PWR·BWR

왜 배우는가: PWR과 BWR은 상용 원자력발전소의 대부분을 차지하는 경수로 형식이며, 이 문항은 3개 회차에서 출제되었다. 두 형식의 차이를 계통 구성 기준으로 정리해야 원전 안전, 제어, 국내 발전소 특징 문제를 함께 풀 수 있다.

출제 이력: 제135회 1교시 12번, 제114회 4교시 2번, 제98회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

PWR은 1차·2차 계통을 분리해 증기를 간접 생성하고, BWR은 원자로 안에서 물을 직접 끓여 증기를 만드는 경수로이다.

• 1차 계통: 원자로에서 열을 받아 나르는 고압 냉각재 회로이다.
• 2차 계통: 증기발생기에서 만든 증기로 터빈을 돌리는 회로이다.
• 증기발생기: 1차 계통의 열을 2차 계통 물로 전달해 증기를 만드는 장치이다.
• 비등: 냉각재가 끓어 기포가 생기는 현상이며, BWR에서는 설계상 의도된 현상이다.
• 가압기: PWR 1차 계통의 압력을 유지해 물이 끓지 않게 하는 장치이다.
• 직접 사이클: 원자로에서 생성된 증기가 바로 터빈으로 가는 방식(BWR)이다.
• 붕산수 제어: 1차 냉각재의 붕산 농도로 반응도를 조절하는 방식(PWR)이다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 핵분열 열로 물을 끓여 터빈을 돌리는 원자력발전소이다. 두 형식 모두 핵분열 열을 쓰지만, 증기를 만드는 위치와 계통 수가 다르다.

정식으로는 보통 물을 감속재와 냉각재로 쓰는 원자로를 경수로(LWR)라 부르며, PWR과 BWR은 모두 여기에 속한다. 경수로는 감속과 냉각을 같은 물로 해결하므로 설계가 단순하다.

PWR은 1차 계통의 물을 고압으로 눌러 끓지 않게 유지한다. 이 열을 증기발생기에서 2차 계통으로 넘겨 증기를 만든다. 1차와 2차 계통이 분리되어 터빈으로 가는 증기는 방사성 물질에 오염되지 않는다.

BWR은 노심에서 물이 직접 끓어 생긴 증기가 기수분리기와 건조기를 거쳐 바로 터빈으로 간다. 압력은 PWR보다 낮은 수준이다. 노심 상부에서는 물과 증기가 섞인 2상 흐름이 생긴다. 이 과정에서 냉각재가 방사화되므로 터빈, 복수기, 급수펌프 같은 설비를 차폐해야 한다.

출력 제어 방식도 다르다. PWR은 붕산 농도를 바꾸는 화학적 제어와 제어봉 삽입을 함께 쓴다. 제어봉은 원자로 기동, 정지, 단기 부하 변동 대응에 쓰인다. BWR은 재순환 유량과 제어봉으로 출력을 조절한다. 두 방식 모두 반응도를 일정하게 유지하는 것이 목적이다.

3. 등장 배경과 필요성

원자력발전은 열효율과 안전성을 함께 확보해야 하므로 증기 조건과 방사성 물질 격리 방식을 두고 형식이 나뉘었다. 경수를 쓰면 감속과 냉각을 하나의 매질로 처리할 수 있어 기술적 부담이 줄어든다.

PWR은 방사성 물질을 1차 계통 안에 가두고 2차 계통을 깨끗하게 유지하려는 요구에서 발전했다. 1차 계통을 고압으로 두면 물이 끓지 않아 노심 냉각이 안정된다. 증기발생기가 1차와 2차를 나누므로 이 구조의 격리가 PWR의 핵심 장점이다.

BWR은 증기 사이클을 단순하게 하려는 요구에서 나왔다. 증기발생기가 없으니 기기 수가 줄고 건설비와 정비 부담이 낮아진다. 대신 터빈계통까지 방사능이 넘어오므로 차폐와 방사선 관리가 필요하다. 이 점에서 BWR은 경제성과 차폐 부담이 맞물린다.

PWR의 핵심 장점은 1차와 2차 계통의 분리이고, BWR의 핵심 장점은 증기발생기 없는 단순 구조이다.

