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원자로

last modified: 2014-08-15 15:18:12 by Contributors

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원자로의 파란 빛은 조명이 아니라, 체렌코프 현상이다. 즉, 저 근처엔 방사선 수치가 엄청나게 높다는것.
저 안으로 뛰어들어 보자 야 신난다

Contents

1. 개요
2. 역사
3. 구성품
4. 종류
4.1. 우주용 원자로
4.2. 사제 원자로
5. 천연 원자로?
6. 연료의 농축도
7. 그 외
8. 참조

1. 개요

핵반응로(Nuclear Reactor)

넓은 의미론 핵반응을 적절한 수준까지 조작하여 에너지를 얻는 장치를 말하지만, 좁은 의미로는 핵연쇄반응을 사용하는 장치를 뜻한다. 그래서 핵융합로를 가리켜 원자로라고 해도 의미는 통용된다. 원자로는 대부분 전기 에너지를 만드는 데 사용하지만, 다른 목적으로도 사용하기도 한다.

흔히 해당 장비를 장착해 동력으로 하는 함선들을 무조건 '핵'이라고 부르는 데 '핵무기'가 자동으로 연상케하므로 그냥 원자력 추진으로 부르는 게 올바른 선택이다.(물론 원자로에서 연료를 빼서 바꾸면 핵무기가 만들어지는 게 아니라 일반 발전용 원자로나 비슷한 속도나 방식을 사용해야 하니깐... 거기에다가 연료 농축율에 따라 아예 만들 수도 없는 경우도 있다.)

2. 역사

최초의 원자로는 맨해튼 프로젝트 당시 시카고 대학의 래킷장에서 만든 CP-1(시카고 파일 1)이 먼저이다. 보통 초임계를 원자로의 첫 가동으로 잡는데, 이 원자로의 초임계는 1942년 12월 2일이었다. 이때 아서 컴프턴이 제임스 코넌트에게 "이탈리아의 항해사가 신대륙에 도착했습니다~", 코넌트 왈 "원주민은 어떠합니까?" 다시 컴프턴이 "내린 사람들이 모두 안전하고 행복해 합니다"라고 한 암호 전화가 유명하다. 여기서 이탈리아의 항해사는 엔리코 페르미.

그후 미국은 플루토늄 생산을 위해서 핸포드라든가 로스앨러모스, 오크리지 같은 곳에다가 원자로를 건설하게 된다. 전후 소련에서는 첩보활동을 통해서 맨해튼 프로젝트의 성과를 입수하고서 원자로를 건설하였다. 이후 미소 양국이 핵폭탄원료인 핵물질 생산을 위한 군사용원자로를 운영[1]하다가 1957년 드와이트 D. 아이젠하워 대통령의 평화를 위한 원자력이란 발언을 시작으로 갑자기 전력생산을 위한 원자로 건설이 전세계적으로 시작되었다. 그 이전까지는 이렇게 위험천만한 원자로를 발전용으로 사용한다는 건 미친짓으로 여겨져왔다.

3. 구성품

원자로를 구성하는 구성품들은 다음과 같다. 필수적인 것도 있고, 연구되는 원자로라든가, 목적에 따라서 없을수도 있다. 몇몇 원자로엔 제어봉 밑으로 적혀있는 것들이 없는 것도 있다. 예를들어 RBMK라든가 마그녹스 같은 경우엔 격납 건물이 존재하지 않는다.

