우라늄 235와 같은 핵분열성 물질의 연쇄핵분열반응을 인공적으로 제어하여 열을 발생시키거나 방사성 동위원소 및 플루토늄의 생산, 또는 방사선장(放射線場) 형성 등의 여러 목적에 사용할 수 있도록 만들어진 대형장치. 핵폭발시 순간적으로 방출되는 다량의 에너지가 목적하는 바에 따라 서서히 방출되도록 조절함으로써 핵에너지를 실생활에 활용할 수 있도록 만든 장치이다.

【원리】 원자로가 보통의 화력로(火力爐)와 근본적으로 다른 점은, 화력로가 물질의 연소열을 이용하는 데 반해 원자로는 핵분열반응의 결과 발생하는 질량결손(質量缺損) 에너지를 이용한다는 데 있다. 즉, 연소열에 의해 자동적으로 연소가 확대되는 화력로와 달리 원자로는 연료의 핵분열시에 방출되는 중성자(中性子)를 매개체로 하여 핵분열(원자로의 경우에도 연소라 한다)을 지속하게 된다.

따라서, 원자로에서는 핵연료에 흡수되는 중성자수를 제어함으로써 핵연료의 연소를 조절하는데, 원자로 내의 핵분열을 지속시키기 위해서는 핵분열시 방출되는 중성자들 중에서 다시 핵연료에 흡수되어 재차 핵분열을 일으키는 수가 최소한 1개 이상이어야 한다.

만약 그 수가 1일 때에는 핵분열반응은 감소하지도 증가하지도 않고 일정하게 유지되며, 이 상태를 원자로의 임계(臨界)라고 한다. 또한 그 수가 1을 초과할 경우에는 핵분열반응의 수도 점점 증가하게 되는데 이를 초임계상태(超臨界狀態)라 하며, 그 반대의 경우를 미임계상태(未臨界狀態)라 한다.

일반적으로 원자로를 일정한 출력으로 운전할 때는 이를 임계상태로 두거나 약간의 임계초과상태로 하여 여분의 중성자를 적당한 물질(제어봉)에 흡수시키는 방법을 취한다. 1회의 핵분열에서 방출되는 중성자수는 우라늄 235의 경우 평균 2개 정도이지만, 이들 모두가 재차 핵분열에 기여하는 것은 아니고 원자로 외부로의 누설, 또는 비핵분열성 물질에의 흡수 등에 의해 그 수가 감소되므로 원자로를 계속 운전하기 위해서는 이러한 중성자 손실을 최소로 해야만 한다.

그 방법으로는 핵분열성 물질의 양을 증가시키거나 핵분열시 방출되는 고속중성자를 열중성자준위로 감속시켜 흡수확률을 높이는 방법, 노심외부(爐心外部)로의 누설량을 최소화할 수 있도록 원자로의 크기를 충분히 크게 하는 방법, 그리고 다른 비핵분열성 물질에의 흡수를 최소로 하는 방법 등이 있다.

핵분열의 순간에 방출되는 중성자는 에너지가 높은 고속중성자로서 핵연료에 흡수될 확률이 극히 낮으므로, 이를 감속시켜 흡수확률을 높여 주는 것이 중요한 문제이다. 원자로의 제어는 카드뮴·붕소 등과 같이 중성자 흡수단면적이 큰 재질(보통 막대 형태)을 노심 내에 집어넣거나 빼냄으로써 중성자수를 조절하여 제어하게 되며, 또한 반사체(反射體)나 감속재의 양을 변화시키는 방법을 사용하기도 한다.

【구성요소】 일반적으로 노심·반사체·차폐체·냉각장치 및 계측제어장치로 구성되어 있다. 원자로의 심장부에 해당하는 노심은 핵연료와 고속중성자를 열중성자로 감속시키기 위한 감속재, 발생된 열을 제거하는 냉각재 등으로 구성된다.

노심을 둘러싸고 있는 반사체는 노심에서 나오는 중성자를 내부로 되돌려보내는 구실을 하며, 반사체 바깥의 차폐체는 노심에서 발생하는 강한 방사선을 막아 주는 일을 한다. 냉각장치는 냉각재를 순환시켜 노심에서 발생한 열을 제거하는 장치인데, 이 장치를 통해 원자로가 과열되는 것이 방지되며, 또 동력용 원자로에서는 여기서 얻은 열을 이용하여 발전기를 비롯한 동력장치를 움직인다.

