원자로

원자로(原子爐) 또는 핵 반응로(核反應爐, 영어: Nuclear Reactor)는 핵분열 시 발생하는 열을 전력 생산에 이용하거나, 중성자와 방사선 같은 물질의 기본 입자들을 얻어 과학적인 연구와 기술개발에 활용하기 위하여 만든 장치로, 핵분열을 지속적으로 유지하고 제어할 수 있다.
원자로는 대부분 전기 에너지를 만드는 데 사용되고, 선박을 위한 동력으로 사용하기도 한다. 원자로를 통해 전기 에너지를 만들기 위해서는, 주로 원자로에서 생성된 열로 증기 터빈을 돌리는 방법이 사용되며, 원자로를 통해 전기를 만들지 않고, 효율을 높이기 위해 만들어진 증기를 바로 공업에 사용하거나 지역 난방에 사용하기도 한다. 또한 몇몇 원자로들은 의료, 혹은 공업적 목적을 위해 동위원소를 생산하기도 하며, 원자로에서 만들어진 플루토늄으로 무기를 만들기도 한다. 연구목적으로만 사용하는 원자로도 있으며, 전 세계적으로 30개국의 450대의 원자력 발전소가 전기를 발전하기 위하여 사용된다.

작동 과정

일반적인 화력 발전소가 가스나, 석탄, 혹은 석유를 통해 만들어진 열로 전기를 생산하는 것처럼, 원자력 발전소 또한 원자로에서 핵분열을 통해 생산된 열로 전기를 생산한다.

핵분열

원자핵(보통 우라늄 235나, 플루토늄 239같은 높은 원자번호의 물질)이 중성자를 흡수하면, 원자핵은 두가지 이상의 원자번호가 낮은 물질로 붕괴하며, 동시에 자기 에너지, 감마선, 중성자를 발생시키는 반응을 보인다. 이를 핵분열이라고 한다. 핵분열이 발생하면, 발생하기 이전보다 많은 수의 중성자가 만들어지고, 이 중성자들은 다른 핵분열의 방아쇠가 되는데, 이렇게 핵분열이 연쇄적으로 일어나는 현상을 연쇄 반응이라고 한다.
연쇄 반응은 시간이 지남에 따라 반응의 수가 급격하게 증가하며, 핵폭발을 발생시키게 된다. 이러한 연쇄 반응을 조절하기 위해 중성자 중독 혹은 중성자 감속재를 사용한다. 만일 위험한 상황이 발견된 경우, 원자로들은 자동적이거나 수동적인 시스템으로 핵분열을 중단시킬 수 있다.
중성자 감속재로는 주로 경수(74.8%의 원자로들이 채택), 고체 흑연(20%의 원자로들), 중수(5%의 원자로들)등이 사용된다. 몇몇의 연구중인 원자로들은 베릴륨, 탄화 수소들을 중성자 감속재로 사용하며, 또한 이외의 다른 가능성들을 실험중이다.
대부분의 원자로에서는 천연 우라늄(99.2745%는 우라늄 238, 0.72%는 우라늄 235, 0.0055%는 우라늄 234)보다 우라늄 235를 좀 더 농축한 농축 우라늄(2~4%)을 연료로 쓴다.

냉각

원자로 냉각재로는 주로 물을 사용하지만, 가스 혹은 액체 금속(액체 나트륨) 혹은 소금(용융 염)을 사용하기도 한다.

원자로 종류

원자로의 종류로는 사용하는 냉각재와 감속재에 따라 가압경수로, 가압중수로, 비등수형 원자로, 흑연로 등이 있으며, 연쇄반응에 작용하는 중성자에 따라 열중성자로와 고속중성자로 등이 있다. 또한 사용 목적에 따라 전력생산을 목적으로 하는 원자력발전로, 잠수함이나 항공모함의 동력으로 이용되는 원자력동력로, 연구‧시험‧개발‧교육 목적의 연구시험로 등이 있다.
세계 최초의 원자로는 1942년 시카고대학교 운동장 한쪽에 이탈리아계 미국인 물리학자 엔리코 페르미가 설치한 시카고 파일 1호(Chicago pile)이다. 시카고 파일은 가장원시적인 원자로로, 직육면체 흑연덩어리 속에 원통형 구멍을 파고 우라늄봉들을 넣은 형태로 제작되었다. 페르미는 이 실험용 원자로를 이용해 세계 최초의 핵분열의 연쇄반응을 일으키고, 이를 관찰하였다.

핵융합로

핵융합을 제어할 수 있다면, 값싼 연료로 엄청난 에너지를 얻을 수 있을 것이다. 그러나 여기엔 중대한 과학적·기술적 문제가 쌓여 있다. 몇몇 융합로가 건설되었지만, 아직 전기적으로 공급해준 에너지보다 더 많은 에너지를 만들어내지 못하고 있다. 1950년대부터 연구를 시작했음에도 불구하고, 2050년 이후에나 상업용 핵융합 발전소가 문을 열 것이라고 예상하고 있다. ITER계획은 현재 상업적 핵융합을 이루기 위해 노력하고 있다고 한다.

