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[원자력탐험대 14화] 경수로와 중수로의 차이

  • 2015.01.12.
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중성자 속도 낮춰 핵분열 조절하는 ‘감속재’ 따라 구분

수돗물 같은‘경수’·수소의 무게가 더 무거운 ‘중수’… 중성자와 결합력에서도 차이

 

원자력 발전소는 감속재의 종류에 따라 크게 경수로와 중수로, 그리고 흑연로의 3가지로 구분한다. 그리고 이들 원자력 발전소는 사용하는 핵연료가 각기 다르다. 특히 흑연로의 경우, 핵연료에서 엄청난 폭발력을 가진 핵물질을 뽑아낼 수 있다는 점 때문에 현재는 대부분의 나라에서 사용하지 않고 있다. 하지만, 북한이 이달 초에 재가동을 시작한 것으로 알려진 영변 핵 시설이 흑연로로 만들어졌다. 그런 탓에 우리나라는 물론 미국과 중국·일본 등 주변 나라는 항상 북한의 움직임에 긴장할 수밖에 없다.

가압경수로형 원전과 가압중수로형 원전

원자력 발전소는 감속재에 따라 경수로와 중수로 방식으로 나뉜다. 각각의 방식은 감속재뿐 아니라 핵연료에서도 차이를 보인다.

△ 물의 종류에 따라 연료도 달라

중성자의 속도를 낮춰 핵분열을 조절하는 감속재로는 주로 물이 사용된다. 물의 분자식은 ‘H2O’로, 수소와 산소의 혼합물이다.
수돗물과 같은 경수와 그보다 더 무거운 물인 중수는 모두 수소와 산소로 이뤄져 있다. 그런데 두 종류의 물이 무게 차이가 나는 이유는 무엇 때문일까? 그 답은 수소에 있다. 중수의 경우 수소 알갱이가 경수에 든 것보다 더 무겁기 때문. 실제로 무게를 재어 보면, 같은 부피의 중수가 경수보다 약 1.2배 정도 무겁다고 한다.

일상에선 사실 경수와 중수를 구분하기는 쉽지 않다. 또 애써 구분할 필요도 없다. 그러나 원자력 발전에서는 핵연료가 달라질 만큼 중요한 역할을 한다.
경수로의 경우 우라늄을 농축한 핵연료를 사용하지만, 중수로의 경우 천연 우라늄을 그대로 사용하는 것이다.
이때 경수로에서 사용하는 농축 우라늄은 순수한 ‘우라늄(U) 235’의 함유율이 2~5% 정도인 저농축으로, 핵폭탄의 원료와는 큰 차이를 보인다. 천연 우라늄의 경우엔 이보다 더 적은 약 0.7%의‘U 235’가 들어 있다. 그리고 우라늄이 농축될수록, 즉 ‘U 235’의 함유율이 높을수록 핵분열 때 나오는 중성자의 수도 그만큼 많아진다.
경수나 중수는 중성자와 결합력에서도 차이를 보인다. 중수는 중성자와 잘 결합하지 못하지만, 경수는 중성자와 잘 결합하는 성질을 가졌다.

그러므로 농축 우라늄은 경수, 천연 우라늄은 중수를 감속재로 사용해 각각 핵분열을 조절한다.
만약 천연 우라늄의 감속재로 중성자와 결합력이 뛰어난 경수를 사용하면, 중성자의 수는 적은데 수소의 결합력은 높아서 원하는 수준의 핵분열을 일으키지 못하게 된다.

△ 우리나라는 경수로가 많아

그렇다면, 우리나라의 원자력 발전소는 경수로와 중수로 중 어떤 쪽을 더 많이 사용할까? 현재 가동 중인 고리·영광·울진 원자력 발전소는 경수로를 사용하며, 중수로가 있는 곳은 월성 원자력 발전소 단 한 곳뿐이다. 여기에 우리 순수 기술로 개발한 한국 표준형 원전도 경수로를 사용한다.

경수로와 중수로의 특징을 살펴보면 우리나라가 경수로를 선택한 이유를 이해할 수 있다.
경수로는 일반적으로 농축 우라늄 연료를 교체할 때 원자로를 완전히 정지시킨뒤 교체를 해야 한다. 이에 비해 중수로는 매일 일정량의 천연 우라늄을 교체하면 되기에 365일 발전을 중지할 필요가 없다.
더불어 경수로는 천연 우라늄을 농축하는 시설이 따로 필요하다. 하지만 우리나라의 경우, 이 같은 농축 공장을 갖고 있지 않아, 핵연료를 모두 수입해야 한다.
이러한 특징만 보면, 중수로를 사용하는 편이 더 이득일 것 같다는 생각이 들 수 있다.

그럼에도 불구하고 경수로의 수가 많고, 표준형 원저마저 경수로 방식을 채택한 배경에는 핵무기 개발을 원천적으로 하지 않겠다는 뜻이 담겨 있다.천연 우라늄을 핵연료로 삼는 중수로에선 플루토늄이 다른 원자로에 비해 많이 나온다. 벌써 눈치챈 어린이도 있겠지만 플루토늄은 핵폭탄의 원료로 쓰인다. 북한 영변의 흑연로와 마찬가지로 플루토늄이 발생하는 중수로도 핵연료를 이용해 원자 폭탄 등의 무기를 만들 수 있다. 그러니 핵을 평화적으로 이용하고자 하는 우리나라는 핵연료를 모두 수입해 발전 단가가

높아지더라도 오해의 여지를 두지 않기 위해 경수로 방식의 원전을 개발하고 사용하는 것이다.

 

원자력탐험대 14화– 작성 : 소년한국일보 윤석빈 기자 binys@snhk.co.kr

– 원문보기 : 소년한국일보 http://ka.do/KVsB

 

 

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