계측제어장치는 원자로의 출력조정을 위해 중성자 흡수체(제어봉)를 조작하는 구실을 하게 되는데, 대부분의 경우 원자로의 출력, 노내 각 위치별 온도 및 중성자 밀도 등을 측정하는 기록장치를 통해 자동제어가 가능하도록 되어 있다.

【원자로 개발】 세계 최초의 원자로는 이탈리아의 망명 과학자인 E.페르미가 1942년 미국 시카고대학에 세운 원자로로서, 같은 해 12월 2일 임계도달에 성공하였다. 출력 2 kW의 소형인 흑연감속재를 사용한 이 원자로는 400 t의 흑연과 6 t의 우라늄 금속, 50 t의 산화 우라늄, 카드뮴 제어봉으로 구성되어 있었다.

미국에서 시작된 초기 원자로의 개발목적은 핵폭탄을 제작하기 위한 플루토늄 생산이 주목적이었으며, 미국은 이 원자로를 기초로 워싱턴주(州)에 플루토늄 생산용인 대형 원자로를 건설하고, 여기서 생산된 플루토늄으로 원자폭탄을 만들어 일본에 투하함으로써 제2차 세계대전을 종결시켰다.

제2차 세계대전이 끝난 후 얼마 동안은 핵폭탄 제조기술의 보안이라는 이유로 미국 정부는 원자력에 관한 모든 정보를 국가기밀로 정하고 묶어 둠으로써 원자력의 산업적 이용은 정체상태에 놓이게 되었다. 그러나 소련이 핵폭탄 개발에 성공하고, 53년 아이젠하워 대통령이 원자력의 평화적 이용을 제창하게 되자 비로소 민간기업들이 원자로 개발에 참여하게 되었다.

최초의 동력용 원자로는 군사적 목적으로 개발된 것이긴 하지만 잠수함의 동력원으로 사용되던 가압경수로가 효시이다. 54년 원자력법이 개정되고 민간기업들의 참여가 가능하게 되자 미국의 원자력위원회는 5가지 원자로형(型)에 대한 개발계획을 발표하였으며, 이 계획의 첫 단계로 사용중인 잠수함의 동력로 제작기술을 이용하여 펜실베이니아주(州) 시핑포트(Shipping port)에 발전용량 6만 kW급 가압경수로(PWR)를 건설하였다.

아르곤 국립연구소 실험에서 착안한 비등경수로(BWR)로 최초 건설된 것은 출력 20만 8000 kW급의 드레스덴(Dresden) 발전소이다. 제2차 세계대전 후 원자로의 개발은 미국 이외의 나라, 특히 영국·캐나다·프랑스·소련에서 활발히 진행되었다. 프랑스와 영국 과학자들의 협력하에 캐나다는 45년 온타리오주(州)의 초크리버(Chalk River)에 천연우라늄과 중수(重水) 감속재를 사용하는 소형원자로를 건설·가동하였다.

영국은 대전이 끝나자 핵폭탄제조를 위한 플루토늄 생산에 주목적을 둔 흑연감속재를 사용하는 공기냉각원자로 개발에 착수하여 48년 소형연구로를 가동시켰으며, 51년 2기(基)의 플루토늄 생산로를 보유하게 되었다. 그 후 영국은 이 원자로를 발전에도 동시에 사용하기 위해 냉각재를 공기 대신에 이산화탄소로 교체하였다.

플루토늄을 생산하는 데 있어서 영국과 마찬가지 입장이었던 프랑스는 56년 공기냉각로를 건설·가동시켰으며, 그 후 미국 웨스팅하우스사(社)의 가압경수로를 도입하여 독자적인 동력로 개발에 주력하였다. 현재는 독일·스웨덴 등도 독자적인 동력로를 개발·보유하고 있으며, 일본은 미국으로부터 도입한 가압경수로와 비등경수로를 개발·활용하고 있다.

【종류】 원자로의 분류는 용도에 따라 발전용·추진용(선박·항공기 등)·연구용·시험용·생산용 원자로로 분류하고, 중성자의 에너지에 따라 열중성자로·고속중성자로·중속중성자로로 분류하기도 한다. 또한 핵연료 및 냉각재의 종류에 따라 가압경수로·비등경수로(BWR)·가압중수로(PHWR)·기체냉각로(GCR), 핵연료 및 감속재의 배치에 의하여 균질로(均質爐)·비균질로, 핵연료 사용중 부산물로 생성되는 다른 핵연료물질에 의하여 전환로(轉換爐)·증식로(增殖爐) 등으로 분류한다.