핵연료 주기

열 중성자 반응로는 일반적으로 정제된 농축우라늄에 의존한다. 그리고 몇몇 원자로는 MOX연료(우라늄+플루토늄 혼합 연료)를 사용한다. 이 과정은 우라늄광석이 채광, 제련, 사용, 가능하다면 재처리와 처분에 이르기까지의 과정을 핵연료 주기라고 부른다.
원래 천연우라늄에는 1%정도의 분열가능한 ²³⁵U가 포함되어 있고, 몇몇 원자로들은 이 ²³⁵U를 농축시킨 연료를 필요로 한다. 농축우라늄은 ²³⁵U의 양을 좀 더 늘리는 것으로, ²³⁵U를 농축시키는 데는 보통 기체 확산법과 원심분리기법(U-235와 U-238의 무게차이를 이용한 방법), 레이저 확산법등을 사용한다. 농축과정이 끝나고 우라늄은 우라늄 이산화물(UO₂) 가루로 전환하여, 펠릿 틀에 집어넣고 압력과 열을 가한다. 이렇게 만들어진 펠릿은 가느다란 튜브에 집어넣는데, 이 튜브를 가리켜 연료봉이라고 부른다. 원자로에는 여러 개의 연료봉을 묶은 연료집합체가 들어가게 된다.
대부분의 상업용 비등수형 원자로와 가압수형 원자로는 4%정도의 농축 우라늄을 사용하고, 몇몇 상업용 원자로(흑연이나, 중수를 감속재로 사용하는 경우)들은 감속재의 효과가 좋아 천연 우라늄을 사용하기도 한다.
원자로 안에 들어간 ²³⁵U와 ²³⁸U는 핵분열 과정에 사용된다. ²³⁵U는 열 중성자를 흡수, 분열을 하게 되며, 반대로 ²³⁸U는 고속 중성자를 흡수하여 ²³⁹U로 변하게 된다. ²³⁹U는 곧 방사성 붕괴를 일으켜, ²³⁹Pu로 변하게 된다. 넣은 연료(²³⁵U)보다 더 많은 연료(²³⁹Pu)를 만들어내는 고속증식로에서는 이 ²³⁹Pu를 사용해서 발전을 하고 있다. 플루토늄 239는 실용적인 연료일 뿐 아니라, U-235와는 달리, 열중성자나 고속 중성자나 다 잡아서 분열해버리기 때문에 ²³⁵U 보다 더 좋은 연료로 평가받고 있다.

원자로의 연료장전

핵연료는 24시간 동안 쉬지 않고 에너지를 내뿜는다. 이 때문에 원자로는 24시간 가동되어 최고 출력의 열 에너지를 계속 생산해낸다. 이 "최고 출력시간"은 연료 집합체 속에 든 ²³⁵U의 양에 따라 변화하는데, 연료집합체를 장전할때 ²³⁵U가 장전하는 연료 집합체 안에 많이 들어가 있으면, 오랫동안 최고출력을 유지할 수 있을수 있다.
이 최고 출력시간이 끝날 때쯤 되면, 연료가 들어있던 집합체는 "연소"된 것으로 보고, 다른 새 연료 집합체로 교체하게 된다. 원자로의 노심의 연료를 교체할시엔 비등수형 원자로에서는 1/4정도를 교체하고, 가압수형 원자로 같은 경우엔 1/3정도를 교체한다.
모든 원자로가 연료를 교체할 때 운전을 정지해야 되는건 아니다; 예를 들어, 페블베드 원자로, RBMK형 원자로, 용융염 원자로, 마그녹스, AGR 그리고 CANDU는 원자로 가동 중에도 연료를 갈아끼울 수 있다. CANDU의 경우, 연료를 원자로 노심의 다른 방향에 끼울 수 있는데, 이것으로 인해서 ²³⁵U의 양이 적절하게 조절될 수 있다.

천연 원자로

원자로가 현대 문명의 산물인 것처럼 보이지만, 실제 지구에서 최초의 원자로는 먼 옛날에 천연적으로 만들어진 것이다. 천연 원자로의 전체적인 환경은 현대의 원자로의 상태와 비슷한 것으로 보이고 있다. 15개의 천연 원자로는 서아프리카 오클로의 우라늄 광산의 독립된 3개의 퇴적층 아래에 있었다. 1972년 프랑스의 물리학자인 프랜시스 페링(Francis Perrin)이 오클로 화석 원자로의 집단을 발견하였다. 이들 원자로는, 20억 년 전에 가동된 것으로 추정하며, 시간당 평균 약 100 kW정도의 출력을 내온 것으로 추정하고 있다. 이 자연 원자로에 대한 개념은 1956년 아칸소 대학교의 폴 구로다 교수에 의해 이론화되었다.
이 원자로들은 U-235의 방사성붕괴로, 천연에 존재하던 우라늄 235의 함량이 낮아졌기 때문에, 연쇄 반응을 떠받칠 만한 양이 부족하여 연쇄반응이 중단되었다.
천연 원자로는 우라늄이 풍부한 퇴적층에 범람한 물이 중성자 감속재 역할을 하는 모양으로 되어 있으며, 천연원자로에서 강력한 연쇄 반응이 일어나면, 물은 연쇄반응에서 발생한 열 때문에 증발해버리고  감속재가 사라진 원자로의 출력은 다시 내려가서, 노심용융을 예방하였다. 이 핵반응은 100년에서 1,000년 정도 지속된 것으로 추정하고 있다.