에너지

원자력발전 원리｜원자로의 열이 전기가 되는 7단계

By NK 2026. 8. 26. 06:33

원자력발전소의 원자로 안에서는 큰 에너지가 발생합니다. 그렇다면 원자로가 그 자리에서 전기를 만들어 내는 걸까요?

정확히 말하면 아닙니다. 원자로는 핵분열을 제어하면서 열을 만드는 장치입니다. 전기를 실제로 만드는 장치는 원자로 밖에 있는 발전기입니다. 원자로에서 시작된 열이 냉각재와 증기를 거쳐 터빈을 돌리고, 그 회전이 발전기로 전달돼야 비로소 전기가 생산됩니다.

이번 글에서는 특정 원자로 종류보다 이 전체 흐름에 집중해 원자력발전 원리를 7단계로 정리했습니다.

원자력발전소는 결국 무엇을 하는 시설일까

원자력발전소는 에너지의 형태를 차례로 바꾸는 시설입니다.

핵에너지 → 열에너지 → 증기의 에너지 → 터빈의 회전 에너지 → 전기에너지

원자로는 첫 번째 변환을 담당하고, 터빈은 증기의 에너지를 회전으로 바꾸며, 발전기는 그 회전을 전기로 바꿉니다. 발전기에서 나온 전기는 변압기를 거쳐 송전에 적합한 전압으로 조정된 뒤 전력망으로 이동합니다.

 

이 큰 틀은 석탄화력발전소 같은 증기터빈 발전소와 비슷합니다. 가장 큰 차이는 물을 데울 열을 어디에서 얻느냐입니다. 화력발전은 연료를 태워 열을 만들고, 원자력발전은 원자로 안의 핵분열로 열을 만듭니다.

STEP 1. 우라늄 핵분열로 열을 만든다

원자로의 연료에는 핵분열이 가능한 우라늄-235가 포함됩니다. 우라늄-235 원자핵이 중성자를 흡수하면 불안정해져 더 작은 원자핵들로 나뉘고, 이때 에너지와 새로운 중성자가 방출됩니다.

방출된 에너지의 상당 부분은 빠르게 움직이는 핵분열생성물의 운동에너지입니다. 이 입자들이 연료 내부의 주변 원자들과 충돌하면서 운동에너지가 열로 바뀝니다. 뜨거워진 핵연료의 열은 연료 피복관을 지나 주변 냉각재로 전달됩니다.

핵분열 때 나온 중성자 일부는 다른 우라늄-235 원자핵의 핵분열을 일으킵니다. 이것이 연쇄반응입니다. 발전용 원자로에서는 제어봉처럼 중성자를 흡수하는 장치와 여러 제어 수단을 이용해 이 반응률을 일정한 범위로 조절합니다.

핵심은 간단합니다. 원자로의 첫 번째 산출물은 전기가 아니라 열입니다.

STEP 2. 냉각재가 노심의 열을 옮긴다

핵연료에서 생긴 열을 그대로 두면 연료와 설비의 온도가 계속 올라갑니다. 그래서 냉각재가 노심을 지나며 열을 받아 외부의 열변환 설비로 운반합니다.

국내 상업 원전의 중심인 경수로에서는 물이 대표적인 냉각재입니다. 물은 열을 옮기는 동시에 원자로 종류에 따라 중성자의 속도를 낮추는 감속재 역할도 합니다.

다만 모든 원자로가 물을 냉각재로 쓰는 것은 아닙니다. 일부 비경수형 설계는 헬륨, 액체금속, 용융염 등을 사용하므로 ‘모든 원전에서 원자로 물을 끓인다’고 단정하면 정확하지 않습니다.

STEP 3. 전달받은 열로 증기를 만든다

증기터빈을 사용하는 원전에서는 냉각재가 운반한 열로 고압 증기를 만듭니다. 이때 증기가 만들어지는 위치는 원자로 형식에 따라 다릅니다.

PWR에서는 원자로를 통과한 1차 냉각재가 증기발생기 전열관 안을 흐릅니다. 전열관 바깥의 별도 물인 2차계통 급수가 열을 받아 증기가 됩니다. 두 물은 정상 운전에서 섞이지 않고 전열관을 사이에 두고 열만 주고받습니다.

