 통제계획안을 제안했고 UN 총회는 1946년 1월 원자력 통제를 위한 UN 원자력위원회(Atomic Energy Commission/AEC)를 탄생시켰다. 불행히도 이 AEC는 원자탄 제조에 관한 미·소 간의 갈등으로 소기의 실효를 거두지 못했다. 한편 미국 내에서는 원자력이 군에 의해 통제되어야 한다는 정치가들의 주장과 민간인들의 손에 넘겨져야 한다는 반론이 대립되고 있었는데, 이 대립은 1946년 원자력법(Atomic Energy Acts)을 통과시킴으로써 타협을 보게 되었다.

이 법은 군사연락위원회(Military Liaison Commission)와 더불어 5명의 민간인으로 구성된 AEC로 하여금 핵에너지 연구개발을 통제하게 만들었고 또한 미국 의회 내에 상하의원 각각 9명씩으로 구성된 공동원자력위원회(Joint Committee on Atomic Energy)를 설치하여 원자력 문제에 관한 의회의 감시역할을 담당하도록 했다.

원자력법에도 불구하고 민간의 핵에너지 개발은 부진했는데, 1953년 아이젠하워 대통령은 원자력의 평화적 이용을 목적으로 원자력 정보와 자료에 대하여 여러 나라가 상호 협력한다는 것을 골자로 한 '원자력의 평화적 사용'을 밝혔고 이 결과 1957년에는 국제원자력기구(IAEA)가 탄생했다. 이 기구는 원자력의 평화적 이용을 증진시키고 동시에 철저한 감시 체제를 통하여 이 기구가 제공한 핵물질과 원자력 정보가 군사적으로 사용되지 않는다는 것을 보장하는 데 설립목적을 두었다. 이 기구의 헌장은 초기에 62개국이 인준했으나 현재 오스트리아 빈에 사무국을 두고 회원국은 약 110개국으로 늘어났다.

1954년 미국 원자력위원회와 웨스팅하우스전기회사가 펜실베이니아 선적항에 세계 최초의 상업용 규모의 발전소를 세우고 원자력 발전을 시작했다. 이후로 상업용 원자로는 전세계적으로 보급·이용하게 되었다. 원자력위원회는 '동력시험로계획'(power reactor development program) 하에서 전력회사들이 원자력발전소를 건설하는 일을 장려했는데, 이 프로그램에 따라 미국에는 1962년 당시 233기의 원자로를 운전하게 되었다.

원리

연쇄반응

연쇄반응이 일어나기 위해서는, 각각의 핵분열 과정에서 또다른 분열을 일으킬 수 있는 중성자가 적어도 1개 이상 방출되어야 한다.

이러한 조건이 형성되기 위해서 많은 수의 중성자가 방출되어야 하는데 그 이유는 중성자 중 많은 수가 연쇄 반응계를 이탈하고, 또 원자와 충돌한 중성자 가운데 일부는 분열을 유발하지 않고 원자에 그대로 흡수되어 버리기 때문이다.

자연에서 발견되는 원자 중에서 핵연쇄반응을 유지할 능력을 갖춘 유일한 원자는 우라늄의 희소 동위원소인 ²³⁵U이다(우라늄 235). 일반적으로 자연산 우라늄의 대부분은 그들의 핵내에 중성자와 양성자를 합해서 238개의 입자를 담고 있으며, 235개의 입자를 가진 원자는 약 1/140의 확률로 존재한다.

²³⁵U는 중성자와 충돌할 때 일반적으로 쉽게 분열된다. 고속의 중성자는 원자에 아무런 영향도 주지 않고 통과하는 경향이 있기 때문에, 중성자가 상대적으로 느린 속도로 움직일 때 분열이 보다 더 잘 일어난다. 핵분열로 생성된 중성자는 높은 속도를 가지므로 연쇄반응을 촉진시키는 한 가지 길은 그들을 감속시키는 방법을 찾는 것이다. 연쇄반응이 발생할 확률을 증가시키는 또다른 방법은 '농축'(enrichment)이라는 과정을 통하여 핵연료 중의 ²³⁵U의 비율을 높이는 것이다.

