비등경수로(Boiling Water Reactor: BWR)는 가압경수로(Pressurized Water Reactor: PWR)와 같이 1950년대 말부터 미국에서 개발되었다. BWR는 명칭 그대로 핵반응이 일어나는 원자로 용기 내에서 냉각재가 끓어 직접 증기가 생산되는 개념으로 화력발전소에서 증기를 발생시키는 방법과 같다. 초기 BWR는 Allis-Chambers와 General Electric (GE)에 의해 설계되었다.
현재, Allis-Chambers에 의해 설계된 BWR은 정지되었지만 GE의 BWR은 운전중이다. BWR은 ASEA-Atom, Kraftwerk Union, Hitachi에 의해 설계.공급되고 있으며, 핀란드, 독일, 인도, 일본, 멕시코, 네덜란드, 스페인, 스웨덴, 스위스, 대만에서 상업운전 중이다. 최근의 BWR의 전기출력은 약 570~1300 MWe이며, 열효율은 PWR과 같이 약 33% 정도이다. |
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BWR도 PWR과 같이 경수(Light Water, H2O)를 감속재 및 냉각재로 사용하기 때문에 경수형 원자로(Light Water Reactor: LWR)로 분류되지만, BWR의 원자로 압력용기에서 냉각재(물)의 비등이 발생하는 것이 PWR과 크게 다른 점이다. 따라서, BWR은 PWR의 증기발생기와 같은 설비가 필요하지 않으므로 그림에서와 같이 2개의 독립적인 냉각계통으로 구성된다. 그러나, 냉각재(물) 및 증기에는 방사성 물질이 포함되어 있을 가능성이 높기 때문에 원자로 압력용기 뿐만 아니라 터빈과 복수기도 격납건물 내에 위치시켜야 한다. 원자로 압력용기내 냉각재(물)는 핵연료집합체 아래에서부터 위쪽으로 통과하면서 가열되어 증기로 변환되고, 증기는 원자로 상부의 증기분리기(Steam Separators)에서 증기와 물로 분리된다. 분리된 증기는 직접 고압 및 저압 터빈으로 돌려 전기를 생산하며, 나머지는 냉각재(물)와 혼합하여 다시 원자로 노심으로 공급된다. 터빈을 돌려 전기를 생산한 증기는 진공상태의 복수기에서 물로 변환되어 급수 펌프를 통해 다시 원자로에 공급된다. 한편, 복수기는 바다, 호수, 강으로부터 순환수 펌프를 통해 공급되는 냉각수에 의해 냉각된다.
BWR은 원자로 압력용기에서 직접 비등이 발생하기 때문에 PWR의 운전압력보다 낮은 약 6×106 ~ 7×106 Pa (870 ~ 1015 psi)에서 운전되고 있다. 핵연료는 주로 UO2를 사용하며, PWR에서 사용하는 핵연료의 농축도보다 약간 낮다. 전 세계적으로 운전중인 BWR에서 생산하는 전기출력은 모든 원자력발전소의 약 22.5%에 해당된다.
BWR은 원자로를 정지 및 출력제어에 사용되는 제어봉 설계에서 다른 원자로와 특히 구별된다. 즉, PWR의 제어봉 집합체는 원자로 상부에 위치하여 노심 상부에서부터 삽입되지만 BWR은 원자로 상부에 증기분리기 등이 위치하기 때문에 제어봉 집합체 는 원자로 하부에 위치하며 노심 하부에서부터 고압의 유압계통에 의해 삽입된다. 또한, BWR에는 Torus 또는 Suppression Pool이 존재하는데, 이는 원자로나 원자로재순환계통으로부터 많은 양의 증기가 방출되는 사고가 발생하였을 때 방출된 열을 제거하는데 사용된다.
