원자력의 원리는 이해하기 매우 간단하며 잘 알려진 물리학 법칙의 적용을 받습니다. 간단히 말해서, 물질과 에너지는 상호 교환 가능합니다. 즉, 물질 속에는 막대한 양의 에너지가 갇혀 있다는 의미입니다. 이것이 원자력 발전소가 잠금 해제하는 에너지입니다. 가장 일반적인 유형의 원자로인 가압경수형 원자로(PWR)를 포함하여 모든 원자력 발전소가 이를 수행합니다.
원자로는 중성자를 작은 총알로 사용하여 우라늄 원자를 쪼개고 원자에 저장된 에너지를 열로 방출하는 연쇄 반응을 시작합니다. 이 에너지를 사용하여 물을 가열하고 생성된 증기를 사용하여 터빈을 회전시키고 전기를 생성합니다. 정말 간단합니다. 중요한 것은 우리가 탄소 배출을 줄이기 위해 노력할 때 원자력 에너지가 깨끗한 에너지로 간주된다는 것입니다.
그러나 모든 유형의 원자로에서 전기를 생성하는 원리는 확고히 자리 잡고 있지만 아키텍처와 원자로 유형을 결정하는 다양한 엔지니어링 접근 방식이 여전히 존재합니다.
가장 일반적인 유형의 원자로는 물을 에너지 생성 수단과 노심 냉각제로 사용합니다. 이러한 유형의 원자로는 지구상 민간 원자로의 약 95%를 차지합니다. 그러나 원자로의 유형을 정의하는 것도 이 하위 구분입니다. 언급한 바와 같이, 이들 중 가장 일반적인 것은 PWR이며, 이는 현재 운영 중인 모든 상업용 원자로의 약 70%를 차지합니다.
가압수형 원자로는 어떻게 작동하나요?
PWR의 특징은 이중 수루프 아키텍처입니다. 이름에서 알 수 있듯이 이 유형의 원자로는 두 개의 격리된 물 루프를 사용합니다. 그 중 하나는 이름의 “가압” 부분이 관련되는 냉각수 루프입니다. 이 루프는 약 150bar 또는 약 2,176psi까지 가압됩니다. 이 루프에 압력이 가해지는 이유는 자동차의 냉각수 시스템에 압력이 가해지는 것과 거의 같은 이유입니다. 즉, 압력이 물의 끓는점을 높입니다. 원자로의 경우 이를 통해 물이 끓지 않고 약 617°F의 온도에 도달할 수 있습니다.
두 번째 물 순환은 터빈을 회전시키는 것이므로 증기가 필요합니다. 이것이 “스팀 루프”의 압력이 낮아지는 이유입니다. 그러나 물이 원자로 노심을 통과하면서 가열되는 냉각재 루프와 달리 2차 루프는 열교환기를 통해 냉각재 루프에 의해 가열됩니다. 증기 루프는 더 낮은 압력에서 작동하기 때문에 더 낮은 온도에서 증기를 생성합니다. 이것은 터빈을 구동하고 전기를 생산하는 증기입니다. 물론 루프를 통해 열을 전달하는 과정은 냉각수에서 열을 제거한 다음 코어 등을 통해 다시 순환됩니다.
냉각수 루프의 물은 원자로 내부의 연쇄 반응을 관리하는 감속재 역할도 합니다. 이를 달성하기 위해 냉각수에 붕산을 첨가합니다. 산 농도는 주입 시스템을 통해 면밀히 모니터링되고 조정됩니다.
잠수함에서 글로벌 그리드까지: PWR의 부상
상업용 원자력 발전 부문의 지배력에도 불구하고 PWR은 실제로 1세대 미 해군 원자력 선박용으로 설계되었던 1950년대로 거슬러 올라갑니다. 원자력으로 항해한(또는 잠수한) 최초의 선박은 1954년 9월 30일 취역한 USS 노틸러스(Nautilus)였으며, 이 잠수함은 해전의 발전에 큰 영향을 미쳤습니다.
원자력은 지속적으로 연료를 공급할 필요가 없어 해군 함정에 큰 이점을 제공합니다. 예를 들어 재급유가 필요한 경우에도 핵추진 항공모함의 재급유에는 엄청난 시간이 걸립니다. 잠수함의 경우 원자력 발전에 산소가 필요하지 않다는 점도 큰 장점이다.
현대의 상업용 PWR은 여전히 동일한 설계 원칙을 사용합니다. PWR이 가장 일반적인 유형의 원자로인 데에는 몇 가지 주요 이유가 있습니다. 첫째, 고려해야 할 별도의 “물 순환”이 있습니다. 직접 접촉하지 않기 때문에 방사성 누수 가능성이 크게 줄어듭니다. 두 번째는 단순성입니다. 적어도 원자력 측면에서 볼 때, 이는 핵 반응을 더 잘 제어할 수 있으면 작동하기 더 쉬운 것으로 간주되며 이는 좋은 것으로만 간주될 수 있습니다.
그러나 이러한 유형의 반응기에는 몇 가지 단점이 있습니다. 시스템의 압력을 유지해야 하기 때문에 구축 비용이 많이 듭니다. 붕산을 사용하면 일부 작동상의 어려움이 발생할 수도 있습니다. 붕산은 부식성이 강하고 금속이 냉각수에 녹아 방사성을 띠게 만들 수 있습니다.
