[원자력] 원자로의 종류 & 발전소 구조

1. 핵분열 원리

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- 핵분열은 ‘무거운 원자핵이 가벼운 원자핵으로 분열되는 현상’

- 핵분열 과정에서 질량결손이 나타난다. 질량-에너지등가 법칙에 따라서 감소한 질량만큼 에너지가 발생

- 연쇄반응이 빠르게 일어나면 핵폭탄, 안정적으로 운영하면 원자력발전으로 사용

 

2. 원자로 종류

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- 원자로는 냉각제, 감속제, 연료, 내부구조에 따라서 다양한 종류로 나뉜다

- 전 세계에서 442기 원자로가 가동 중. 현재 주력으로 사용하고 있는 있는 PWR, BWR, PHWR의 구조와 특징을 이해할 필요가 있다

① 원전 관련한 다양한 종목이 언급되고 있음. 원전의 구조를 이해하면 어떤 부품이 사용되며, 진입장벽이 어디가 높은지 판단이 가능해짐

② 또한 현재 사용하는 대형원전의 한계점을 이해하면 향후 SMR 기술개발 방향성을 읽어 볼 수 있음

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* 글로벌 원자로 비중 (2020) : PWR 68%, BWR 14%, PHWR 11%

 

 

1) 가압경수로(PWR, Pressurized Water Reactor)

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작동방식

① 원자로 노심에서 핵분열과 함께 열이 발생한다 (330℃)

② 원자로에서 발생한 열을 흡수하며 1차 계통 냉각수 온도가 상승한다. 가압기 때문에 1차 계통 냉각수는 325℃ 에서도 비등(boiling) 하지 않음

③ 증기 발생기에서 1차 계통, 2차 계통 냉각수 간 열 교환이 발생한다. 열을 흡수한 2차 계통 냉각수는 끓기 시작하면 증기를 생산한다.

④ 생산된 증기는 증기 관(Steam line)을 따라서 발전기 터빈을 회전시킨다.

⑤ 전기 생산에 사용된 증기는 응축기(condenser)를 거치면서 다시 냉각수로 변환된다

 

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특징

- 내부 냉각수에 압력을 가해서 물이 끓지 않도록 하는 구조 → 압력을 가하기 때문에 PWR(Pressurized Water Reactor)이라 한다

- 설계 구조상 원자로와 직접 연결된 1차 계통(Primary System), 그리고 증기 발생기와 연결된 2차 계통(Secondary System)으로 나뉜다

- 높은 안정성 덕분에 전세계 원자로에서 68% 비중을 차지하고 있음.

- 누적 가동시간 역시 가장 많기 때문에 기술 성숙도가 높다

 

 

2) 비등경수로(BWR, Boiling Water Reactor)

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작동방식

① 원자로 노심에서 핵분열과 함께 열이 발생한다 (285℃) → 주전자

② 대류현상으로 원자로 위에 올라간 물과 증기 혼합물은 수분제거 과정을 거친다

③ 먼저, 증기분리기(Steam separator)를 통과하면서 물방울이 분리된다. 이후 건조기(Steam dryer)를 지나면서 남아있는 수분이 제거됨

④ 원자로를 빠져나간 증기는 발전기 터빈을 돌리면서 전기를 생산한다

⑤ 전기 생산에 사용된 증기는 응축기(condenser)를 거치면서 다시 냉각수로 변환된다.

 

 

특징

- 원자로 안에서 직접 증기를 생산하는 구조. 원자로 내부에서 냉각제가 비등(boiling) 해서 BWR이라 한다

- 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

 

 

3) 가압중수로 (PHWR) : 특징

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- 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 한다

 

 

 

 

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3. 원자력 발전소 구조 & Supply Chain

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1) 원자력 발전소 구조

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- 1차 계통은 원자로 노심에서 생성된 열을 증기 발생기까지 연결 시켜준다. 2차 계통은 나머지 발전소 터빈과 연결된 시스템.