BWR에서는 원자로 압력용기 안의 물 일부가 증기가 되고, 이 증기가 터빈 쪽으로 직접 이동합니다. 두 방식의 구조 차이는 뒤에서 짧게 다시 구분하겠습니다.

STEP 4. 고압 증기가 터빈을 돌린다

만들어진 증기는 배관을 따라 터빈으로 이동합니다. 터빈 안에는 여러 단계의 회전날개와 고정날개가 배치되어 있습니다. 고압의 증기가 통로를 지나며 팽창하고 속도가 바뀌는 과정에서 날개에 힘을 전달하면 터빈 축이 회전합니다.

쉽게 말하면 증기가 바람개비를 돌리는 모습과 비슷하지만, 실제 원전 터빈은 증기의 압력과 온도를 여러 단계에서 활용하도록 정밀하게 설계된 대형 기계입니다. 이 단계에서 증기의 열·압력 에너지가 축의 회전 에너지로 바뀝니다.

STEP 5. 발전기가 회전을 전기로 바꾼다

터빈 축은 발전기 회전자와 연결되어 있습니다. 터빈이 돌면 발전기 내부의 회전자도 함께 회전합니다. 이때 회전하는 자기장과 고정된 코일 사이의 상대적인 움직임으로 코일에 전압이 유도됩니다. 전자기 유도입니다.

여기서 역할 구분이 가장 중요합니다.

  • 원자로: 핵분열로 열을 만든다.
  • 터빈: 증기의 에너지를 회전으로 바꾼다.
  • 발전기: 회전을 전기에너지로 바꾼다.

따라서 “원자로가 전기를 만든다”는 말은 발전소 전체를 줄여 부르는 표현일 수는 있지만, 설비의 실제 역할로 보면 전기를 만드는 장치는 발전기입니다.

STEP 6. 복수기가 증기를 다시 물로 만든다

터빈을 지난 증기는 복수기로 들어갑니다. 복수기 안에는 차가운 냉각수가 흐르는 많은 전열관이 있고, 증기는 전열관 바깥에서 열을 빼앗겨 물로 응축됩니다. 이 물은 펌프와 급수가열 계통 등을 거쳐 다시 증기를 만드는 쪽으로 돌아갑니다.

복수기의 역할을 단순히 ‘물을 재활용하는 장치’라고만 보면 절반만 이해한 것입니다. 증기가 물로 응축되면 부피가 크게 줄어 터빈 배기 측을 매우 낮은 압력으로 유지하는 데 도움이 됩니다. 비응축성 기체는 별도의 진공 설비가 제거합니다.

이 낮은 압력 덕분에 증기가 터빈 안에서 더 충분히 팽창하며 일을 할 수 있어 발전 효율에 유리합니다.

증기에서 빠져나온 열은 복수기 냉각수로 이동해 바다·강 또는 냉각탑 같은 최종 열제거원으로 전달됩니다. 냉각탑에서 보이는 흰 구름은 일반적으로 따뜻하고 습한 공기가 외기와 만나 생긴 수증기와 미세 물방울입니다. 원자로에서 나온 연기라고 표현하면 안 됩니다.

STEP 7. 변압기를 거쳐 송전망으로 보낸다

발전기에서 생산한 교류 전기는 곧바로 먼 지역까지 보내기보다 주변압기를 거칩니다. 변압기는 발전기 출력 전압을 송전에 적합한 높은 전압으로 올립니다.

같은 전력을 보낼 때 전압을 높이면 필요한 전류를 낮출 수 있고, 송전선에서 전류 때문에 생기는 손실을 줄이는 데 유리합니다. 이렇게 조정된 전기는 스위치야드와 송전선을 거쳐 전력망으로 들어가고, 이후 변전소와 배전망을 통해 수요처로 전달됩니다.

원전에서 사용하는 물은 모두 같은 물일까

원전 사진에서 바다, 냉각탑, 증기를 함께 보다 보면 발전소의 모든 물이 하나의 배관으로 연결돼 있다고 생각하기 쉽습니다. 그러나 PWR을 기준으로 보면 역할과 관리 범위가 다른 세 계통으로 나눠 이해하는 편이 정확합니다.