충분히 농축을 하면 중성자의 감속 없이도 연쇄반응이 일어날 수 있다. 또다른 연쇄반응 촉진방법으로는 원자로의 노심(爐心)을 크게 만들어 노심 경계 밖으로 빠져나가는 중성자의 수를 최소화하는 것이다. 특정한 형태의 원자로에서 연쇄반응이 일어날 수 없는 한계치인 '임계크기'(critical size)가 존재하는데, 이 임계크기는, ²³⁵U의 농축도를 증가시킴으로써 감소되며 또한 원자로 주위에 반사체를 설치함으로써 감소될 수도 있다.

반사체란 중성자들을 다시 노심 안으로 반사시키는 물질이다. 끝으로, 비핵분열성(nonfissionable) 원자에 의해 포획되는 중성자의 수가 최소화될 경우에 연쇄반응은 보다 쉽게 유지된다. 어떤 종류의 원자들은 중성자, 특히 느린 중성자를 쉽게 포획한다. 이런 종류의 원자들로 이루어진 물질은 가능한 한 피해야 한다.

우라늄 중 비핵분열성인 ²³⁸U은 중성자, 특히 중간 속도의 중성자들을 핵분열 없이 흡수한다. ²³⁸U이 고속 중성자를 흡수할 때는 분열이 일어나지만, 그 가능성은 매우 낮아서 그러한 방식으로 보충된 중성자의 수는 연쇄반응의 발생에 아주 작은 기여를 할 뿐이다(우라늄 238).

감속

중성자의 속도를 늦추는 과정을 감속이라 한다.

이 과정에서, 중성자 흡수 단면적(cross section)이 작고 가벼운 원자로 이루어진 감속재가 사용된다. 단면적이란 중성자가 원자핵과 반응하기 위해서는 반드시 통과해야 하는 원자핵 주위의 면적이라고 할 수 있다. 중성자가 감속재 안으로 방출되면, 그들은 한 원자로부터 다른 원자로 튀어나가는데, 이때 당구공의 충돌에서와 같이 충돌 과정중에 중성자는 자신의 속도를 잃게 된다. 이러한 작용은 중성자와 충돌하는 원자로의 크기가 작고 중성자를 흡수하지 않을 때만 일어난다.

예를 들어 중수소의 경우, 원자량이 작아 단지 중성자의 2배이며 흡수 단면적 역시 작기 때문에 매우 뛰어난 감속재이다. 수소는 질량의 측면에서는 중수소보다 좋지만, 흡수 또는 포획 단면적이 중수소보다 더 크다.

중성자의 감속

만약 ²³⁸U이 원자로 노심에 포함되어 있다면, ²³⁸U이 중속 중성자에 대해 상대적으로 높은 흡수 단면적을 가지고 있으므로, 원자로 노심은 때때로 우라늄을 긴 봉의 형태로 만들어 감속재 안에 일정한 간격으로 배치하여 격자 형태를 갖추어야 한다.

이러한 방식은, 핵연료가 불연속적인 여러 개의 봉이나 판의 형태로 배치되는 비균질 원자로형(heterogeneous reactor)으로 귀결되는데, 이렇게 함으로써 방출된 고속 중성자는 빠르게 우라늄 영역을 탈출하고, 다시 연료봉으로 들어가기까지 감속재 안에서 충돌을 거치게 된다. 그리하여 중성자 속도는 ²³⁸U 원자에 의해 포획될 기회가 낮은 수준까지 줄어들고, 반면에 ²³⁵U 원자에 포획되는 기회는 늘어나게 된다.

원자로 제어

만일 연쇄 반응이 너무 빠른 속도로 진행된다면, 열이 과다하게 방출될 수 있다.

반응을 제어하기 위해 중성자 흡수 단면적이 큰 카드뮴이나 붕소와 같은 물질을 봉의 형태로 노심에 삽입하는데 이것을 제어봉이라 한다. 이들 봉을 제거하면 노심의 반응도는 증가하며 제어봉을 가능한 한 깊이 삽입했을 때, 반응은 완전히 정지되고 더 이상의 연쇄반응이 방지된다. 제어의 또다른 방법은 연료의 양을 변화시키는 것으로, 이 경우 연료봉을 제거하면 반응도가 저하된다. 반응의 제어는 반사체나 감속재의 양을 조절함으로써 얻어질 수도 있다.

열 제거

원자핵분열은 열의 형태로 에너지를 방출한다.

