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[그린스피커] 원전 PWR 알아보기!!

  • 2013.12.14.
  • 3890
  • ATLAS팀 함준혁
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  안녕하세요 한수원 그린스피커 ATLAS함준혁입니다.

 

오늘은 우리나라 원자력 발전소 운영 기술에 대해 알아보고 이를 여러분께 전해드리려 합니다.

원자력 발전이 핵분열을 이용하기 때문에 발전소의 시스템 자체가 화력수력 발전의 그것과 많이 다르다고 생각할 수 있습니다.

하지만 사실 이들에게는 큰 차이가 없습니다.

  각 발전소 모두 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것을 최종 목표로 합니다. 다만 터빈을 돌릴 원동력이 물 혹은 화석 연료냐 아니면 핵연료냐의 차이일 뿐입니다. 이를 그림으로 표현하면 다음과 같이 간단하게 나타낼 수 있습니다.

 0 발전의 과정

  그렇다면 우리나라 전기의 30% 가량을 생산하는 원전이 어떤 구조로 이루어져있을까요?

현재 운영중인 23기의 원전 중 월성 1-4호기를(가압중수로 : 가압경수로와 원자로의 형태만 다름) 제외하고는 모두 가압경수로인(Pressurized Water Reactor : PWR) 만큼 우리나라를 대표하는 원전은 PWR이라고 할 수 있습니다. 영어 단어 그대로 압력이 가해진 물을(경수) 이용한 원전입니다.

왜 물에 압력을 가할까요?

이를 쉽게 이해하기 위해선 일본을 대표하는 원전인 비등경수로와(Boiling Water Reactor : BWR) PWR의 구조를 서로 비교하며 공부하는 것이 좋습니다.

1 BWR 구조

  위의 그림은 일본의 원전 BWR의 모습입니다. 원전이 크게 하나의 고리로 이루어져있다는 것을 알 수 있습니다. BWR은 원자로에서 발생하는 열로 물을 직접 비등시켜(끓여서) 터빈을 돌리기 위한 증기를 얻습니다.

1 PWR 구조

  하지만, 한국의 원자로 PWR의 구조를 보면 고리가 두 개로 이루어졌습니다. BWR과는 다르게 두 고리가 중간 단계 하나를 거치게 되어있지요. 원자로에서 발생한 열로 첫 번째 고리를 순환하는 물을 가열시키고 이 물이 증기발생기에서(Steam Generator) 다음 고리의 물로 열을 전달하여 이를 비등시키는 식으로 터빈을 돌리기 위한 증기를 얻습니다. 여기서 첫째 고리를 순환하는 물이 끓어 기체가 되지 않도록 압력을 가해 액체상태를 유지시키는 것이 바로 압력의 역할입니다.

덧붙여 이러한 분리된 구조 덕분에 PWR은 원자로와 연결된 고리가 외부와 차단된 폐쇄고리를 이루어, 원자로에서 핵연료가 녹아 나온다 하여도 외부로 유출되지 않아 안전합니다. 하지만 열이 전달되는 과정에서 손실이 있고, 시스템이 1차와 2차 고리로 분리되어있어 BWR에 비해 에너지 효율은 떨어진다고 합니다.

2 PWR 구조 디테일

  PWR의 구조를 보다 자세히 볼 수 있는 그림입니다. 첫 번째 고리가 어떤 구조물 안에 들어있는 것이 보입니다. 이 구조물을 격납용기라고(Containment Structure) 하는데, 상당한 두께의 콘크리트로 이루어져있어 방사선 누출을 막는 차폐 역할과, 외부 혹은 내부로부터의 물리적 충격을 충분히 견디는 방어막 역할을 수행하도록 디자인 되어있습니다. 시뮬레이션 상으로는 여객기가 충돌하여도 부숴지지 않도록 설계되었다고 합니다.

 

원자로의(첫째 고리의 붉은색 타원형 원기둥) 위에 제어봉이(Control Rod) 꽂혀있습니다. 전체 원전에 비해 매우 작은 크기인 말 그대로 봉이지만 매우 중요한 역할을 수행하는 부분입니다. 제어봉이 핵분열 반응을 조절하는 역할을 수행합니다. 제어봉은 중성자를 흡수하는 물질로 이루어져 원자로 안으로 넣을수록 분열반응을 감소시키는 효과를 냅니다. 만에 하나 있을 수 있는 사고와 고장의 경우 원자로의 기능을 완전 정지(Shutdown) 시키기 위해 모든 제어봉이 단시간에 끝까지 삽입되기도 합니다.

 

앞서 언급한대로 증기발생기에서 물이 비등되어 기체가 되고 이 기체는 격납용기 밖에 위치한 터빈을 돌립니다. 터빈을 지난 증기는 다시 액화 되어 이전의 과정을 반복하기 위해 물로 액화되는 과정을 거치며 순환합니다.

3 NSSS - Nuclear Steam Supply System

  격납용기 안에 들어있는 원자로와 증기발생기, 가압기 등을 NSSS(Nuclear Steam Supplyl System)라고 합니다. NSSS는 그림상으로는 매우 간단한 모양을 이루고 있었는데, 사실은 위와 같이 그 크기도 어마어마하고 매우 복잡하게 구성된 시스템입니다. 위의 그림은 NSSS 모습을 3D로 보여줍니다. 세로로 솟아 있는 두 개의 큰 물체가 증기 발생기이고 붉은 빛을 띄는 것이 가압기, 중심에 위치한 아래로 볼록한 것이 원자로입니다. 위의 사진에는 증기발생기가 두 개 이지만 발전소마다 개수가 다르게 디자인 된 경우도 있습니다.

지금까지 우리나라 원자력 발전소의 운영 기술을 구조 중심으로 알아보았습니다. 복잡하고 어려울 것 같아서 쉽게 원전에 관심을 갖지 못 하신 분이 있다면 이번 포스팅이 작게나마 도움이 되었으면 합니다.

더불어 요즘 원전의 잦은 고장으로 많은 분들이 불만을 갖고 계실 거라 생각되는데, 이에 대한 저의 생각을 짧게 나마 몇 자 적고 11월 개인 미션을 마칠까 합니다.

지금 우리 주변에는 컴퓨터에서 핸드폰에 이르기까지 크고 작은 수많은 첨단 전자기기들이 있습니다. 아무리 기술이 발전하고 진보했어도 이들은 고장이 나기 마련입니다. 튼튼해서 부숴지진 않을 망정 프로그램의 오류, 단선, 접촉불량 심지어는 작은 먼지 때문에도 기능 수행에 장애가 생기기도 합니다. 하물며 어마어마한 수의 부품들과 훨씬 복잡한 구성으로 이루어진 원전도 하나의 기계일진데, 고장이 나면 안 된다고 생각하는 것은 다소 무리가 있지 않을까요? 물론 폭발과 결부시켜 생각되는 원전이기에 절대적 안전과 안정이 필요한 것은 맞습니다. 그래도 사고가 아닌 고장에는 ‘그럴 수도 있지, 빨리 수리를 해야겠네…’ 하는 너그러운 시선을 보내주셨으면 합니다.

이상 ATLAS의 함준혁입니다.

 함준혁 네임텍 1

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