원자력 발전소

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미국 펜실베이니아 주의 스리마일 원자력 발전소

원자력 발전소(原子力 發電所, 영어: nuclear power plant, NPP) 또는 핵 발전소는 우라늄의 핵에 중성자를 쏘아 핵을 폭발시키면서-터뜨려 나오는 에너지를 전기로 바꾸는 곳이다. = 우라늄 핵 폭발 발전소

우라늄 핵을 터뜨리면 다른 발전소보다 더 많은 전력을 생산할 수 있으며, 이산화탄소를 거의 배출하지 않는다. 우라늄 핵폭발 발전소의 발전 개념은 화력발전소와 같으나, 연료가 다르다. 우라늄 235의 핵을 터뜨려 생긴 열을 물에 대서 끓인다. 물은 급격히 증발하여 수증기가 된다. 수증기가 터빈의 바람개비를 돌린다. 화력발전소는 석탄이나 기름을 태워 물을 끓인다. 연료로는 우라늄 235를 농축시킨 농축 우라늄과,[1] 천연 우라늄(CANDU, 가스 냉각형 원자로(마그녹스), RBMK형 원자로)을 사용한다. 현재는 플루토늄을 우라늄과 같이 혼합한 MOX 연료가 시험중에 있다.

역사[편집]

원자로에서 전기를 최초로 만들어낸 원자력 발전소는 흑연감속 비등경수 압력관형 원자로를 사용한 소련의 오브닌스크 원자력 발전소로, 1954년 6월 27일 운전을 시작하였다. 최초의 상업용 원자력 발전소는 마그녹스 원자로를 사용한 영국 셀라필드에 위치한 콜더 홀(Calder Hall) 원자력 발전소로, 1956년 10월 17일 상업 운전을 시작하였다.

그 후 1979년 3월 28일 스리마일 섬 원자력 발전소에서 운전원의 조작 실수로 인한 냉각재 누출사고로 인해서, 노심용융사고가 일어났다. 그리고 1986년 4월 26일 소비에트 연방체르노빌 원자력 발전소에서는 운전원들의 조작 실수로 인해 냉각재 누출사고가 발생, 멜트다운(노심용융사고)가 일어나고 말았다. 체르노빌 원자력 발전소에서는 격납용기도 없었고, 운전원들이 비상노심냉각장치를 가동하지 않았기 때문에, 피해는 스리마일보다 더 컸다. 2011년 3월 11일 동일본 지역을 중심으로 발생한 대지진과 쓰나미로 7등급 후쿠시마 제1원자력 발전소 사고가 일어났다. 10 만명 이상의 피난주민이 발생했으며, 발전소 반경 20 km 이내 피난구역에 살던 주민들은 이주했다.

대한민국에서는 1978년 4월 최초의 상업 원자력 발전소인 고리원자력발전소 1호기가 초임계에 도달하였다. 현재 대한민국에는 부산광역시에 6기, 영광군에 6기, 경주시에 5기, 울진군에 6기등 총 23기의 원자로가 가동되고 있으며 신고리 3호기 등 5기가 추가로 건설되고 있다

핵연료 사이클[편집]

1.채굴 2.정련 우라늄을 잘게 부수고 진한 황산으로 녹여 불순물을 제거한다. 그리고 옐로케이크라고 불리는 황색 분말로 가공한다. 3.전환 우라늄 농축 과정을 위해서 옐로케이크를 기화하기 쉬운 육플루오린화우라늄으로 만든다. 4.농축 기체의 육플루오린화우라늄을 원심 분리기로 농축시킨다 5.재전환 농축된 육플루오린화우라늄을 이산화우라늄 분말로 만든다. 6.성형 가공 이산화우라늄을 원통형으로 구운 다음 연료 펠릿에 집어 넣는다. 7.발전 8.중간 저장 9.재처리 사용이 끝난 연료에는 우라늄이나 플루토늄이 남아있다. 이를 꺼내는 과정이다. 10.MOX 연료 성형 가공. 사용이 끝난 연료에서 우라늄과 플루토늄으로 MOX연료를 만든다. 다시 발전 과정으로 보내진다. 11.폐기 저준위 폐기물은 비교적 깊지 않은 곳에 최대한 압축하여 묻고 고준위 폐기물은 땅속 깊은 곳에 묻는다. 12.