  • 핵연료(보통 연료봉을 여러개 묶은 연료집합체로 들어간다. 클래딩(연료집합체를 이루는 금속)으로 중성자 흡수가 없는 지르코늄합금인 지르칼로이를 사용한다.)
  • 중성자 감속재 (고속 중성자를 사용하는 원자로에는 없다)
  • 냉각재(보통 이 사용되며, 현재 한기를 제외한 영국에 있는 모든 발전용 원자로는 이산화탄소를 냉각재로 사용한다. 헬륨을 사용하는 초고온로가 개발중에 있다.)
  • 제어봉(보통 카드뮴이나 스테인레스 스틸, 하프늄등 중성자를 흡수하는 재질을 사용한다. 근데 영국에사 사용중인 개량 가스냉각로는 스테인레스 스틸을 연료 클레딩으로 쓰기도 한다)
  • 열 교환기(가압경수로(PWR)의 증기발생기 등, 비등경수로(BWR)같이 핵분열에서 나온 열을 곧바로 이용하는 원자로에는 없다)
  • 원자로 압력용기(사진과 같은 풀장형 원자로의 경우엔 없다)
  • 비상 노심 냉각 장치 (ECCS, Emergency Core Cooling System)를 위시한 원자로 비상 안전시스템
  • 원자로 보호 시스템
  • 격납 건물(마그녹스나, 구 소련제 원자로엔 없다. RBMK이나 VVER이나... 단 최근 만들어지고 있는 VVER이나 구 소련에 만들어졌지만 핀란드에 있는 VVER은 예외)


간단하게 원자로를 보자면, 그냥 물 끓이는 보일러인데 물을 끓이는게 불이 아니라 연쇄반응에서 일어나는 에너지란 것이 다를뿐이다. 한마디로 일종의 외연기관. 그래서 핵융합로도 원자로의 종류로 친다.

4. 종류

원자로의 종류는 일단 에너지가 어떻게 나오는지(핵융합로, 일반적으로 원자로라고 불리는 핵분열로, 방사성 붕괴를 이용하는 원자력 전지), 냉각재종류가 뭔지, 또한 감속재 종류가 뭔지, 사용목적, 세대순에 따라서 정렬된다. 예를들어 CANDU를 보고 가압 중수로라고 하든지 말이다. 물론 CANDU는 브랜드 명이나 꽤나 유명해진 경우다.

냉각재 종류에 따라 분류하자면, 일반적인 물을 사용하는 경수로, 중수를 사용하는 중수로가 대표적이며, 가스와 액체 금속도 종종 사용된다.

형식에 따라 분류를 하자면, 직접 물을 끓여서 터빈에 보낸 후 발전에 사용하는 비등수형 원자로[2], 압력을 이용해 1차 루프의 냉각수가 끓어 오르는 것은 막고 열교환기를 통해 2차 루프의 물로 열을 보낸 후 2차 루프의 오염되지 않은 증기를 발전에 사용하는 가압수형 원자로가 있으며, 가압수형보다 압력을 엄청나게 높여서 열효율을 높히는 초임계압 경수로, 압력용기가 없는 풀장형 원자로가 있다. 대표적인 풀장형 원자로는 원자력연구원에 위치한 하나로, 그리고 예전에 쓰던 TRIGA 원자로가 있다.

감속재 종류에 따라 분류하자면, 경수로, 중수로, 흑연감속로, 고속 중성자로(흔히 고속증식로라고 부름)등이 있다.

연료 형태로 분류하자면, 보통 사용되는 고체연료(금속 우라늄연료, 산화물연료등)가 있고, 이론상에 존재하는 가스 연료, 액체 연료가 있다. 액체 연료는 2가지로 나눠지는데 한가지는 용융염(LiF-Be)를 이용한 용융염 원자로, 물에 우라늄을 탄 원자로가 있는데, Water Boiler란 별명을 지니고 있다. 가동 모습을 보면 뽀글 뽀글 기포가 올라오는게 물이 끓어셔 그렇게 별명이 지어졌지만, 사실 그건 물이 분해되어 나온 산소와 수소, 그리고 분열생성물(...)이다.아직도 있다는게 신기

세대순으로 따지자면, 현재까지 4세대가 있는데, 1세대는 아주 오래전에 만들어서 써먹던 원자로로, 대표적인 예론 RBMK와 마그녹스가 있다. 2세대로는 잘 알려져 있는 가압수형 원자로와 비등수형 원자로, CANDU, 영국의 개량 가스냉각로 등이 있으며, 3세대는 2세대를 개량한 원자로로, 대한민국의 한국 표준형 원자로를 예로 들수 있다. 4세대 원자로는 액체금속이라든가 초임계등을 사용하여 열효율을 극대화 시키면서 여러모로 안전한 원자로를 들수 있다. 4세대 원자로중 대표적인 것으론 증식로가 있다.

