원자력 개발 세대에 따른 분류 (1편)

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2021. 6. 27.

Seal_of_the_United_States_Department_of_Energy. 미국 에너지부 마크

 


미국 에너지 부 (DOE)는 2030 년경의 실용화를 목표로 제창하는 차세대 원자로의 일반적인 개념을 설명하기 위해 원자로의 개발 세대를 다음과 같이 정의 하였다.

제 1 세대 (GEN-I)
1950 년대부터 1960 년대 전반에 운전을 개시 한 최초의 원자로
제 2 세대 (GEN-II)
1960 년대 후반부터 1990 년대 초반에 건설 된 상업용 원자로
제 3 세대 (GEN-III)
1990 년대 후반부터 2010 년대 무렵에 운전 개시 한 원자로에서 제 2 세대 개량형으로 개발 된 원자로 [24]
제 4 세대 (GEN-IV)
2007 년 현재 연구가 진행되고있는 원자로에서 천연 가스 화력 발전도 경쟁 할 수있는 높은 열효율 고급 안전, 방사성 폐기물 부담의 최소화 및 고급 핵 확산 저항성 등의 특성을 갖는 혁신적인 원자 노 군. 고온 가스로는 중국에서 상용로 건설 중이다.

 

Shippingport_LOC_135430pu 배송 포트 원자력 발전소 발전소 1 호기의 로. 소형임을 알 수있다.



제 1 세대 원자로 ( GEN-I )
제 1 세대 원자로 ( Generation I )는 본격적인 상업적 사용 이전 1950 년대부터 60 년대에 만들어진 발전 용 원자로. 미국 에너지부 ( 영어 : United States Department of Energy , 약칭 : DOE ) 이 차세대 원자로 개념을 발표하기 위해 정의 된 분류의 하나다. 초기 실증로 및 조기 원형로에 가까운 것이 이렇게 불린다. 
1950 년대 중반에 제창 된 평화를 위한 원자력 ( 영어 : Atoms for Peace )이라는 생각을 바탕으로 발전용 원자로의 개발이 시작되어, 1950 년 부터 1960 년에 걸쳐 군사용 원자로의 전환 등을 포함한 다양한 종류의 원자로가 개발 되었다. 그러나 많은 원자로는 발전 용량이 적었다.

이러한 원형 원자로는 제 2 세대 원자로 이후에 이어지는 원자로의 전조가되어, 이러한 기술과 실적을 이용하여 실제 상용 발전을위한 원자로의 생산이 시작되었다.

다른 원자력 발전소의 제 1 세대 원자로가 폐쇄 된 후 오랜 시간에 걸쳐서 세계에서 유일하게 운용되어온 영국의 노스 웨일즈 ( 영어 : Wales )의 와일파 원자력 발전소 ( 영어 : Wylfa Nuclear Power Station , 웨일스 어 : Atomfa'r Wylfa )의 마그녹스가 2015 년 에 모든 폐쇄된 것으로, 전 세계의 제 1 세대 원자로는 가동을 종료했다.

1세대로의 예 
배송 포트 원자력 발전소 ( 영어 : Shippingport Atomic Power Station )
가압 수형 원자로 ( 영어 : Pressurized Water Reactor, PWR )
드레스덴 원자력 발전소 
비등 수형 원자로 ( 영어 : Boiling Water Reactor, BWR )
홀더 홀 원자력 발전소 ( Colder hall Nuclear Power Plant )
마그녹스 (흑연 감속 탄산 가스 냉각 형 원자로)
흑연 감속 가스 냉각로
오브 닌 스크 원자력 발전소 ( 러시아어 : Обнинская АЭС )

흑연 감속 비등 경수 압력 관형 원자로 의 원형 ( РБМК; Реактор Большой Мощности Канальный )



Browns_Ferry_Unit_1_under_construction 브라운스 페리 원자력 발전소의 원자로 건물 풍경. 제 2 세대 원자로는 제 1 세대에 비해보다 크게되었다.

 

제2세대 원자로 ( GEN-II )
제 2 세대 원자로는 원자로 설계의 분류. 제 2 세대라는 구분은 제 4 세대 원자로의 개념이 도입 되었을 때 미국 에너지부에 의해 4 세대의 하나로서 나타난 것이다. 제 2 세대로는 1990 년대 말까지 설계된 최초의 상업용 원자로를 의미하고있다.

 

BoilingWaterReactor 비등 수형 원자로의 구조



이들은 원형로와 조기 실증로로 이루어진 제 1 세대 원자로와는 대조적으로 실질적인 이용을 목적으로 한 실용로이다. 제 2 세대 원자로는 가압 수형 , 비등수형 ( 영어 : Boiling Water Reactor, BWR ) , CANDU 원자로 ( 영어 : CANDU reactor ) , 개량 가스 냉각로 ( Advanced Gas-cooled Reactor , AGR ) , VVER , RBMK 등이 포함된다. 제 2 세대 원자로는 대부분이 30 년에서 40 년의 설계 수명을 예상하고 생산되었다. 이러한 형식의 원자로는 안전성을 높이하기 위해 개량되어 계속 1990 년대에는 더 향상된 제 3 세대 원자로에 변화했다.