종류[편집]

원자력 발전소의 원자로는 크게 3종류가 있다.

열반응로의 종류는 중성자의 에너지를 낮추는 감속재의 종류로 나뉜다.

농축[편집]

천연 우라늄은 99%의 우라늄 238과 0.7%의 우라늄 235를 포함하고 있다. 우라늄 238은 핵 분열 시키기 어려우므로 천연 우라늄을 농축하여 우라늄 235의 비율을 높이는 과정인 농축 과정이 필요하다.

우라늄을 기체인 육플루오린화우라늄으로 만든 후 원심 분리기에 넣고 회전시킨다. 이 때 질량이 큰 우라늄 238은 원심력에 의해 밖으로 밀려나게 되고 질량이 더 작은 우라늄235는 중앙으로 모이게 된다. 시간이 지나면 원심 분리기의 중앙에 우라늄 235의 농도가 높아지게 되고 중심 부분의 기체를 다음 원심분리기로 이동시킨다. 이 작업을 반복하면 우라늄 235의 농도를 높일 수 있다. 이 때 우라늄 235는 3~5%정도로 농축시킨다. ( 99%로 농축시킨 것이 원자 폭탄이다. 핵폭발을 일으키는 데 필요한 최소 농도는 30% 이다. 평화이용을 목적으로 하는 농축 우라늄의 추출에서 핵불확산을 목적으로 하여 농축도가 통상 20% 이하로 제한되는 것은 이 때문이다.)

핵분열 연쇄 반응[편집]

우라늄 235는 그냥 혼자서 핵 분열 하는 것이 아니다. 중성자를 흡수하여 불안정해지고 우라늄 원자핵은 세슘,루비듐,요오드,이트륨 같은 2개의 다른 원자핵과 중성자로 분열한다. 이 때 질량 손실로 인해 막대한 열이 발생한다. 보통 우라늄 235가 핵분열 할 때는 평균 2.5개의 중성자가 튀어나온다. 우라늄235가 핵분열 할 때 나오는 중성자가 2개라고 가정하면 1개의 우라늄이 핵분열하면 2개의 중성자가 나오고 이들은 2개의 우라늄과 반응하여 4개의 중성자를 생성한다. 이들은 같은 방식으로 4개의 우라늄과 반응하여 8개의 중성자를 생성한다. 이 상태는 초임계(위험한 상태)이다. 그래서 원자로에서는 하나의 우라늄 235가 하나의 핵분열을 일으키도록 되어있다. 하나의 우라늄이 핵분열하여 2~3개의 중성자를 생성하면 1개를 제외한 것들은 흡수되거나 해서 사라지게 된다. 1개의 중성자는 1개의 우라늄235와 반응하고 여기서 나온 중성자는 또한 하나의 우라늄 235와 반응한다. 이러한 메카니즘을 구성한 상태를 임계 상태라고 한다. 중성자를 더욱 많이 흡수하여 임계 미만 상태로 만들면 핵분열이 최종적으로 멈추게 된다.

중성자의 조절[편집]

원자로의 출력을 조절하려면 핵분열 정도를 조절하면 된다. 앞서 말한 임계 상태를 만들 때 중성자를 흡수하는 방법은 제어봉을 사용하는 것이다. 제어봉은 중성자를 흡수하는 성질을 가진 탄화붕소나 하프늄을 강철로 덮은 것이며 노심에 빼거나 넣어서 원자로 안의 중성자의 수를 조절한다. 원자로에 어떠한 이상이 발생하게 되면 자동으로 제어봉을 삽입하는 시스템이 있다.

핵분열 과정[편집]

원자로에는 우선 중심부에 핵연료가 있는데, 우라늄 235의 함유율을 3% 정도로 높인 농축우라늄을 가공한 연료소자(Pellet)를 피복관 속에 차곡차곡 채운 후 양단을 용접하여 밀폐한 연료봉을 모아 다발로 만들어 사용하고 있다.

핵연료 내에 존재하는 235U는 적절히 제어된 중성자와 충돌시 핵분열반응을 일으키며 이 때 많은 에너지와 2~3개의 새로운 중성자를 방출하게 된다. 이들 새로운 중성자가 또 다른 235U와 충돌하여 원자로 내에서는 지속적인 핵분열 연쇄반응이 가능해지게 된다. 핵연료다발의 덩어리를 노심(爐心)이라고 하는데 노심 주위에는 중성자 누출을 방지하기 위한 반사체가 있고 핵연료집합체 사이사이에는 중성자를 잘 흡수하여 핵분열반응을 조절하는 제어봉이 설치되어 있다.