국내에서는 OPR-1000이 2루프 1000MWe급 PWR로 개발되었다. 이후 APR-1400이 2002년 개발에 성공한 1400MWe급 한국형 신형 가압경수로로 이어졌다. 이 흐름은 국내 경수로 확장의 기반이 되었고, 이후 설계 개선의 출발점이 되었다. 답안에서는 기술 배경과 안전성 요구를 함께 쓰는 것이 좋다.

4. 구성요소·원리·절차

PWR과 BWR의 계통 차이는 원자로 냉각재가 증기를 직접 만드는지, 별도 증기발생기를 거쳐 간접적으로 만드는지에 있다. 구성요소와 열 흐름을 먼저 나누어 이해해야 답안의 그림과 설명이 맞는다.

위 표는 두 노형의 계통 구성 차이를 한눈에 보인다. PWR은 1차 계통 압력이 높아 냉각재가 끓지 않고, BWR은 원자로 안에서 냉각재가 직접 끓어 증기가 된다.

PWR 계통의 주요 구성요소는 다음과 같다.

• 가압기(pressurizer): 1차 계통 압력을 일정하게 유지한다.
• 증기발생기(steam generator): 1차 냉각재의 열을 2차 계통 급수에 전달해 증기를 만든다.
• 1차 냉각재 펌프: 1차 루프의 냉각재를 순환시킨다.
• 제어봉·붕산수 계통: 반응도를 조절한다.

BWR 계통의 주요 구성요소는 다음과 같다.

• 증기분리기(steam separator)와 증기건조기(steam dryer): 원자로 상부에서 증기와 물을 분리한다.
• 재순환 펌프(recirculation pump): 원자로 하부 물을 노심으로 순환시켜 출력을 조절한다.
• 제어봉: 노심 하부에서 삽입되어 출력을 제어한다.

위 구성도는 PWR에서 1차 계통과 2차 계통이 증기발생기에서만 만나는 구조를 보인다. 두 계통의 냉각재는 섞이지 않는다.

위 흐름도는 BWR에서 증기가 원자로 안에서 생성되어 터빈으로 직접 가고, 응축수가 다시 노심으로 돌아오는 순환을 보인다. 되먹임 경로가 노심 입구에 연결된다.

원리는 다음 두 가지로 요약한다. 첫째, PWR은 1차 계통의 높은 압력으로 냉각재의 비등을 억제하고 열만 증기발생기로 넘긴다. 둘째, BWR은 압력을 낮게 유지해 노심에서 발생한 증기를 바로 터빈에 보낸다. 같은 전기 출력을 낼 때 BWR은 원자로를 통과하는 냉각수량이 적다.

PWR 운전 절차는 다음과 같다.

• 원자로에서 핵분열열이 발생해 1차 냉각재를 가열한다.
• 가압기가 1차 계통 압력을 유지해 냉각재가 끓지 않도록 한다.
• 증기발생기에서 1차 열이 2차 급수로 전달되어 증기가 생성된다.
• 2차 증기가 터빈을 구동하고 복수기에서 응축되어 급수로 되돌아간다.

BWR 운전 절차는 다음과 같다.

• 재순환 펌프가 원자로 하부의 물을 노심으로 공급한다.
• 노심에서 냉각재가 일부 비등하여 기수 혼합물이 상부로 올라간다.
• 증기분리기와 증기건조기가 증기와 물을 분리한다.
• 건증기가 주증기관을 거쳐 고압·저압 터빈으로 들어가고, 응축수가 재순환된다.

핵심 공식은 열출력과 냉각재 유량의 관계다. $Q = \dot{m} \cdot (h_{out} - h_{in})$ 여기서 Q는 노심에서 냉각재로 전달되는 열출력(MW), \dot{m}는 냉각재 질량유량(kg/s), h_{out}, h_{in}은 출구·입구 엔탈피(kJ/kg)다. BWR은 출구에서 일부 증기가 되므로 같은 Q에 대해 \dot{m}가 PWR보다 작아지는 경향이 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

원자력 발전소의 노형 기준은 원자력안전법 체계의 안전성 기준과 원전 설계 기준을 따른다. 노형별 기준 수치는 설계 문서에 따르며, 아래 표는 노형 비교에 쓰는 대표 값이다.

위 표의 압력과 온도는 두 노형의 설계 운전점 차이를 보인다. BWR의 낮은 압력은 용기 설계 부담을 줄이지만 방사화된 증기가 터빈까지 흐르므로 차폐와 방사선 관리 기준이 추가된다.