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| − | '''[[원자력발전]]'''( | + | '''[[원자력발전]]'''(Nuclear power, 原子力發電)은 [[화력발전]]에 사용되는 [[화석연료]] 대신 [[우라늄]]을 연료로 사용하고 우라늄의 핵분열 때 나오는 [[에너지]]로 [[증기]]를 발생시켜 터빈을 돌려 전기를 만든다.<ref>〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9B%90%EC%9E%90%EB%A0%A5_%EB%B0%9C%EC%A0%84%EC%86%8C원자력 발전소]〉, 《위키백과》</ref><ref>〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=570428&cid=46637&categoryId=46637 원자력발전]〉, 《네이버 지식백과》</ref><ref>"[https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power Nuclear power]", ''Wikipedia''</ref> |
==개요== | ==개요== | ||
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==역사== | ==역사== | ||
| + | 19세기 들어서면서 원소의 주기율표와 원자모형에 대한 이론이 발전하면서 물질의 구조에 대한 과학적 지식이 축적됐다. 이와 더불어 핵분열 전후에 발생하는 원자핵의 무게 차이 즉 결손된 질량만큼 에너지가 발생하게 되는 걸 발견하게 된다. 핵분열 에너지의 원리가 밝혀지자 원자력 관련 기술 개발에 불이 붙게 되었다. 엔리코 페르미(Enrico Fermi)가 이끄는 과학자들이 1942년 12월 2일 오후 3시 25분 [[시카고대학]] 운동장 지하에 설치한 "시카고 파일-1"(Chicago Pile-1)로 불리는 세계 최초의 원자로에서 핵분열 연쇄반응을 지속시킴으로써 원자력 시대를 열었다. | ||
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| + | 핵분열 방식을 이용한 전력 생산은 1948년 9월 미국 테네시주 오크리지에 설치된 X-10 흑연원자로에서 전구의 불을 밝히는 데에서 시작되었다. 그리고 1954년 6월에 구 소련의 오브닌스크에 건설된 흑연감속 비등경수 압력관형 원자로 발전소는 세계 최초로 대규모 전력 생산을 목적으로 하는 원자력 발전소로 지어졌으며 용량은 5MW였다. 최초의 상업용으로 기체인 이산화탄소를 냉각재로 사용하는 마그녹스원자로를 사용한 영국 셀라필드 원자력 단지에 위치한 콜더 홀(Calder Hall) 원자력 발전소로 1956년 10월 17일 상업 운전을 시작하였다. | ||
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| + | ==원자로 구조== | ||
| + | [[파일:원자로 구조.jpg|썸네일|500픽셀|'''원자로 구조''']] | ||
| + | * '''가압기'''(Pressurizer) : 핵 분열을 지속하는 원자로 속의 온도가 더 올라가지 않도록 고압 상태를 유지시켜준다. 냉각수가 끓지 않도록 150기압을 유지시켜준다. 냉각재의 완충 탱크 역할을 하며 운정 중에는 원자로 냉각재의 팽창 및 응축 공간을 제공하고 압력을 유지하여 이상 상태 시 압력 변동을 억제한다. | ||
| + | * '''제어봉'''(Control Rod) : 핵연료의 반응도를 조절하는 관이다. 원자로의 노심에 넣었다가 뺐다가 하면서 핵연료의 반응속도를 조절한다. 보통 봉(棒)상으로 하여 노심에 삽입하기 때문에 제어봉이라고 한다. 열중상자를 잘 흡수하는 물질(붕소, 카드뮴 등)을 스테인리스강과 알루미늄으로 피복하여 만든다. 제어봉을 넣으면 핵분열을 일으키는 열중성자가 흡수되면서 반응도가 낮아지고 반대로 빼면 열중성자가 줄어들지 않기 때문에 반응도가 높아진다. | ||
| + | * '''노심'''(Reactor Core) : 핵분열 반응이 일어나는 원자로 중심 부분이다. 핵연료와 감속재로 구성되며 그 사이를 냉각재가 통과한다. | ||
| + | * '''펌프'''(Pump) : 냉각액을 원자로와 증기 발생기 사이에 순환시켜주는 부분이다. | ||
| + | * '''급수'''(Feedwater) : 이 물이 증기로 바뀐다. | ||
| + | * '''증기발생기'''(Steam Generator) : 터빈을 움직이기 위해 물을 증기로 바꿔주는 부분이다. | ||