제 2 세대 원자로는 현재는 오래된 기술이되어 있으며, 안전성 등은 제 3 세대에 비해 뒤떨어져있다. 한편, 비용면에서 개선 된 2 세대로가 신설되는 예도있다. 2000 년 이후에 지어진 발전 형 2 세대의 디자인에 대해서는 제 2 세대 +라는 표현이 사용된다. 대표로는 중국 CRP1000 이 존재하고 더 비싼 제 3 세대 원자로 와의 경쟁에서 이 호칭이 일반적으로 사용된다. 제 2 세대 +에서 개선 된 안전 시스템과 설계 수명을 60 년으로 하는 등의 근대화가 보인다.

제 2 세대 원자로의 설계는 일반적으로 원래 설계 수명이 30 년에서 40 년이다. 그러나 제 2 세대 원자로의 대부분은 그 활동 수명이 50 년에서 60 년으로 연장하고, 다시 활동 수명이 80 년으로 늦추는 것이 경제적이다라고하고 있다. 선진국에서는 스리 마일 섬 사고 ( 1979 년 )와 체르노빌 사고 ( 1986 년 ) 이후 원자로의 대부분이 입체 할수 없게 된 점에서 당시 현역이었던 2 세대로 현재까지 가동하고있는 예가 많다. 

 

Chernobylreactor 체르노빌 원자력 발전소 사고



2 세대 원자로 
비등수형 원자로
가압형과 함께 많은 원자로의 원형이 된 원자로. 끓는 경수에서 터빈을 돌리는 구조로되어있다.

 

Reactorvessel 가압 수형 원자로 압력 용기

 

가압 수형 원자로
끓는물과 함께 매우 많이 채용되고 있는 원자로. 냉각수의 1차 계통과 2 차 계통이 분리되어 있으며, 폐로시의 쓰레기가 적다.

CANDU 원자로
캐나다에서 설계된 원자로. 운전 중 핵연료를 꺼낼 수 있도록되어있다.

 

AGR_reactor_schematic 개량 가스 냉각로의 개략도. 열교환기가 철강 - 철근 콘크리트 복합 압력용기 및 방사선 차폐 속에 들어있다.

 

개량 가스 냉각로
영국에서 이용되는 원자로. 흑연을 감속재로 사용 흑연로 . 가스 냉각을 실시하고있다.

 

Wwer-1000-scheme 러시아 형 가압 수형 원자로의 원자로 압력 용기 의 모식도

 

VVER
러시아가 채용하고있는 가압수형 원자로. 기본적으로 가압수형 원자로와 유사하지만 서방의 것과 디자인에 차이가있다.

RBMK
흑연을 주요 감속재로 사용하는 원자로. 흑연로는 발전 용량이 크다. 체르노빌 사고의 동형로이지만, 개량을 더해 현재도 사용되고있다.

Nuclear_Power_Plant_Lungmen 대만의 용문 원전의 제 3 세대 원자로 (개량형 비등 수로) 건설 풍경.

 

제 3 세대 원자로 ( GEN-III )
제 3 세대 원자로는 제 2 세대 원자로 작동 중에 개발 된 각종의 제 2 세대로의 설계를 바탕으로 진화적인 개선이 편입 된 개량형 원자로의 설계다. 향상된 연료 기술, 뛰어난 열효율 수동적 안전 시스템 유지 보수 및 비용 절감을 위한 원자로 설계의 표준화 등이 특징이다.

개요 
용광로의 기술 개량의 결과, 제 2 세대로보다 긴 작동 수명을 얻고있다. 제 2 세대로의 당초 설계 수명이 40 년 실질적인 운용 수명은 80 년 이상으로 연장하고 있지만, 제 3 세대는 당초 설계는 60 년의 수명이며, 완전한 분해 점검 및 압력 용기의 교체까지의 수명은 120 년으로 연장 할 수있다. 또한 노심 손상 빈도는 2 세대로보다 낮고 유럽 가압 수형 원자로에서는 1년에 10 억개 중 연료봉의 손상이 60 개 정도이며, ESBWR는 1년에 10 억개 중 연료봉 손상은 3 개 정도가 되고있다. 이것은 2 세대 비등수로 연간 10 억 개 중 연료봉의 손상 1 만개에 비해 매우 낮아지고있다.

안전 장치로는 대부분이 수동적인 긴급 노심 냉각 시스템을 도입하고있다. 이들은 대부분이 중력이나 원자로의 열을 이용하여 외부 요인 사정에 원자로를 냉각 장치이며, 모든 냉각 장치가 고장 났을 때 72 시간 동안 이 에너지로 노심의 냉각을 할 수 있도록 되고있다. 이 시간 벌기 사이에 원자로의 근본적인 복구에 착수하는 것으로 알려졌다. 제 3 세대 원자로 더욱 안전성 향상이 진행되고 있으며, 긴급 노심 냉각 장치의 전면에 수동적 안전 장치를 이용하는 형식의 원자로는 3 세대 +로 불린다.