만약 원자로 내의 핵분열이 일어나는 속도가 낮게 유지된다면, 노심은 매우 천천히 데워질 것이고, 열을 제거하기 위한 어떤 특별 설비도 필요치 않을 것이다. 반면에 높은 출력하에서는 노심 안쪽에 열제거 계통의 설치가 필요하다. 이러한 냉각계통을 위해서는 물이나 기체 또는 액체 금속과 같은 냉각유체가 노심을 관통해 흐르게 된다. 이 유체는 중성자가 너무 많이 흡수되지 않도록 하기 위해서 알맞은 핵 특성을 지녀야 하며, 또한 적절한 유동 특성과 열전달 특성을 지녀야 한다(냉각장치).

차폐

원자로 근처의 사람을 방사선으로부터 보호하기 위해 노심 주위에 차폐물이 설치된다.

이 차폐물은 원자로 주변에 두꺼운 콘크리트 구조로 되어 있으며, 핵분열과 분열 파편으로부터 방출되어 누출되는 중성자와 감마선을 효과적으로 흡수하기 위하여 납이나 강철 같은 중금속을 포함하기도 한다. 요구되는 차폐의 양은 원자로가 운전되는 출력 수준과 방사선 분열 파편이 축적되는 시간에 따라 달라진다. 차폐는 방사선에 의해 물리적 성질이 변화하는 여러 가지 물질을 보호하기 위해 사용되기도 한다.

종류

개요

원자로에는 핵분열 연쇄반응이 일어나는 중성자 에너지에 따라 고온 가스 냉각형 원자로 등이 포함된다. 고속증식로에는 액체금속 고속증식로, 기체냉각 고속증식로 등이 있다. 현재 상업용으로 많이 쓰이는 원자로는 가압경수형 원자로, 비등경수형 원자로와 액체금속 고속증식로이다.

가압경수형 원자로(pressurized-water reactor)

가압경수형 원자로는 경수(물)로 냉각과 감속을 한다(→ 경수형 원자로). 이때 경수는 높은 압력으로 유지되기 때문에 높은 온도를 얻는 것이 가능해진다.

뜨거워진 물은 노심을 둘러싸고 있는 가압용기로부터 증기발생기로 강제 순환된다. 증기발생기에서 교환된 열은 터빈을 회전시키는 수증기를 발생시킨다. 핵연료는 격자형태로 배치되는데, 상업용 원자로의 경우 보통 농도가 3~4％인 ²³⁵U을 사용하고, 이는 이산화우라늄 탄알(pelleta)로 이루어진 봉의 형태로 준비된다. 핵연료 피복재로는 스테인리스강과 지르코늄 합금이 사용된다. 핵연료와 피복재 사이의 공간은 열의 흐름을 원활히 하기 위해 헬륨으로 채워져 있다.

비등경수형 원자로(boiling-water reactor)

이 원자로는 가압경수형 원자로와 많은 공통점이 있다. 차이점은 중간 증기발생기가 제거되고, 증기가 노심의 비등수로부터 직접 터빈으로 공급된다는 점이다.

액체금속 고속증식로(liquid-metal fast-breeder reactor)

고속증식로는 우라늄 원소의 대부분을 차지하고 있는 ²³⁸U을 핵분열성 물질로 변환시켜 우라늄 자원의 사용을 극대화하기 위해 개발한 원자로이다. 고속증식로는 핵분열에서 생성되는 고속 중성자를 경수로에서와 같이 감속과정을 거치지 않고 그대로 핵분열에 사용하기 때문에 감속재가 필요하지 않은 대신 ²³⁵U＋²³⁸U이 중성자를 흡수하여 생성되는 플루토늄-239(²³⁹Pu)를 20％ 정도로 농축하여 핵연료로 쓴다.

냉각재는 중성자 에너지를 감속시키는 기능이 작은 나트륨-23(²³Na)을 주로 사용하는데 Na은 물이나 공기와 접촉했을 때 격렬한 화학반응을 일으킨다. 그리고 1차 계통의 Na이 방사선 물질을 많이 함유하고 있기 때문에 직접 증기 발생기와 연결되지 않고 중간 열교환기를 설치하여 2차 계통의 깨끗한 Na에 열을 전달한다. 2차 계통은 증기 발생기와 연결되어 증기를 발생시킨다.

