원자력 발전소
핵분열 원리
● E=mc^2, 질량-에너지 등가법칙
핵분열은 ‘무거운 원자핵이 가벼운 원자핵으로 분열되는 현상’
중성자가 우라늄과 충돌 → 우라늄은 바륨과 크립톤으로 붕괴되면서 중성자 3개와 에너지가 발생
핵분열 과정에서 질량결손이 나타난다. 질량-에너지등가 법칙에 따라서 감소한 질량만큼 에너지가 발생
연쇄반응이 빠르게 일어나면 핵폭탄, 안정적으로 운영하면 원자력발전으로 사용
원자로 종류
● 글로벌 원자로(Nuclear Reactor) 종류 및 현황
원자로는 냉각제, 감속제, 연료, 내부구조에 따라서 다양한 종류로 나뉨
전 세계에서 442기 원자로가 가동 중. 현재 주력으로 사용하고 있는 있는 PWR, BWR, PHWR의 구조와 특징을 이해 필요
원전의 구조를 이해하면 어떤 부품이 사용되며, 진입장벽이 어디가 높은지 판단이 가능
현재 사용하는 대형원전의 한계점을 이해하면 향후 SMR 기술개발 방향성을 읽어 볼 수 있음
가압경수로 (PWR)
● 가압경수로 (PWR, Pressurized Water Reactor) : 작동방식
① 원자로 노심에서 핵분열과 함께 열이 발생한다 (330℃)
② 원자로에서 발생한 열을 흡수하며 1차 계통 냉각수 온도가 상승. 가압기 때문에 1차 계통 냉각수는 325℃ 에서도 비등(boiling) 하지 않음
③ 증기 발생기에서 1차 계통, 2차 계통 냉각수 간 열 교환이 발생. 열을 흡수한 2차 계통 냉각수는 끓기 시작하면 증기를 생산
④ 생산된 증기는 증기 관(Steam line)을 따라서 발전기 터빈을 회전
⑤ 전기 생산에 사용된 증기는 응축기(condenser)를 거치면서 다시 냉각수로 변환
● 가압경수로 (PWR, Pressurized Water Reactor) 특징
내부 냉각수에 압력을 가해서 물이 끓지 않도록 하는 구조 → 압력을 가하기 때문에 PWR(Pressurized Water Reactor)
설계 구조상 원자로와 직접 연결된 1차 계통(Primary System), 그리고 증기 발생기와 연결된 2차 계통(Secondary System)으로 나뉨
높은 안정성 덕분에 전세계 원자로에서 68% 비중을 차지
누적 가동시간 역시 가장 많기 때문에 기술 성숙도가 높음
장점
기술 성숙도가 높음 / 원전 안전 규제 경험이 풍부
냉각수 누출 시 오염 발생 확률이 적음
외부 전력 차단 상황에서도 핵분열 반응 억제 가능
단점
높은 부품 안정성 필요(고압 작동)
원자로, 증기발생기 생산업체가 제한적
원자로 설계가 복잡해짐
비등경수로(BWR)
● 비등경수로 (BWR, Boiling Water Reactor) : 작동방식
① 원자로 노심에서 핵분열과 함께 열이 발생 (285℃) → 주전자
② 대류현상으로 원자로 위에 올라간 물과 증기 혼합물은 수분제거 과정을 거침
③ 먼저, 증기분리기(Steam separator)를 통과하면서 물방울이 분리. 이후 건조기(Steam dryer)를 지나면서 남아있는 수분이 제거됨
④ 원자로를 빠져나간 증기는 발전기 터빈을 돌리면서 전기를 생산
⑤ 전기 생산에 사용된 증기는 응축기(condenser)를 거치면서 다시 냉각수로 변환
● 비등경수로 (BWR, Boiling Water Reactor) 특징
원자로 안에서 직접 증기를 생산하는 구조. 원자로 내부에서 냉각제가 비등(boiling) 해서 BWR이라 함
전체 원자로 비중 중에서 14% 차지하고 있음. 안정성이 더 높은 가압경수로가 3세대 원전의 대표주자
제어봉 집합체가 노심하부에서 삽입됨 → 외부전원 상실할 경우 원자로 제어 불가능
2011년 후쿠시마 원자력 발전소 사고 당시 원전은 BWR형 (국내 원자로 PWR 87%. PHWR 13%)
장점
단순한 설계 구조(증기 발생기, 가압기 X - 7MPa 정도, 가압경수로는 15MPa)
원자로 내부 압력 낮게 유지 가능
가압 경수로 대비 열효율 높음(열교환기 x)
단점
냉가제 누출 시 방사선 유출 가능성 높음(계통 분리x)
유지 보수 비용 추가(발전기 터빈 차폐해야함, 직접 방사선에 닿으므로)
후쿠시마 원자력 발전소 사고 원자로(원자로 녹으면서 수소가스에 의한 폭발-네모난 모양)
가압중수로(PHWR)
● 비등경수로 (BWR, Boiling Water Reactor) 특징
- 냉각재와 감속재로 중수(D2O)를 사용 → 중수는 경수 대비 중성자 흡수 비율이 낮음 → 농축 우라늄이 아닌 천연 우라늄 사용가능
- 원자로를 수평으로 설치. 원자로를 정상 운영하면서 소량의 핵연료집합체를 교체 할 수 있음 → 높은 가동률 유지 가능
- 캐나다에서 개발, CANDU(CANada Deuterium Uranium) 형이라고도 함
장점
천연 우라늄 사용(연료비 저렴)
우라늄 농축 시설 필요없음
가동률이 높음(원전 가동 중에 연료 교체, PWR은 중단해야함)
단점
전체 운용비용이 높음(값비싼 중수 사용)
고준위 핵폐기물 양이 많음 (천연 우라늄을 쓰기 때문에 연료 집합체당 얻을 수 있는 에너지 밀도가 낮음 ➔ 더 많은 연료를 태워야 같은 전력을 생산)
원자력 발전소 구조 & Supply Chain
● 원자력 발전소 구조
1차 계통은 원자로 노심에서 생성된 열을 증기 발생기까지 연결. 2차 계통은 나머지 발전소 터빈과 연결된 시스템.
1차 계통은 원전에서 중요한 부품들로 구성. 전체 시스템은 압력용기, 증기발생기, 냉각펌프, 가압기 그리고 이를 연결하는 배관으로 구성
부품 구성은 동일하나, 설계 디자인에 따라서 증기발생기, 냉각수 펌프의 배치가 달라진다. 설계가 복잡해질 수록 발전용량이 커짐
국내 APR1400은 증기발 생기 2개, 냉각수펌프 4개 구조
● 원자로 압력용기(RPV, Reactor Pressure Vessel)
원자로 압력용기는 갈비뼈 역할. 심장인 원자로 노심을 보호하고, 냉각수 흐름을 만드는 구조로 설계됨
고압에서 안정적으로 버틸 수 있게 두께 20~30cm, 높이 15m에 달하는 구조물 → 생산업체가 제한적
압력용기 자체는 몰리브덴 강(manganese molybdenum steel)로 제작
냉각수와 접촉하는 면은 부식을 막기 위해 스테인리스 강(Stainless steel) 사용
생산설비 확보에 대규모 자금이 필요하고 원전 프로젝트 불확실성 때문에 원자로 압력용기 생산에 ...