발전용 원자로와 추진용 원자로를 합하여 동력용 원자로라 하고, 넓은 의미에서 이것을 제외한 나머지는 연구용 원자로(또는 연구로)로 분류하기도 한다. 연구로는 워터 보일러형(WBR)·스위밍풀형(SPR)·탱크형 원자로·재료시험로 및 중성자원로 등이 있다.

연구로는 주로 열원(熱源)·중성자원(中性子源)·γ선원(線源)으로 활용하여 방사성 물질 및 생체에 대한 조사효과(照射效果) 연구와 동위원소 생산량으로 사용되며, 또한 원자로 기술자의 교육훈련용으로도 사용된다. 화력로에 대체되는 열원으로 사용하는 동력용 원자로는 연구로와는 달리 높은 출력이 필요하다.

상당한 운전경험이 있고 실용화에 성공한 동력용 원자로에는 농축우라늄을 연료로 하고, 경수(輕水)를 감속재·냉각재로 사용하는 가압경수로와 비등경수로, 천연 우라늄과 흑연감속재를 사용하는 기체냉각로, 천연 우라늄과 중수감속재를 사용하는 가압중수로 등이 있으며, 이들은 모두 열중성자로에 해당되는 것들이다.

【개발】 원자로의 개발은 기존의 원자로를 개량하는 것과 새로운 형의 원자로를 개발하는 것으로 나눌 수 있다. 연구로 부문에서는 기존의 재료시험로를 개량하고 특히 매우 높은 중성자 밀도를 발생시킬 수 있는 펄스로(pulse reactor)의 개발 등에 대해 연구가 진행되고 있다.

발전용 동력로 부문인 경수로와 중수로 부문에서는 스리마일섬(TMI) 원자력발전소와 체르노빌 원전사고 이후 고조된 원자로의 안전성에 대한 우려로 인해 원자력산업의 침체기가 도래되자 원자력발전 선진국들은 에너지원으로서 중요한 원자력발전 산업의 활성화를 위해 경제성과 안전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 차세대 원자로 개발을 추진중에 있다.

새로운 안전개념이 적용되는 차세대 원자로는 2000년대 초부터 상업 가동될 것으로 전망하며, 노형(爐型)은 설계 개념상 기존 원자로의 안전계통을 크게 개선한 개량형, 자연현상에 의한 피동(passive) 안전개념을 적용한 피동형, 자연현상과 핵물리학의 특성을 이용한 고유안전형 등 3종류로 구분할 수 있다. 또한 전환로와 고속증식로는 기존의 원자로와는 달리 핵연료의 이용도를 훨씬 높일 수가 있어 주목되고 있는 원자로들이다.

원자로 내부에서는 핵연료의 소모가 계속되면서 또한 새로운 핵연료, 즉 플루토늄 239가 끊임없이 생성되는데, 소비되는 핵연료 원자수에 대해 새로 생성되는 핵연료 원자수의 비율을 전환율(轉換率)이라 하며, 보통 전환율이 0.7~1인 것을 전환로, 1 이상인 것을 증식로라고 한다.

이 증식로 기술이 개발되면 현재의 열중성자로에서는 별로 쓸모가 없는 우라늄 238을 유용하게 사용할 수 있어 우라늄 부존량이 100배 이상으로 늘어난 것과 같은 효과를 기대할 수 있다. 이와 같은 증식로는 2000년대에는 실용화할 것으로 예측되고 있으며, 프랑스를 선두로 하여 미국·일본 등지에서 활발히 연구가 진행되고 있다.

현재 가동중인 고속증식로의 원형로(原型爐)는 프랑스의 페닉스(Phenix) 발전소와 영국의 던리(Dounreay) 발전소가 있으며, 클린치 리버(Clinch River) 원자로는 미국에서 개발중인 증식로이다.

【안전성】 원자로는 핵폭탄과는 달라 핵폭발의 위험은 없지만 방사성 물질의 누출이라는 위험 때문에 안전성 문제는 중요하게 다루어지고 있다. 만약 원자로가 냉각기능을 상실하면 자동정지하게 되지만, 노심에 남은 잔열이 제거되지 못하면 이로 인해 노심이 용융하게 되고 결국은 다량의 방사성 물질이 외부로 누출되므로 원자로를 설치할 때는 이러한 사고가 방지될 수 있도록 안전설비를 최대한 강화하여 설계하고 있다.