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| 원자로냉각재계통은 원자로를 담고 있는 원자로 압력용기와 이에 연결된 2, 3 또는 4개의 동일한 열전달 회로로 구성된다. 예를 들어서, 영광 1, 2호기는 3개의 열전달 회로를 갖고 원자로 압력용기에는 3개의 독립적인 냉각유로가 연결되어 있으며 각 회로에는 1개의 증기발생기와 1개의 냉각재펌프가 냉각재관에 일렬로 연결되어 있다. 그러나, 영광 3, 4호기는 2/4 회로형으로 영광 1, 2호기와는 달리 2개의 회로로 구성되어 있으며, 각 회로에는 1개의 증기발생기와 2개의 냉각재펌프가 1개의 노심 출구관과 2개의 노심 입구관으로 연결되어 있다. 또한, 원자로냉각재계통에는 가압기 및 보조계통이 포함되어 있다. 가압기는 원자로냉각재계통의 압력을 유지하게 하며 원자로 공급자 또는 열전달 회로 수에 관계없이 1개만 있다. 원자로냉각재계통은 원자로에서 생성된 열을 증기발생기에 전달하고 증기발생기는 증기를 발생시켜 터빈을 돌린다. 냉각재로는 경수(H2O)를 사용하며 경수는 중성자의 감속재 및 반사체로서의 역할도 겸하며 동시에 중성자 흡수물질인 붕산의 용매 역할을 한다. 냉각재계통은 정상운전 온도와 압력에서 냉각재를 기타의 계통과 분리하는 경계면을 형성하여 이를 원자로냉각재 압력경계라고 하며, 방사성물질이 2차계통이나 발전소 내의 타계통에 유출됨을 방지한다. |
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 원자로 압력용기 |
 증기 |
 순환수(해수 등) |
 핵연료 집합체 |
 급수 |
 급수 펌프 |
 제어봉 |
 고압 터빈 |
 급수 예열기 |
 제어봉 구동장치 |
 저압 터빈 |
 격납건물 |
 가압기 |
 발전기 |
 순환수 펌프 |
 증기발생기 |
 여자기 |
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 원자로냉각재펌프 |
 복수기 | |
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PWR은 경수(Light Water, H2O)를 감속재 및 냉각재로 사용하기 때문에 경수형 원자로(Light Water Reactor: LWR)로 분류된다. 일반적으로, PWR은 그림에서와 같이 3개의 독립적인 냉각계통으로 구성되어 있으며, 각각의 냉각계통은 서로 완전히 분리되어 있다. 따라서, 각 냉각계통을 순환하는 물은 서로 섞일 수 없으며, 1차계통(원자로냉각재계통)의 냉각재(물)에 존재할 수 있는 방사성 물질이 2차계통의 터빈이나 복수기로 이동되지 않는다. 또한, 방사성 물질이 포함되어 있을 가능성이 높은 1차계통의 냉각재가 누출되는 경우에도 환경으로 방사성 물질이 유출되지 않도록 1차계통을 격납건물 내에 위치시켜 환경으로의 유출을 차단한다.
원자로냉각재계통에서 순환되는 냉각재는 고온에서 운전되더라도 비등이 발생하지 않도록 매우 높은 압력으로 유지되어야 하며, 일정한 압력을 유지할 수 있도록 가압기가 설치되어 있다. 가압기에는 상부의 증기와 하부의 냉각재(물)가 함께 존재하여 압력변화에 적절히 대처할 수 있도록 설계되어 있다. 만일, 원자로냉각재계통의 압력이 감소하면 가압기내 전열기가 냉각재(물)를 가열하여 증기의 양을 증가시키므로 가압기 및 1차계통의 압력이 상승하게 된다. 반면, 원자로냉각재계통의 압력이 상승하는 경우에는 가압기 상부의 분무기에서 상대적으로 낮은 온도의 냉각재를 살수하여 증기를 응축시키므로 압력이 감소하게 된다.