- 1차 계통은 원전에서 중요한 부품들로 구성됨. 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 커진다

- Two-loop(0.5GW) → Three-loop(0.7~0.9GW) → Four-loop(0.9~1.2GW). 국내 APR1400은 증기발생기 2개, 냉각수펌프 4개 구조

 

2) 원자로 압력용기(Reactor Pressure Vessel)

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- 원자로 압력용기는 갈비뼈 역할을 한다. 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 만든다

- 냉각수와 접촉하는 면은 부식을 막기 위해 스테인리스 강(Stainless steel) 사용

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- 원자로 가압 용기(Reactor pressure vessel)는 소수 업체에서 생산

- 3세대 원전의 원자로 가압용기는 15,000톤 규모의 단조 프레스(forging press)가 필요하다. 이 단조 프레스는 7개 국가에서만 보유하고 있음

- 생산설비 확보에 대규모 자금이 필요하고 원전 프로젝트 불확실성 때문에 원자로 압력용기 생산에 진입장벽이 있음

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3) 제어봉(Control Rod)

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- 제어봉은 핵분열로 생성된 중성자 3개 중에서 일부 중성자를 흡수하는 역할을 한다

- 핵분열 연쇄반응(Chain reaction)을 일정한 비율로 유지하는 현상을 임계(criticality)라 한다. 임계 상태를 유지하기 위해 중성자 수를 조절

- 연료 펠릿에 삽입해서 연쇄반응 속도를 줄이거나, 제어봉을 제거하면서 연쇄 반응을 촉진하는 방식이다

- 제어봉 생산은 국내외 다양한 업체들이 생산한다

 

 

 

4) 증기 발생기(Steam generator)

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- 증기 발생기는 열 교환기 역할을 하는 부품. 원자로에서 발생한 열을 2차 계통으로 옮겨주는 징검다리 역할

- 수직의 U자 모양 관 내부에는 1차 계통 냉각수가 흐른다. 관(Tube) 외부에는 2차 계통 냉각수가 1차 계통 냉각수의 열을 흡수한다

- 2차 계통 냉각수가 충분히 열을 흡수하면 비등(boiling) 하기 시작하며 증기를 생산한다

- RPV와 마찬가지로 크기와 설계 복잡성 때문에 증기발생기 생산업체는 특정 업체로 제한된다

 

 

 

5) 냉각수 펌프(Coolant pump)

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- 냉각수 펌프는 냉각수 순환을 만들어 주는 장치. 안전 측면에서 냉각수 펌프가 항시 작동해야 원자로를 적정 온도로 유지할 수 있음

- 냉각수 펌프가 없더라도 원자로 내부의 온도 차이에서 발생하는 대류현상에 의해 냉각수는 순환한다

- 하지만 원자로에서 발생된 열을 충분히 제거해줄 만큼 유속이 빠르지 않기 때문에 냉각수 펌프가 필요하다

- 클래스1 밸브는 NSSS에 들어간다. 높은 압력에서 버텨야 하기 때문에 생산업체는 제한적, 반면 클래스2 밸브는 많은 기업에서 생산하고 있다

 

 

6) 가압기(Pressurizer)

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- 가압기는 원자로 내부압력을 높게 유지시켜주는 역할을 한다.

- 가압기 내부에서는 물과 증기의 균형을 유지시켜서 일정 압력을 유지시킨다

- 상단의 물 분무 시스템(water spray system)은 높아진 압력을 정상 압력으로 낮춘다

- 하단부에 위치한 전기 히터(electrical heater)는 압력을 높이는 역할을 한다

- 가압기는 전세계적으로 많은 기업에서 생산한다. 신규로 원전을 도입하는 국가는 부품 국산화를 추진하기 때문

 

 

 

7) 원전 제어장비 (Control and instrumentation)

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- 온도, 압력, 수소포화도 등 원자로에서 발생하는 다양한 물리적인 지표를 측정한다

- 측정한 지표를 기준으로 핵분열 반응 속도를 조절하면서 안정적으로 원전을 운영한다

- 원자로마다 환경이 다르기 때문에 원전 제어장비 설계를 위해서는 원자로 운영 경험이 필요하다 → 국산화 하기 어렵고 진입장벽 높음

- 때문에 제어장비 업체는 주기기 생산업체와 전략적인 파트너 관계를 유지

 

 

8) 터빈(Turbine)

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- 터빈 발전기는 열 에너지(원자로) → 운동 에너지(터빈) → 전기 에너지(발전기) 순서로 에너지를 변환시켜준다

- 일반적으로 1개의 고압터빈, 2~3개의 저압터빈을 직렬구조로 배열한다.