안전성

개요

원자로는 폭탄이 아니다. 따라서 원자폭탄과 같은 재앙을 제공하지는 않는다. 그럼에도 안전성 문제는 논란의 대상이다.

원자로에는 확실한 자기 제어 기능이 있기 때문에, 안전성 문제는 보다 간단해진다. 예를 들면 비등경수형 원자로나 가압경수형 원자로에서 온도의 상승은 핵분열을 감속시키고 이로부터 원자로는 정지하려는 경향이 있다. 즉 원자로는 '고유 안정성'(inherent stability)이 있다.

원자로 사고(reactor excursion)

많은 방사성 물질의 누출을 수반하는 원자로 사고의 가능성은 존재한다. 그중 냉각수 상실 사고를 생각할 수 있는데, 냉각수의 상실은 곧바로 연쇄반응을 중지시킨다. 그러나 잔류열이 연료를 녹일 수 있고, 이로 인해 많은 양의 방사성 물질이 누출된다.

냉각수 계통은 이러한 사고가 발생할 확률을 극소화하도록 설계되어 있고, 비상 냉각수는 붕소가 섞인 물이 자동적으로 뿌려지는 형태로 공급된다. 냉각수 계통과 비상냉각수 계통이 동시에 실패할 매우 희박한 가능성 때문에 추가로 '공학적 안전설비'(engineering safe guards)가 설치된다. 이것은 해롭지 않은 분열 생성물이 방출되도록 하는 보조 기구와 일반 차폐물에 보완적으로 설치된다. 이는 사고시 방사선 낙진의 어떠한 관석도 담아낼 수 있을 정도로 강한 철제 외피로 원자로 전체를 둘러싸는 것을 포함한다. 원자로 설비는 항상 가장 근접한 도시에 대한 위험을 최소화할 수 있을 정도로 충분히 외딴 지역에 설치한다.

냉각수 정화

원자로의 정상 출력 운전 동안, 노심을 관통해 순환하는 냉각수 안에는 누출되어 나오는 적은 양의 분열 생성물과, 또 어떤 경우에는, 방사성 부식 생성물이 존재할 수 있다. 따라서 모든 원자로는 냉각수 정화 계통을 통해 이러한 물질을 제거하는 과정이 필요하다. 또한 가연성 독봉으로 붕소를 사용하는 가압경수형 원자로의 경수 냉각수 안에는 중성자 흡수의 결과로 생성된 삼중수소가 존재할 수 있다.

정상 상태에서 이들 물질의 전량이 완전히 원자로 안에 갇혀 있음에도 불구하고, 누출을 완벽하게 막는 것은 어려운 일이다. 어떤 경우에는, 반감기가 짧은 동위원소가 붕괴하도록 하기 위해 설정된 저장기간을 지난 후 분열 생성물 중 일부가 방출될 때, 비활성 기체인 크립톤(Kr)·제논(Xe)과 같은 약간의 분열 생성물이 굴뚝을 통해 대기의 높은 곳으로 분출되기도 한다. 마찬가지로, 비등경수형 원자로에서 삼중수소 또한 2차 냉각수 안으로 적은 양이 누출될 수 있다. 삼중수소는 산소와 결합한 후에는 화학적으로 물과 동일해 진다.

응용

개요

전력 생산이나 원자력 잠수함을 위해 만들어진 원자로 외에 세계 여러 곳에서 많은 원자로가 다양한 목적을 위해 쓰여지고 있다.

연구용·훈련용·검사용 원자로

이러한 원자로는 연구와 검사를 목적으로 설계되고 사용될 수 있는데, 이 경우 노심을 빠져나온 중성자를 직접 사용한다. 분열 파편으로부터 방출되는 감마선은, 분열 파편들을 노심에서 꺼낸 이후에 보다 편리하게 사용할 수 있다.

연구용 원자로는 동력 원자로에 비교할 때, 소규모인 것이 보통이다. 대학 구내에 있는 많은 연구용 원자로는 훈련과 교육을 목적으로 쓰여지고, 물리학과 생물학의 다양한 분야에서 연구를 하기 위한 중성자 생산에 쓰이고 있다. 보다 큰 규모의 연구용 원자로는 국립 연구소에서 찾아 볼 수 있는데, 보다 높은 출력을 유지하기 위해 소모되는 비용의 추가분은 높은 중성자속(neutron flux)을 얻음으로써 보상된다.