1. 원자로 냉각재

원자로 냉각재는 노심을 직접 지나며 핵연료의 열을 받아 증기발생기로 옮깁니다. 원자로를 통과하므로 방사선 관리 대상이며, PWR에서는 높은 압력을 유지한 폐회로 안을 순환합니다.

2. 증기·급수

PWR의 증기·급수는 1차 냉각재와 분리된 2차계통의 물입니다. 증기발생기에서 열을 받아 증기가 되고, 터빈을 돌린 뒤 복수기에서 다시 물이 되어 순환합니다.

정상 운전에서는 증기발생기 전열관을 사이에 두고 1차 냉각재와 섞이지 않습니다. 다만 전열관 누설 같은 비정상 상태 가능성까지 무시해 ‘절대 영향이 없다’고 표현해서는 안 되며, 관련 계통은 계속 감시·관리됩니다.

BWR은 계통 구성이 다릅니다. 원자로 냉각수 일부가 증기가 되어 터빈으로 직접 이동하므로 증기와 터빈 계통도 그 특성에 맞는 방사선 관리가 필요합니다.

3. 복수기 냉각수

복수기 냉각수는 터빈을 지난 증기의 열을 빼앗기 위해 사용합니다. 해수나 강물을 한 번 통과시키는 방식도 있고, 냉각탑을 포함한 순환계통을 이용하는 방식도 있습니다.

이 냉각수는 정상 운전에서 증기·급수 또는 원자로 냉각재와 직접 섞이지 않습니다. 복수기 전열관을 경계로 열만 전달받습니다.

따라서 원전에서 사용하는 물이 모두 같은 물이거나 모두 방사성 물인 것은 아닙니다. 다만 각 계통의 건전성을 확인하기 위한 감시와 수질 관리는 별도로 이뤄집니다.

PWR과 BWR의 발전 흐름은 어디서 갈릴까

두 방식 모두 핵분열 열로 증기를 만들고, 터빈과 발전기를 돌린다는 최종 원리는 같습니다. 차이는 원자로와 터빈 사이에서 증기를 만드는 방식입니다.

구분 PWR BWR
원자로를 지나는 유체 고압의 1차 냉각재 원자로 냉각수 일부가 증기로 변함
터빈용 증기 증기발생기의 별도 2차계통에서 생성 원자로에서 생성된 증기가 직접 이동
핵심 계통 경계 증기발생기 전열관이 1차·2차계통을 분리 별도 증기발생기 없이 직접 사이클 구성

PWR의 가압기·증기발생기와 1차계통 구조는 PWR 가압경수로 발전 원리 자세히 보기 위치에 기존 글의 실제 주소를 연결하면 됩니다.

BWR의 기수분리기·증기건조기와 직접 사이클 구조는 BWR 비등수형 원자로 발전 원리 자세히 보기 위치에 기존 글의 실제 주소를 연결하면 됩니다.

SMR도 전기를 만드는 기본 원리는 같을까

SMR도 핵분열로 열을 만들고, 그 열을 증기터빈 또는 설계별 열변환계통에 전달해 발전기를 구동한다는 기본 에너지 변환 원리는 같습니다.

다만 SMR은 하나의 원자로 형식을 뜻하지 않으므로 냉각재, 증기계통, 터빈 구성은 설계에 따라 달라질 수 있습니다. 정의와 유형을 다시 설명하기보다 기존 글인 SMR 소형모듈원자로 뜻과 종류 정리에서 이어서 보는 편이 좋습니다.

 

 

 

핵심 내용 정리

원자력발전 원리를 한 문장으로 줄이면 원자로가 만든 열로 터빈을 돌리고, 발전기가 그 회전을 전기로 바꾸는 과정입니다.

원자로는 전기를 직접 만드는 장치가 아니라 열원입니다. 냉각재는 노심의 열을 옮기고, 증기는 터빈을 돌리며, 발전기는 전자기 유도로 전기를 만듭니다. 복수기는 증기를 물로 되돌리는 동시에 터빈 배기 측을 낮은 압력으로 유지하고, 변압기는 생산된 전기를 송전에 알맞은 전압으로 높입니다.

그리고 원자로 냉각재, 증기·급수, 복수기 냉각수는 역할과 계통 경계가 서로 다릅니다. 이 구분까지 이해하면 원전 구조를 볼 때 원자로부터 송전망까지의 흐름이 훨씬 선명해집니다.

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