원자로
원자로(原子爐) 또는 핵 반응로(核反應爐, )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.
일반적인 화력 발전소가 가스나, 석탄, 혹은 석유를 통해 만들어진 열로 전기를 생산하는 것처럼, 원자력 발전소 또한 원자로에서 핵분열을 통해 생산된 열로 전기를 생산한다.
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.
원자로는 다음의 방법을 통해 열을 발생시킨다.또한 킬로그램의 우라늄 235(킬로그램당 7.2 × 10^13 줄)는 같은 무게의 석탄(2.4 × 10^7 줄)보다 300만배 높은 에너지를 발생시킨다.
원자로 냉각재로는 주로 물을 사용하지만, 가스 혹은 액체 금속(액체 나트륨) 혹은 소금(용융 염)을 사용하기도 한다.
원자로는 핵분열을 일으키는 핵연료와, 핵분열 과정을 서서히 진행시키고 원자로를 제어하는 데 필요한 감속재, 제어봉, 가연성 독물, 중성자원, 핵분열 과정의 열을 식히는 냉각재, 그리고 그 외의 구조체로 구성되어 있다. 핵연료는 대개 우라늄을 사용하며, 우라늄 중에는 질량수가 서로 다른 여러 동위원소들이 있는데, 그 중에도 핵분열이 가장 쉽게 일어나느 우라늄-235가 많이 사용된다.
원자폭탄은 극히 짧은 시간에 수많은 핵분열이 동시 다발적으로 일어나지만, 원자로에서는 핵분열이 서서히 일어나도록 제어해야 하고, 상당한 기간 동안 유지되어야 한다. 따라서 원자로에는 핵분열을 일으키는 핵연료와 오랜 시간 동안 핵분열이 효율적으로 지속되도록 하는 장치들이 필요하다. 또한 이러한 핵분열을 제어하는 장치들과 핵분열에서 생긴 열을 흡수하여 수증기를 생산하고, 그 수증기를 터빈으로 전달할 수 있는 매체도 필요하다.
핵분열을 상당기간 동안 지속하려면 핵연료를 핵분열 유지에 필요한 임계량보다 더 넣어야 하는데, 이때 초과되는 양을 제어하고, 원자로의 출력을 조절, 비상 시 원자로를 정지하기 위한 장치로, 제어봉과 가연성 독봉(burnable poison rod), 가연성 독물질(냉각수에 섞어서 사용) 등이 있다. 또한 핵분열 시 발생하는 열을 흡수하여 수증기를 만들어 터빈으로 전달하는 매체를 '냉각재'라고 하는데, 경수로에서는 주로 물을 사용하며, 고온가스로에서는 헬륨을, 용융염원자로에서는 용융염(molten salt)을, 고속로에서는 액체금속 상태의 나트륨을 사용한다.
다음은 대부분의 원자력 발전소에서 쓰이고 있는 주요 구성요소들이다.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 가강 원시적인 원자로로, 직육면체 흑연덩어리 속에 원통형 구멍을 파고 우라늄봉들을 넣은 형태로 제작되었다. 페르미는 이 실험용 원자로를 이용해 세계 최초의 핵분열의 연쇄반응을 일으키고, 이를 관찰하였다.
이 분류는 열 중성자 반응로에 해당한다.
원자로의 설계 유형은 제1세대(Gen I), 제2세대(Gen II), 제3세대(Gen III), 제3+세대(Gen III+), 제4세대(Gen IV)와 같이 ‘세대’로 구분한다. 세대 구분 기준은 비용효과, 안전성, 핵보안과 핵비확산, 그리드 적절성, 상용화 로드맵, 핵주기와 같은 6개의 주요 속성에 따른다. 1940년대 말 미국과 구소련의 원자력 잠수함에 이용되던 원자로 설계기술을 개량하여 원자력발전 시스템에 적용한 제1세대부터 현재의 제3세대/제3+세대 원자로가 개발되어 전 세계적으로 운영되고 있다.원자로는 기본적으로 핵분열에서 나오는 열에너지나 방사선을 이용하는 것으로, 전기 생산에 주로 이용되고 있으며, 연구, 개발, 교육, 의료, 산업, 국방, 우주개발 등의 분야에서 중요하게 활용되고 있다.
이 원자로들은 분열 물질의 임계값 이상의 연쇄 반응을 조절하여 열을 만들어낸다. 여기에는 임계분열 원자로의 하위유형이 여러 가지 있으며, 이건 또 1세대, 2세대, 3세대로 나눌 수 있다. 모든 가압수형 원자로의 현대의 표준 원자로 디자인과 비교된다.
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.
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 U가 포함되어 있고, 몇몇 원자로들은 이 U를 농축시킨 연료를 필요로 한다. 농축우라늄은 U의 양을 좀 더 늘리는 것으로, U를 농축시키는 데는 보통 기체 확산법과 원심분리기법(U-235와 U-238의 무게차이를 이용한 방법), 레이저 확산법등을 사용한다. 농축과정이 끝나고 우라늄은 우라늄 이산화물(UO) 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 U와 U는 핵분열 과정에 사용된다. U는 열 중성자를 흡수, 분열을 하게 되며, 반대로 U는 고속 중성자를 흡수하여 U로 변하게 된다. U는 곧 방사성 붕괴를 일으켜, Pu로 변하게 된다. 넣은 연료(U)보다 더 많은 연료(Pu)를 만들어내는 고속증식로에서는 이 Pu를 사용해서 발전을 하고 있다. 플루토늄 239는 실용적인 연료일 뿐 아니라, U-235와는 달리, 열중성자나 고속 중성자나 다 잡아서 분열해버리기 때문에 U 보다 더 좋은 연료로 평가받고 있다.
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 U의 양에 따라 변화하는데, 연료집합체를 장전할때 U가 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 U의 양이 적절하게 조절될 수 있다.
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.