중성자속이란 초당 단위면적을 지나는 중성자의 수를 말한다. 검사용 원자로는, 그 1차 목적이 중성자가 물질에, 특히 동력 원자로에 사용될 물질에 미치는 영향을 검사하는 것이므로, 상대적으로 높은 중성자속을 필요로 한다. 높은 중성자속에 오랜 시간 동안 피폭된 물질은 때때로 그 질이 나빠지게 되는데, 검사용 원자로는 실제 원자로 운전기간 동안 기다리지 않고 이러한 영향을 연구하는 것을 가능하게 한다. 이러한 검사는 동력 원자로를 위해 여러 가지 형태의 핵연료의 사용가능성을 예측한다는 측면에서 특히 중요하다.

소규모 동력 원자로

중앙 발전소로부터 상업적 전력을 공급하기 위한 거대한 설비와는 달리 핵연료를 쉽게 재충전하기 어려울 정도로 외딴 지역에서는 소규모 동력 원자로가 실용적이다.

원자력 선박

미국의 항공모함 '엔터프라이즈호'와 같은 많은 해상선박들이 핵연료로 움직인다. 상업용 선박을 위한 핵 추진의 선례는 1960년대 미국에 의해 건조된 '사바나호'에서 찾아볼 수 있다. 이 배는 가압경수형 원자로가 사용되었는데, 그 결과 기술적인 성공을 거두었지만 상업적으로는 실패했다. 그 배는 보조금 없이 운항하는 것이 불가능했던 것이다. 그러나 이러한 시도는 매우 중요한 것이었고, 이후로 원자력을 해양에서 다른 비군사적인 면에 응용하는 일은 발전되어왔다.

유명한 구(舊)소련의 쇄빙선 '레닌', 독일이 건조한 무역선 '오토 한' 등은 추진에 사용할 동력을 공급하기 위해 가압경수형 원자로를 갖추고 있다.

바닷물의 음료수화

세계의 어떤 지역은 담수가 귀하고 수송하는 데 많은 돈이 드는 반면, 바닷물은 흔한 경우가 있다. 원자력은 바닷물의 탈염 공장을 움직이는 가장 경제적인 수단을 제공한다. 이때 발생되는 열의 일부를 전력 생산에 이용하는 다목적 공장에 대한 연구가 진행중에 있다.

로켓 추진

소규모 원자로가 우주 비행물을 위한 열과 전기의 보조원으로 연구되어왔다. 보다 야심적인 노력이 로켓 추진을 위한 원자력 엔진을 만드는 데 경주되어왔다. 새로운 분열과 융합 개념에 있어서 많은 연구활동과 그에 따른 진보가 이루어지고 있다.

핵연료

대부분의 우라늄 광석은 1％ 미만의 우라늄을 산화우라늄에 포함하고 있다. 광석의 채광과 제분 후 기체 확산공장에 들어가 농축과정을 거치기 위해서는, 우라늄이 농축되고 육플루오르화우라늄(UF₆)으로 변환되어야 한다.

원자로

원하는 정도까지 농축이 이루어지면, 그 다음은 금속이나 산화물 또는 그 외의 원하는 물질로 변환되고, 요구되는 형태로 가공하여 피복재로 둘러싼다. 원자로에 장전된 후에는 우라늄의 일정량은 분열생성물과 ²³⁸U, 그리고 새로이 형성된 플루토늄을 남기면서 소모된다. 적정 연소시간이 경과한 후, 사용한 핵연료는 인출되어 화학처리공장으로 이송되며 여기에서는 분열생성물과 플루토늄을 분리하고, 사용되지 않고 남은 우라늄은 다시 재농축·재사용하기 위하여 육플루오르화우라늄으로 변화시킨다.

어떤 경우 분열생성물은 방사선원으로서 가치를 지니게 되고, 핵연료로 사용될 수 있는 부산물로서 취급되기도 한다. 그렇지 않은 경우에는 방사성 폐기물로서 저장되어야 한다. 플루토늄은 부산물의 일종이다. 이러한 연료주기의 개괄적인 흐름을 그림에 나타냈다. → 핵연료