원자로냉각재계통의 냉각재는 증기발생기 전열관(U-튜브, 1차측)을 통과하면서 증기발생기 2차측의 급수(물)에 열을 전달하고 원자로냉각재펌프를 통해 다시 원자로 압력용기로 공급된다. 한편, 증기발생기 2차측에서는 급수(물)가 증기로 변환되는데 이는 2차계통의 압력이 1차계통의 압력보다 낮기 때문이다. 증기발생기에서 생성된 증기는 고압 및 저압 터빈을 돌려 전기를 생산하고, 진공상태의 복수기에서 물로 변환되어 급수 펌프를 통해 다시 증기발생기로 공급된다. 또한, 복수기는 바다, 호수, 강 또는 냉각탑으로부터 순환수 펌프를 통해 공급되는 냉각수에 의해 냉각된다.
PWR에서 사용하는 핵연료는 약 3 ~ 4%로 농축된 UO2를 사용하며, 때때로 MOX(우라늄 및 플루토늄 산화혼합물)을 사용하기도 한다. 현재 운전 중인 PWR의 1차계통 압력은 약 1.2×107 ~ 1.6×107 Pa (1740 ~ 2320 psi)이며, 출구 냉각재 온도는 약 300 ~ 320℃ (572 ~ 608℉)이다. 전 세계적으로 운전중인 PWR에서 생산하는 전기출력은 모든 원자력발전소의 약 64%에 해당된다.
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| 가압중수로(Pressurized Heavy Water Reactor: PHWR)는 현재와 같은 우라늄 농축기술이 개발되지 못했던 1950년 중반기에 천연 우라늄(0.7% U-235)을 핵연료로 사용하는 방안으로 개발된 원자로로서, 천연 우라늄 핵연료와 중수(Heavy Water, D2O) 감속재를 사용한다. 열전달을 담당하는 냉각재로써 경수(Light Water, H2O)를 사용하면 핵반응에 필요한 중성자를 중수보다 수백 배 많이 흡수하기 때문에, 천연 우라늄을 핵연료로 사용하는 경우에는 비싼 중수를 감속재 및 냉각재로 사용한다. 만약 PHWR에 냉각재로 경수를 사용할 경우에는 천연 우라늄 대신 농축 우라늄을 사용해야 한다. 또한, PHWR에서는 천연 우라늄 또는 약 1 ~ 2%로 농축된 핵연료를 사용하기 때문에 핵연료를 자주 교체해야 하므로, 가동 중에도 핵연료를 교체할 수 있도록 설계되어 있다. |
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PHWR은 가압관식 중수로 및 가압용기식 중수로가 있다. 대표적인 가압관식 원자로는 Atomic Energy Canada Limited (AECL)에서 개발한 CANDU인데, CANDU에서는 냉각재의 비등을 허용하지 않기 때문에 1차계통은 가압경수로(Pressurized Water Reactor: PWR)와 거의 유사한 정도의 압력으로 유지되고 있다. 또한, CANDU에서는 감속재와 냉각재가 공간적으로 분리되어 있다.
즉, 감속재는 Calandria(원자로)라고 불리는 큰 원통형 탱크 내에 존재하며, 냉각재는 그림과 같이 핵연료 집합체를 둘러싸고 있는 Calandria 내의 압력관(Pressure Tubes) 속을 흐른다. 그러므로, 운전 중에는 Calandria 전체가 고압으로 유지되는 것이 아니라(감속재는 거의 가압되지 않으며) 냉각재가 흐르는 압력관 내부만 가압된다. 핵연료에 의해 가열된 고압고온의 냉각재는 PWR에서와 같이 증기발생기로 이동하여 2차계통의 물(경수)을 증기로 변환시킨다.
현재 운전중인 중수로(Heavy Water Reactor: HWR)는 전세계 원자력발전소 중 약 5.3%이며, 건설 중인 원자력발전소의 경우에는 13.2%가 HWR을 채택하고 있는데, 이는 안전성 및 높은 전환비(Conversion Factor) 때문이다. |
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http://www.npp.hu/mukodes/tipusok/canduzona-e.jpg
http://www.nucleartourist.com/images/candu-7a.jpg | | |