마지막으로 사용목적을 들수 있는데, 대다수의 원자로가 에너지 생산[3]용으로 쓰이고 있으나 몇몇 원자로들은 각종 동위원소 생산에 사용되고 있다. 대한민국에선 하나로가 동위원소 생산이라든가 교육등의 용도로 사용되고 있다(구형 TRIGA 원자로는 폐로 되었다)

4.1. 우주용 원자로

(ɔ) Atomics International, contractor to U.S. Atomic Energy Commission from

사진은 미국이 개발한 SNAP-10A. 저것도 지구 대기권 들어오면서 핵물질이 누출된것으로 추정된다(...)

현재 개발이 진행되는 물건중 하나로, 미국과 러시아에서 연구가 많이 진행되었다. 실제로 두 나라는 가동되는 원자로를 인공위성에 실어서 발사한 전과도 있다. 발전방식은 원자력 전지와 마찬가지로 열전대 방식인데, 이건 원자력 전지보다 열을 더 많이 발산한다는 점이 있다. 만약 저것들이 지구로 떨어진다면 매우 무서울듯... 참고로 그린피스에서는 안에 원자력 전지가 들어있다는 이유로 갈릴레오 탐사선이 지구 궤도에 도는걸 반대 하였다. MD에서 사용할 인공위성 레이저를 사용할려면 꼭 필요한 물건중 하나다.

현재 발사된 원자로는 약 40개로, 사진에서 보이는 SNAP-10A의 경우 43일동안 띄우고 실험 종료. 이외에도 P-700 그라니트를 유도하는 US-A 인공위성이 원자로를 동력원으로 사용하는데[4], 이게 잘못되어 몇번 지구대기권안에 원자로가 들어온 경우도 있었다고 한다(...)

4.2. 사제 원자로

민간인이 만든 원자로다. 이렇게 말하면 "그런 게 어디 있어? 웃기지 마!"라고 하실 분들이 많겠지만...

1994년 미국에서 데이비드 한(David Hahn)이란 꼬꼬마가 보이스카우트 뱃지를 따낼려고 주변에 있던 방사능 물질을 갖고 증식로를 만들 생각을 했다. 아메리슘은 화재 경보기에서, 토륨은 캠핑 랜턴에서, 트리튬은 조준기, 라듐은 야광시계에서 추출해냈다고. 그래서 증식로를 만들었는데 다행이도 연쇄반응은 안 일어났지만, 자연 방사능의 1000배 정도의 방사능이 나왔다. 결국 미국은 개인은 원자로를 가질수 없다!란 법을 제정함그러나 이 법에 따르면 토니 스타크는 히어로이 아니라 범죄자가 된다과 동시에 한의 집과 그 주변을 슈퍼펀드법으로 청소, 쓰레기는 유타산 저장소로 보냈다. 덕택에 데이비드 한은 방사능 보이스카우트란 별명을 받았고, 영문 위키피디아에도 항목이 개설되었다. 영문 위키피디아 데이비드 한 그 이후의 삶은 방사능 피폭으로 순탄치 않았는지, 2007년에 아파트 화재 경보기 절도 미수로 체포되어 찍힌 머그샷 (혐짤주의) 을 보면 정말 심각한 상태로 보인다.

그후 이런 다윈상감 멍청이가 안 나오는줄 알았는데 2011년 8월 2일, 자기 집 부엌에다가 원자로를 설치한 스웨덴 사람이 경찰에 잡혀갔다.

대한민국의 경우 원자력안전법에 의해 방사성 동위원소 또는 방사선 발생장치를 생산·판매·사용(소지·취급 포함) 또는 이동사용하고자 하는 자는 대통령령이 정하는 바에 따라 원자력안전위원회의 허가를 받아야 하기에 저런 짓을 하는 순간 불법 + 은팔찌 Get이니 착한 위키니트들은 하지말자.다윈상과 은팔찌가 갖고 싶다면 말리진 않는다

5. 천연 원자로?