한편 핵연료봉 사이에 채워진 감속재는 핵분열반응이 용이하도록 중성자 속도를 떨어뜨리게 한다. 감속재가 있는 이유는 우라늄 235의 핵분열에서 생긴 중성자는 초속 1만 km이상의 극히 고속이기 때문에 이 상태의 고속 중성자는 우라늄 235에 흡수되기 어렵기 때문이다. 감속재는 핵분열 반응 시 방출된 에너지를 흡수하는 냉각재 역할도 겸하게 되는데 현재 원자력발전소에서 주로 사용하고 있는 경수로나 중수로의 경우 감속재 및 냉각재로서 물이나 중수를 사용하고 있다. 핵연료로부터 많은 에너지를 빼앗은 냉각재는 증기발생기로 보내져 물을 가열하게 되고 그 결과 발생된 증기가 터빈을 돌리게 되며 이 때 터빈에 같이 연결된 발전기에서 전기가 만들어진다.

재처리 공정[편집]

한번 사용이 끝난 연료에는 아직 우라늄과 플루토늄 등 핵연료로 쓸 수 있는 성분이 아직 많이 포함되어 있다. 이 성분을 꺼내는 작업이 재처리 작업이다. 사용이 끝난 연료는 재처리 공장으로 운반된다. 그리고 사용이 끝난 연료는 잘게 잘려 질산 용액에 들어가기 된다. 그 용액의 성분을 분리해 우라늄과 플루토늄을 꺼낸다. 이 재처리 과정의 용액은 매우 방사능이 높기 때문에 사람이 접근 할 수 없어 모두 원격 조작으로 이루어 진다. 재처리 과정에서 나오는 플루토늄은 핵무기로 사용될 위험이 있어 단독으로 꺼내기 보다는 우라늄과 섞인 상태로 꺼낸다.

고속 증식로[편집]

일반적인 원자로(경수로)에서 사용할 수 있는 우라늄235의 양은 극히 적다. 하지만 고속 증식로는 천연 우라늄의 약 60%를 발전에 이용할 수 있다. 아직 개발단계이며 상업적으로 운전 중인 고속증식로는 존재하지 않는다. 고속증식로에서는 MOX연료 라고 불리는 새로운 연료를 사용하는데 이는 Mixed Oxide의 머리글자를 딴 것으로 우라늄에 플루토늄을 혼합한 연료를 가르킨다. 고속 증식로에서는 냉각제를 물이 아닌 나트륨을 사용한다. 중성자는 나트륨과 충돌해도 잘 감속되지 않는 특징이 있다. 하지만 물이나 공기에 닿으면 수소와 열을 내며 격렬하게 반응한다는 단점이 있다.

고속 증식로는 플루토늄에 고속 중성자가 충돌하고, 이 플루토늄이 핵분열 하게 되면서 나온 중성자가 다시 고속으로 우라늄 238와 충돌하여 플루토늄 239가 되거나 플루토늄 239와 충돌하여 핵분열을 일으키게 된다. 이 과정에서 보면, 하나의 플루토늄이 핵분열 하면서 핵 연료인 플루토늄을 다시 생성했다. 플루토늄239가 핵 분열 해서 나온 중성자가 모두 우라늄 238과 충돌하면 소비한 것 이상의 플루토늄239가 생기는 것이다. 이것이 소비한 것 이상의 연료(약 1.2배)를 만드는 고속 증식로의 특징이다.

방사성 폐기물[편집]

원자력 발전은 극히 적은 연료로 막대한 전력을 생산 할 수 있지만 단점으로 방사성 폐기물이 있다. 일본 기준으로 저레벨 방사성 폐기물과 고레벨 방사성 폐기물로 나누어진다. 저레벨 방사성 폐기물은 연료봉의 관이나 연료 집합체의 끝에 붙어 있던 부품 작업에 쓰인 방호복이나 손장갑 공구, 사용이 끝난 연료를 녹이기 위해 사용한 질산 용액, 원자력 발전소에서 쓰이는 배기 필터 등이 있다. 이 저레벨 방사성 폐기물은 드럼통에 넣은 후 시멘트에 굳힌다. 그리고 비교적 얕은 지하 몇m 아래에 묻는다. 고레벨 방사성 폐기물은 사용이 끝난 연료를 재처리할 때 나오는 방사성 물질을 고농도로 포함한 폐액을 유리를 넣어 굳힌 유리 고화체를 가리킨다. 폐액과 유리가 섞인 고온의 액체를 캐니스터 라고 불리는 스테인리스제 전용 용기에 집어넣은 후 300m 보다 깊은 지하에 묻는다.