현재 제창 된 제 3 세대 원자로의 형식의 대부분은 냉각 원자로에 물을 이용하고있다. 이전의 끓는 물 가압 형의 개량형이 많은 여러 회사에서 다양한 원자로가 설계되어있다. 원자로의 대형화, 효율화에 의해 제 3 세대 원자로의 많은 출력이 강화되고 있으며, 2 세대 2 기 분 정도의 발전 능력을 가지는 것도 존재한다.

최초의 3 세대 원자로는 일본에서 건설되고, 동시에 유럽에서 건설이 허가되었다. 제 3 세대 + 인 웨스팅 하우스사 ( 도시바 산하)의 AP1000 원자로는 중국 절강성 싼먼 현에서 2013 년 부터 운영이 계획되어있다. 다른 원자로는 미국에서는 4 기의 건설 계획이 승인 될 전망이다.

제 3 세대 원자로 

개량형 비등 수형 경수로 (ABWR)
제너럴 일렉트릭의 설계 원자로. 1996 년에 일본에서 처음으로 소개되었다.

개량형 가압 수형 경수로 (APWR)
미쓰비시 중공업이 개발 한 가압 수형 경수로의 개량형이다.

CANDU6 능력 향상 형 (EC6) 
캐나다 원자력 공사 가 개발 한 CANDU 원자로의 후기 계통.

VVER -1000/392
VVER의 AES91에서 AES92까지에서 열린 여러가지 개량이 더해진 것.

AP600 ( 영어; AP600 )
1998 년 웨스팅 하우스가 NRC의 최종 설계인가를받은 가압 수형 경수로. EIA는 "웨스팅 하우스는 보다 큰 잠재적으로 약간 경제적 (단위 발전량 당 비용으로) 인 AP1000을 전면에 내세워 AP600을 팔지 않았다"고하고있다. 현재까지 사용되고 있지 않다.

Hualong One / HPR-1000
중국 광동 핵전 집단 공사 (中広 핵 집단, CGNPC)와 중국 핵 공업 집단 공사 (핵심 집단, SNPTC) 중국 2 대 원자로 제조 업체가 공동으로 개발했다.

System80 + ( System80 의 개량형)
콘밧숀 엔지니어링사가 설계한 원자로다. 이것은 한국에서 개발 된 3 세대 + 인 APR1400의 기술적 기초가되고있다. 현재까지 사용되고 있지 않다.

개량형 가압 수형 중수로 ( 영어; Advanced heavy-water reactor, AHWR)
인도 · 바바 원자력 연구 센터 ( 영어; Bhabha Atomic Research Centre, BARC )에서 개발중인 토륨 연료 점화를 위한 차세대 원자로다.


제 3 세대 + 원자로 
제 3 세대 +는 안전성, 경제성에서 3 세대에 우수한 중요한 개선이 이루어졌다. 개선형 원자로 설계로 1990 년대에 NRC가 승인 되었다 .

개량형 CANDU로 (ACR-1000)
CANDU 원자로의 개량형. 운용중에 연료봉 교체가 가능하지만, 중수로이기 때문에 트리튬이 발생한다.

AP1000
AP600의 개량 계. 출력을 증강하고있다. 2012 년 2 월 9 일 미국 조지아 보글 원자력 발전소 ( 영어; Vogtle Electric Generating Plant ) 3 호기와 4 호기에 채용이 결정 미국 원자력위원회 (NRC)는 원전의 건설과 운전을 34 년 만에 승인하였다. 동형은 VC 썸머 원전 ( 영어; Virgil C. Summer Nuclear Generating Station ) 2,3 호기에 채택도 정해져있다.

유럽 ​​가압 수형 원자로
프라 마톰 M4와 지멘스 발전 부문의 KONVOI로의 직계 발전 형 가압 수형 경수로다.

높은 경제성 단순화 비등 수형 원자로 (ESBWR)
ABWR을보다 고도화 한 것.

APR1400
미국 System80 +를 개량 한 개량형로 . 한국의 차세대 원자로의 기초가되고있다.

VVER -1200 / 392M
AES2006의 설계에서 주로 수동적 안전성이 특징이다.

VVER -1200/491
AES2006의 설계이며 동적 안전성에 특징이 있고, 국제적으로는 MIR1200로 판매되고있다.

VVER -1200/510
AES2010 디자인이며 WWER-TOI 이라고도 불린다. 392M을 기초로하고있다.

개량형 유럽 비등 수형 원자로
ABWR을 바탕으로 출력을 증가 EU의 안전 기준을 충족하고있다.

B & W mPower
밥콕 앤 윌콕스 와 벡텔 사가 개발중인 진화 수형 경수로. 제 3 세대 ++로되어있다.

 

Atoms_for_Peace_stamp 평화를위한 원자력을 내건 미국의 우표 (1955 년 발행).