사실, 인간이 만들기 전에 원자로가 존재했다는 연구 결과가 있다. 1970년대, 프랑스 소유의 가봉 공화국의 오클로 우라늄 광산의 샘플을 분석하던 프랑스 과학자들이 이상한 걸 발견했다. 다른 우라늄 광산에 비해서 U235 가 턱없이 부족했던 것. 왜 하필 이곳만 U235 가 부족할까 해서 연구하면서 네오디늄 지문을 확인한 결과 다른 자연적인 환경에서 나오는 네오디뮴이 아니라, 핵분열시 나오는 네오디늄이 나와(...) 이 곳에 천연 원자로가 있었다는 결과가 나왔다.

선캄브리아기 당시 우라늄 235의 농도는 현재 경수로에서 사용되는 U235 의 농도와 같은 3%정도였다고 한다. 이런 우라늄이 많이 모여있는 지대에 물이 고이고, 이 물이 감속재 역할을 하여 원자로가 가동되었다고 한다. 또한 임계반응이 심해지게 되면 열로 인해서 물이 증발되어 출력이 감소되었다고 한다. 가동(?)기간을 따져보니 최대 64만년, 최소 58만년에다가, 총 출력은 1000MWe급 원자력발전소에 위치한 원자로 5기를 1년동안 풀 가동시키는 것과 같다고 한다.

실제로 지구의 지각운동이나 지열을 유지시키는건 이런 방사성동위원소의 붕괴열이라고 한다.

6. 연료의 농축도

원자로에 들어가는 우라늄은 천연우라늄을 사용하거나 혹은 농축을 하게 된다. 천연우라늄을 사용하는 원자로들은 핵무기 제작용 플루토늄을 만들 가능성이 높다. 예를들어 같은 천연우라늄을 사용하는 RBMK와 Magnox의 경우엔 기원이 군사용 원자로를 전력생산용으로 고쳐서 나온 물건이고, 캐나다에서 개발한 CANDU[5]라는 중수로는 인도에서 가져다가 플루토늄 만드는데 사용되었다. 왜냐하면, 이런 원자로의 장점중에 운전중 연료 교환[6]이란 것이 있기 때문. 이런 장점은 플루토늄을 뽑아내기에 딱 좋은 장점과 더불어 원자로를 더욱 효율성 있게 돌릴수 있다[7]

일반적인 경수로에서는 농축 우라늄을 3~4%정도로 사용[8]하며, 더 높은 농축비율을 가진 원자로도 있다. 예를들어 대한민국에서 사용하는 연구용 원자로인 HANARO의 경우엔 U235 의 농축도가 19.75%이며, 잠수함이나 선박에서 사용하는 연료의 농축도는 이거보다 더 높아 미국 원자력 잠수함에서 사용하는 연료 농축도는 무기급인 93%[9]이며, 러시아의 쇄빙선용 가압경수로 연료도 우라늄 농축도 90%를 자랑한다! 왜냐하면 선박용의 경우엔 될수있는한 출력대 크기 비율이 작을수록 유리하기에 연료의 출력밀도를 높일수밖에 없으며, 우라늄 농축도가 높으면 높을수록 연료 재장전을 덜 받으러 다녀도 되기 때문이다. 러시아 잠수함은 30~40%로 농축된 연료를 사용[10]한다. 다른국가의 원자력 잠수함들도 대체로 이정도 등급에서 놀 가능성이 있다.

이런 점 때문에, 핵무기 보유국이 원자력 잠수함을 보유할 수 있게 된다. 모르겠다면 간단하게 뽀글이의 원심분리기 떡밥을 생각해보자. 대한민국에서 원자력 잠수함을 보유한다고 설레발을 쳐도 현재 발전용 원자로 연료 농축도 대한민국이 옐로케이크를 사다 해외에 위탁하는데, 그렇게 농축도가 큰 연료를 문제없이 잘 사올수 있을까?[11]

7. 그 외

원자로를 돌리다보면 필연적으로 생겨나는 것이 방사성 폐기물이다. 원자로 운용의 최대 걸림돌이며 인류는 이 쓰레기를 어떻게 처리해야 할지를 놓고 고민하고 있다.