- 발전소 출력차이 때문에 대형원전에서 사용하는 터빈은 화력발전소보다 더 크다 → 제한된 생산업체

- 화력발전대비 원전발전 터빈 회전 수는 절반이다. APR1400 기준 터빈 회전 수는 1,800rpm(vs. 화력발전 3,600rpm)

 

 

 

9) 원전 Supply chain 특징

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- 미국 GE, Westinghouse가 PWR 원자로 설계기술을 수출하면서 다양한 국가들과 협력(패권)관계를 유지하고 있음

- 원전 수출/수입은 국가간 외교적인 동맹 관계를 맺는다는 것을 의미한다 (유지보수 및 기술이전 등)

- 미국의 원전 기술을 수입한 일본, 독일, 프랑스, 한국, 중국은 Tier2 단계까지 내재화에 성공함

- Tier1(설계업체)는 원전 공급 망을 설정하고 관리한다. Supply chain 아래로 내려갈수록 경쟁강도는 높아지고, 진입장벽은 내려간다

 

 

 

4. 핵연료주기

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1) 선행 핵주기

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- 채광(Mining) → 정련(Milling) → 농축(Enrichment) → 성형가공(Fabrication)

- 우라늄 동위원소는 원자량에 따라서 U-235, U-238이 있다. 이 중에서 직접 핵분열을 일으키는 우라늄은 U-235

- 하지만 자연상태에서 U-235 비중은 0.7%, 나머지 99%는 U-238이 차지한다

- 선행 핵주기는 원전 발전에 사용 할 수 있을 정도인 U-235 비중을 2~5%까지 올리는 작업

 

 

2) 채광 (Mining)

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우라늄 원석 채굴 방식은 3가지로 나뉜다.

① 노천광(open pit) : 지표면에 우라늄 원석이 매장되어 있음

② 갱내채굴(underground mining) : 심도 120m 이상 갱도를 뚫어서 채굴

③ ISL(in situ leach) : 산성용액을 사용해서 우라늄을 용해시킨 다음 지표면까지 추출. 우라늄 채광방식 중에서 비중이 높아지고 있다.

 

 

3) 정련 (Milling)

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- 우라늄 원석에서 불순물을 제거해서 노란 분말 형태의 우라늄 정광을 만드는 작업

- 이 우라늄 정광을 Yellow Cake 라고도 부른다

- 대형 원전(발전용량 1.0GW) 기준으로 1년 운영에 약 200톤 우라늄 정광이 필요하다

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4) 농축(Enrichment)

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- 정련을 거친 우라늄은 U-235 0.7%, U-238 99.3% 비율로 구성되어있다

- 핵분열을 하는 U-235 비율을 2~5% 까지 높이는 작업을 '농축' 이라고 한다. 참고로 핵폭탄에 사용되는 우라늄은 U-235 비율은 90% 이상

- 핵 확산을 막기 위해 농축시설은 특정 국가에만 위치해 있다

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5) 성형가공(Fabrication)

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- 분말 상태인 우라늄에 압력을 가해서 펠릿(pellet) 형태로 만드는 과정

- 우라늄 펠릿은 원자로 연료 봉(fuel rods)에 동봉된 이후 원자력 발전에 사용된다

- PWR 연료집합체는 200개 연료봉 다발로 구성되어 있음. BWR은 80-100개 연료봉 구성

- 대형 원전(발전용량 1.0GW)을 1년 작동시키기 위해서는 약 27톤의 우라늄 펠릿이 필요

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6) 발전(Power generation)

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- 장정된 연료는 원자로에서 약 3~5년 동안 핵분열을 일으키면 열을 생산한다. 사용 후 핵 연료는 플루토늄 등 다양한 핵분열 생성물을 만든다

- 사용 후 핵 연료는 여전히 미량의 열과 방사선을 방출하는 고준위 방사선 폐기물

- 잔열과 방사선을 줄이기 위해서 원자로에서 꺼낸 사용 후 핵연료는 습식 저장조(spent fuel pool)에 보관한다.

- 수개월 ~ 수년간 수조에서 보관하면서 잔열 제거. 이후 재처리 과정을 거치거나 장기보관시설에 보관한다

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7) 재처리(Reprocessing)

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- 사용 후 핵 연료는 U-238(94.6%), U-235(1%), 플루토늄(0.9%), 기타 핵분열 생성물(3.5%) 구성된다

- 여기서 재처리 과정은 재활용이 가능한 우라늄과 플루토늄을 추출하는 작업이다

- 약 30%의 사용 후 핵 연료가 재처리 과정을 거친다(2020년)

 

 

8) 처분(Disposal)

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- 방사선 폐기물은 방사선 정도에 따라서 저준위, 중준위, 고준위 폐기물로 나눠진다

- 저준위 방폐물은 원전에서 사용한 작업복, 부품 덧신 등이 있다. 고준위 방폐물은 핵 연료 또는 재처리 과정에서 생긴 폐기물로 구분됨

- 다양한 고준위 방폐물 처분방법 중에서 가장 보편적으로 심지층 처분(Deep geological disposal)이 유력한 선택지로 거론된다

- 세계 최초로 사용후 핵연료 영구처분시설인 핀란드 온칼로(onkalo)는 2023년에 운영될 계획