원자로 유형3 - PHWR(가압중수로)

원자로 유형3 - PHWR

 

PHWR은 가압중수로(Pressurized Heavy Water Reactor)의 약자입니다. 천연 우라늄(U-235 0.7%)을 핵연료로 사용하는 방안으로 개발된 원자로로, 천연 우라늄 핵연료와 중수(Heavy Water, D2O) 감속재를 사용합니다.

현재와 같은 우라늄 농축기술이 개발되지 못했던 1950년대 중반기에 개발되었습니다.
값싼 천연우라늄을 사용하기 때문에 우라늄 가격이 쌉니다.
천연 우라늄이나 1~2%로 농축된 핵연료를 사용하기 때문에 핵연료를 자주 교체해줘야하므로 가동 중에도 핵연료를 교체할 수 있도록 설계되어있는 장점이 있습니다.
하지만, 중수 분리 시설 건설 등으로 전체 비용이 더 드는 단점이 있습니다.

 

현재 운전중인 중수로는 세계 원자력 발전소 중 약 5.3%를 차지하며, 한국의 원자로에서도 PWR을 제외한 나머지가 PHWR입니다.

종류는 가압관식 중수로 및 가압용기식 중수로가 있습니다.
가압관식 중수로는 대표적으로 Atomic Energe Canada Limited(AECL)에서 개발한 CANDU가 있습니다. CANDU에서는 감속재와 냉각재가 공간적으로 분리되어 있어, 감속재는 Calandria 원자로라고 불리는 큰 원통형 탱크 내에 있으며, 냉각제는 Calandria 내 압력관 속에 있습니다. CANDU에서는 압력관에서의 국부 비등만을 허용하므로 1차계통은 가압경수로보다 낮은 100기압 정도로 유지됩니다.
운전 중에는 Calandria 전체가 고압으로 유지되는 것이 아니라 냉각재가 흐르는 압력관 내부만 가압됩니다.
핵연료에 의해 가열된 고압고온의 냉각재는 PWR과 동일하게 증기발생기로 이동하여 2차 계통의 물(경수)을 증기로 변환시킵니다.
한국의 월성 1호, 2호, 3호, 4호기가 모두 AECL에서 개발한 가압중수로입니다.

 

1. 연료봉
2. 컬랜드리아(노심)
3. 제어봉
4. 가압기
5. 증기발생기
6. 경수 펌프
7. 중수 펌프(1차 냉각 장치)
8. 핵연료 탑재기
9. 중수(감속재)
10. 압력관
11. 증기
12. 복수기
13. 격납건물

 

<가압중수로의 특징>
1. 천연우라늄 사용(가압경수로는 농축우라늄 사용)
2. 운전 중 연료교체 가능(가압경수로는 발전 정지 후 1/3씩 교체)
3. 냉각재 및 감속재 중수 사용(가압 경수로는 경수 사용)

<구조적 차이>

구조적인 부분에서도 차이가 있습니다.
구조적으로 가장 큰 특징은 경수로와는 다르게 제어봉이 없습니다. 대신 감속재 펌프와 감속재가 있습니다.
감속재는 중성자의 운동에너지를 흡수하여 원자로에서 반응을 일으킬만큼 속도를 줄이는 역할을 합니다. 이 과정으로 중성자가 우라늄을 좀 더 많이 분열시킬 수 있습니다.
제어봉과 동일한 역할을 하는 것입니다.

 

 

<경수와 중수의 차이점>

간단히 '경수'는 가벼운 물, '중수'는 무거운 물입니다.
영어로 경수는 light water, 중수는 heavy water입니다.
한자로 경수는 輕水, 중수는 重水입니다.

먼저 산소(O)와 수소(H)를 알아야합니다. 산소에도 16O, 17O, 18O 세 종류가 있고 수소도 1H(프로튬 H), 2H(중수소 D), 3H(삼중수소 T)가 있습니다. (복잡함)
경수는 산소(1O)와 수소(16H)로 이루어진 보통의 물(H2O)입니다. 16O와 1H로 가장 가벼운 조합이죠. 단순히 중수와 구별하기 위해 쓰이는 말입니다.
이 이외의 조합을 모두 중수라고 합니다. H2O의 분자에서 H가 모두 중소수 D로 치환된 것이며 이 중수에서 얻을 수 있는 것이 D2_16O이므로 이것을 보통 중수라고 합니다.(정확한 이름은 산화듀테륨이라고 합니다.)
중성자를 흡수하는 성질이 경수 대비 1/600로 작기때문에 천연 우라늄을 연료로 한 원자로의 감속재로 사용됩니다.