사실, 이것을 폐기하는 방법은 인류는 당연히 예전에 이미 개발했다.

문제는 뭐냐, 이것을 폐기하는데 아주 오래 걸린다는 것이다. 방사능 물질에는 각각 정해진 반감기가 있는데, Cs137 의 경우 30년이다. 즉 이 물질이 2kg에서 1kg으로 줄어들기 위해서는 30년이 걸린다는 소리이며, 인간이 무슨 짓을 해도 이 기간은 줄어들지 않는다. 이런 놈때문에 인간들은 사용한 연료봉을 다시 집어넣어 돌릴 계획까지 짜고 있다. 사용한 연료봉엔 엄청난 방사능과 더불어 반감기가 죽여주는 놈들이 있는데, 이걸 집어넣어 이런 망할 것들을 다 태워버리고, 연료를 한번더 써 전력이나 더 뽑아보자는 심산인 것이다. 그중 잘 알려진게 DUPIC계획. 이 계획은 일반 가압수형 원자로에서 다 태운 연료봉을 다시 CANDU원자로에서 태우는 것이다. 가압수형원자로의 경우 U235 의 비율이 2~3%, CANDU의 경우엔 천연우라늄을 넣어도 타니 이걸 이용한 것...

그런데 방사성 물질은 묘한 성질을 갖고 있어서, 1kg이 다 없어지려면 30년보다 훨씬 오래 걸린다. 1kg의 세슘 137은 30년이 지나면 다 없어지는 게 아니라 500g으로 줄어들기 때문이다. 그리고 이게 다시 250g으로 주는데 30년 걸리고, 다시 30년이 지나면 125g이 된다. 이런 식이니 안전한 수준으로 줄어드는데 수백 년은 걸릴 수밖에 없고, 세슘 137보다 반감기가 긴 방사성 물질은 얼마든지 있다.(...)

2011년 후쿠시마 원자력 발전소 사고가 일어난 이후, 빌 게이츠가 원자력 발전을 옹호하면서 자신이 실질적 오너로 있는 에너지 회사인 테라파워를 통해 도시바와 협력하여 열화우라늄을 사용하는 차세대 원자로를 개발하겠다고 선언했다.

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  • [1] 이런 군사용 원자로는 약간의 개량뒤에 바로 원자력발전소로 변신했는데, 대부분 안전시설의 미비로 각종 사고를 일으켰다. 대표적인게 체르노빌 원자력 발전소에서 터진 RBMK, 영국의 Magnox가 있다.
  • [2] 이놈도 물에 어느정도 압력을 가한다.
  • [3] 여기에는 선박을 추진하기 위한 에너지도 포함된다
  • [4] 인공위성 수명이 다 되면 원자로를 더 높은 궤도로 쏘도록 되어 있다
  • [5] 한국의 월성 1~4호기가 이 방식의 원자로이다.
  • [6] 이런류의 원자로는 연료봉과 연료봉사이가 채널로 서로 구별되어 있다. 간단하게 보자면 하나의 노심이 수백개의 작은 노심으로 합쳐졌다고 생각하면 편하다.
  • [7] 이런 장점이 없는 원자로의 경우, 연료를 갈려면 원자로를 정지시켜 놓고 노심의 1/4를 갈아버린다. 또한 이렇게 연료를 개별적으로 갈아버리면 연료의 연소도를 맞추기가 매우 귀찮아진다. 그래서 일반 원자로처럼 한번에 1/4씩 갈아버리기도 한다.
  • [8] 경수는 중성자를 흡수하는 특성이 있어서, 농축을 해줘야 된다. 중수는 중성자를 경수보다 덜 흡수해서 천연우라늄을 집어넣어도 가동이 잘 된다.
  • [9] 심지어 리틀보이의 농축도보다 높다. 리틀보이의 농축도는 80%다!
  • [10] 그래도 20%이상이면 무기전용 가능 급으로 나뉜다
  • [11] 하지만 일본도 오래 전에 원자력 쇄빙선을 띄웠다.
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