장단점[편집]

장점[편집]

온실 기체를 배출하지 않으며, 그 때문에 지구 온난화에 미치는 영향이 적다. 저렴한 연료가격, 높은 연료비축을 자랑한다.

화력발전소, 태양광 발전소, 수력발전소 등 다른 발전소에 비해 발전 비용이 저렴하다. 다음 표는 OECD 주요 국가들의 2010년 감가상각비 10%를 적용하였을 때 발전 비용을 나타낸 도표이다. 단위는 센트/kWh이다.

국가 원자력 석탄 석탄(CCS[2]) 가스(CCGT[3]) 풍력
프랑스 9.2 - - - 12.2
독일 8.3 8.7-9.4 9.5-11.0 9.3 14.3
일본 7.6 10.7 - 12.0 -
한국 4.2-4.8 7.1-7.4 - 9.5 -
미국 7.7 8.8-9.3 9.4 8.3 7.0
중국 4.4-5.5 5.8 - 5.2 7.2-12.6
러시아 6.8 9.0 11.8 7.8 9.0

[4]

단점[편집]

원전사고의 경우 그 피해가 크기 때문에 충분히 주의를 기울인다 하더라도 사고에 대한 사회적 불안감이 큰 편이다. 또한 초기 건설비용이나, 운전 중 배출되는 여러가지 방사능 폐기물의 처리, 수명이 다한 원전에 대한 철거 비용, 쓰고난 열로 인해 주변 생태계가 영향을 받는 등의 문제가 지속적으로 제기되고 있다.

세계의 원자력 발전소 추세[편집]

1950년대에 연구원들은 2000년까지 적어도 1,800개의 원자력 발전소가 건설되고, 전 세계 21%의 상업용 에너지를 충당하고 전 세계 대부분의 전력을 생산할 것으로 예측하였다. 하지만 지난 60년간 전 세계 정부의 감축안이 여러차례 적용되어 2조 달러의 정도의 예산이 투자되었고, 2007년 기준 30여개국에 439개의 원자로가 전 세계 30여개국에서 전 세계 6%의 상업용 에너지와 16%의 전력을 생산하고 있다. 특히 프랑스에서는 완벽한 안전설비 아래 74.79%(2012년 총량 404900.00 GWh)의 전력이 원자력 발전으로 생산되고 있으며, 대한민국에서는 30.37%(2012년 총량 143547.87 GWh)의 전력이 원자력 발전으로 생산되고 있다.[5] [6]

대한민국의 원자력발전소[편집]

대한민국의 원자력 발전소.

대한민국에서는 전체 생산 전력 중 많은 비중을 차지하고 있다.

  1. 고리원자력발전소 1-4호기, 신고리 1~4호기 가동중
  2. 월성원자력발전소 1-4호기, 신 1호기 가동중
  3. 한빛원자력발전소 1-6호기 가동중
  4. 한울원자력발전소 1-6호기 가동중

향후 대한민국의 원자력발전소 개발 추진[편집]

일본 후쿠시마 원전폭발고리 1호기 원전 가동중단 등 원전 안전성 논란이 확산되고 있는 가운데 2011년 4월 정부가 원전건설 의지를 재차 명확히 했다.[7]

같이 보기[편집]

주석[편집]

  1. 글로벌 세계대백과사전》, 〈고리 원자력 발전소
  2. Carbon capture and storage.
  3. Closed-cycle gas turbine.
  4. world-nuclear.org
  5. IAEA, 2012년
  6. G. Tyler Miller, Scott E. Spoolman: 《Living In The Environment, 16th Edition》. BROOKS/COLE CENGAGE Learning, 388쪽. ISBN 978-0-495-55671-8
  7. http://news.mk.co.kr/newsRead.php?year=2011&no=262491

바깥 고리[편집]