79년 3월 발생한 미국 펜실베이니아주에 위치한 스리마일섬 원자력 발전소와 86년 4월 발생한 러시아의 체르노빌 원자력 발전소의 사고는 원자로의 안전성 문제에 대해 심각한 논란을 불러일으켰으며, 현재 그에 대한 여러 가지 보완조치의 시행은 물론 앞서 언급한 바 있는 획기적인 안전성 개념을 적용한 차세대 원자로의 개발을 서두르게 되었다.

【한국의 원자로】 한국은 59년 7월 14일 한국원자력연구소에서 착공하여 62년 3월 19일 임계에 도달한 100 kW 출력의 제너럴 아토믹(General Atomic) 제품인 TRIGA Mark-Ⅱ 연구용 원자로가 최초의 원자로이다. 훈련(training), 연구(research), 방사성 동위원소 생산(isotope production)의 머리글자들을 따서 명명한 원자로를 도입함으로써 원자력산업이 시작되었다.

그 후 TRIGA Mark-Ⅱ는 자체기술능력으로 67년 250 kW로 출력증강을 하게 되었으며, 71년 4월경에는 2 MW급인 TRIGA Mark-Ⅲ을 도입·설치하였다. 또한 이 TRIGA Mark-Ⅱ, Ⅲ이 2000년대에 폐기될 것에 대비하여 충남 대덕 원자력연구소 내에 대용량 다목적 연구용 원자로(multi-purpose research reactor:MRR, 열출력은 3만 kW)를 자체설계로 94년 12월에 건설하였으며, 이 원자로는 ‘첨단 중성자 응용원자로’란 뜻을 가진 하나로(爐)(hi-flux advanced neutron application reactor)로 명명되어 운전중이다.

동력용 원자로로는 70년 착공하여 78년 상업발전에 들어간 웨스팅하우스사의 가압경수로인 고리 1호기가 최초이며, 그 후 도입된 원자로들도 가압중수로형인 월성 1호기를 제외하고는 전부가 가압경수로이다.

한국에는 94년 현재 9기(基)(761만 6천 kW)가 운전중이며, 11기(1,010만 kW)가 건설중으로 한국형 표준원전 건설을 이룩하기까지의 과정을 살펴보면 다음과 같다. 70년대에 고리 1,2호기와 월성 1호기를 도입하던 시기는 국내 산업기술 수준이 미흡하고 원자력발전소 건설경험이 없어 대부분 외국의 기술에 의해 도입 건설되었으며, 70년대 후반부터 80년대 초반에 건설된 고리 3,4호기, 영광 1,2호기 및 울진 1,2호기에서는 그 동안 축적한 경험과 기술을 바탕으로 국내업체가 많은 분야에 참여하여 국산화율을 높이면서 주요 기술을 습득하게 되었다.

87년에 설계 및 주기기 공급계약을 체결한 영광 3,4호기부터는 그 동안 중화학공업 분야의 국내 산업기술 수준향상과 외국업체로부터 습득한 기술능력을 바탕으로 국내업체 주도의 건설을 추진함으로써 원자력발전소 건설기술 자립을 달성할 수 있는 기반을 구축하게 되었으며, 영광 3,4호기를 참조 발전소로 하여 90년대 말에 상업운전 목표로 건설중에 있는 울진 3,4호기는 최초의 표준원전 설계개념을 도입함으로써 한국형 표준원전건설의 시발점이 되었다.

울진 3,4호기는 이른바 ‘한국형 원자로’라 하여, 미국에서 개발한 원자로를 한국의 실정에 맞게 개량한 것이다. 이 표준설계는 앞으로 건설될 후속기에 계속 적용됨은 물론 해외 원전수출의 근간이 될 것으로 전망한다. 한편, 한국전력공사의 주관하에 원자력산업계, 연구기관, 규제기관 등이 협력하여 안전계통이 보강되고 경제성이 우수한 차세대 원자로가 ‘국가선도기술개발사업(G-7프로젝트)’과 ‘원자력 중장기 연구개발계획’에 의거 2000년대 초 상업가동을 목표로 연구개발중에 있다.