1. 원자력발전의 원리

□ 기 본 원 리

원자력발전은 원자로 내에서의 핵분열 반응에 의한 에너지로 물을 끓여 증기를 만들고 이 증기로서 터빈을 돌려 발전을 하는 방식이다. 핵 연료봉에 저장된 핵연료의 분열이 일어나면서 연료봉은 뜨거워지고 이 주위로 물을 흐르게 하여 뜨거운 증기를 만들고 이 증기로 터빈을 구동시켜서 발전기가 돌아가게 하는 원리이다.

□ 핵 분 열

우라늄 235원자의 원자핵이 중성자를 흡수하면 2개의 다른 원자핵으로 분열 하는 것을 핵분열이라고 한다. 이때 분열하는 원자핵은 전혀 다른 물질로 변화하면서 엄청난 열을 발생하게 되고 동시에 중성자가 2~3개가 발생하여 튀어나간다. 이때 튀어나가는 새로운 중성자가 또 다른 우라늄 235원자와 충돌하여 원자로 내에서는 지속적인 핵분열반응이 가능해진다.

□ 원 자 로

원자력 발전의 핵심은 원자로에 있다. 원자로는 화력발전소로 따지면 연료를 태워 증기를 발생시키는 보일러인 셈이다. 우라늄이 핵분열을 통해 감소된 만큼의 질량이 에너지로 변하는 곳이다.

원자로 안에는 물이 채워져 있고 물속에는 두 종류의 봉이 담겨져 있다. 여기서 물은 원자핵 분열이 잘 일어나기 위해 중성자의 속도를 감속시켜주는 감속재 노릇을 한다. 핵분열 후 생성되는 중성자의 속도가 너무 빠르기 때문에 속도를 늦춰 다른 핵에 부딪칠 확률을 낮춘다.
감속재에 사용되는 물이 보통 물이면 경수로이고 무거운 물을 사용하면 중수로다. 흑연을 사용하면 흑연감속로다.
경수로는 쉽게 구할 수 있는 수소와 산소로 이루어진 보통의 물을 사용하는 대신에 약간 농축된 우라늄(저농축 우라늄,2-4%)을 원료로 써야 하고, 중수로는 경수 보다 수소 원자가 무거운 물을 사용하는 대신에 청연 우라늄(농축도 0.7%)을 사용하기 때문에 원료값이 싸다는 장점이 있다.

① 비등경수로 (Boiling Water Reactor : BWR)
비등경수로(BWR)는 가압경수로(PWR)와 같이 1950년대 말부터 …(생략)

미국에서 개발되었다. 비등경수로는 명칭 그대로 핵반응이 일어나는 원자로 용기 내에서 냉각재가 끓어 직접 증기가 생산되는 개념으로 화력발전소에서 증기를 발생시키는 방법과 같다.
현재, Allis-Chambersdp 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,대만에서 상업운전중이다. 최근의 BWR의 전기 출력은 약 570~1300MWe이며, 열효율은 PWR과 같이 약 33%정도이다.
BWR도 PWR과 같이 경수를 감속재 및 냉각재로 사용하기 때문에 경수형 원자로로 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 및 증기에는 방사성 물질이 포함되어 있을 가능성이 높기 때문에 원자로 압력용기 뿐만 아니라 터빈과 복수기도 격납건물 내에 위치시켜야 한다. 원자로 압력용기내 냉각재는 핵연료집합체 아래에서부터 위쪽으로 통과하면서 가열되어 증기로 변환되고, 증기는 원자로 상부의 증기분리기에서 증기와 물로 분리된다. 분리된 증기는 직접 고압 및 저압 터빈으로 돌려 전기를 생산하며, 나머지는 냉각재와 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.
핵연료는 주로 UO2를 사용하며, PWR에서 사용하는 핵연료의 농축도보다 약간 낮다. 전 세계적으로 운전 중인 BWR에서 생산하는 전기출력은 모든 원자력발전소의 약 22.5%에 해당된다.

BWR은 원자로를 정지 및 출력제어에 사용되는 제어봉 설계에서