| + | * '''증기배출구'''(Steam Outlet) : 증기발생기에서 나온 증기를 터빈과 발전기로 이동시켜주는 부분이다. | ||
| + | * '''콘크리트 방호벽'''(Concrete Shielding) : 사고가 났을 경우 방사성 물질을 막아주는 구조물이다.<ref>고주망태, 〈[https://ppkpk.tistory.com/89 원자력 발전2(원자력 발전소 구조)]〉, 《티스토리》, 2016-10-26</ref> | ||
==분류== | ==분류== | ||
| + | * '''가압수형 원자로'''(Pressurized water reactors, PWR) | ||
| + | 이 원자로는 냉각재와 감속재로 고압의 물을 사용한다. 가압수형 원자로는 현재 대부분의 원자로를 차지하고 있으며 일반적으로 안전하면서 신뢰성이 높다고 간주하고 있다. 최악의 원자력 발전 사고 중에 하나인 스리마일 섬 원자력 발전소의 원자로(1979년도 스리마일섬 원자력 발전소의 노심이 용융하는 사고가 발생)가 이 노형이다. 가압수형 원자로는 열 중성자 반응로 설계를 따르고 있으며 새롭게 개발 중인 개량 가압수형 원자로(Advanced Pressurized Water Reactor)와 유럽형 가압수형 원자로 그리고 미국 해군에서 사용하는 원자로는 모두 이 형식에 들어간다. | ||
| + | * '''비등수형 원자로'''(Boiling water reactors, BWR) | ||
| + | 이 원자로는 물을 냉각재와 감속재로 사용하지만 가압수형 원자로처럼 압력을 가하지 않는다. 물은 원자로 안에서 끓게 되어 그 증기는 바로 터빈을 돌리므로 열효율이 다른 원자로보다 높으면서 구조도 간단하며 심지어 잠재적으로 안정적이다. 이 원자로는 현대에 지어진 원자로 중에서 많은 비중을 차지한다. 이 원자로도 또한 가압수형 원자로와 같이 열 중성자 반응로 설계를 따르고 있으며 새롭게 개량 비등수형 원자로(Advanced Boiling Water Reactor) 및 경제적인 간소화 비등수로 원자로(Economic Simplified Boiling Water Reactor)가 여기에 들어간다. | ||
| + | * '''가압 중수로'''(Pressurized Heavy Water Reactor, PHWR) | ||
| + | 이 원자로는 캐나다에서 디자인되어 보통 CANDU라고 한다. 이들 원자로는 가압수형 원자로하고 구조는 같으나 냉각재와 감속재가 중수라는 점이 다를 뿐이다. 가압수형 원자로의 커다란 압력용기 대신 가압중수로는 압력 튜브를 사용하여 연료를 집어넣는다. 이 원자로는 천연우라늄을 사용할 수 있으며 열 중성자 반응로의 설계를 따른다. 가압 중수로는 운전 중에 연료를 교환할 수 있으며 노심의 변화를 정확하게 제어할 수 있다. CANDU 가압 중수로는 캐나다, 아르헨티나, 중국, 인도, 파키스탄, 루마니아, 그리고 한국에 건설되어 있다. | ||
| + | * '''흑연감속 비등경수 압력관형 원자로'''(Reaktor Bolshoy Moschnosti Kanalniy, RBMK) | ||
| + | 이 원자로는 소련에서 디자인되었으며 전력뿐만 아니라 플루토늄도 생산할 수 있는 원자로이다. RBMK는 냉각재로 경수를 사용하고 흑연을 감속재로 사용한다. RBMK는 CANDU와 동일하게 PWR형의 압력용기 대신에, 압력 튜브를 사용한다는 점과 또한 운전 중에 연료를 교환할 수 있는 점에서 서로 닮아 있다. 그러나 CANDU와 다르게 RBMK는 매우 불안정하고 격납 건물이 없어서 사고가 나면 매우 위험해지는 단점이 있다. 체르노빌 사고 이후에 RBMK에 대한 여러 결점이 고쳐졌으나 RBMK 원자로는 일반적으로 세계에서 가장 위험한 원자로 디자인 중 하나에 들어간다. 체르노빌 원자력 발전소에서는 RBMK 원자로 4기가 있었고 모두 가동을 중단한 상태이다. | ||
| + | * '''가스 냉각형 원자로와 개량 가스 냉각형 원자로'''(Gas-cooled reactor (GCR) and advanced gas-cooled reactor (AGR) | ||
| + | 이 원자로는 일반적으로 흑연으로 감속하며 CO2를 냉각재로 사용한다. 가스 냉각형 원자로는 PWR과 비교할 만한 높은 열효율을 보여준다. 이 디자인으로 가동되는 원자로들은 이 디자인을 개발한 영국에서 많이 쓰이고 있다. 가스 냉각형 원자로의 예전 디자인(마그녹스 Magnox)은 멀지 않은 미래에 모두 가동을 중단하게 될 것이다. 그러나 마그녹스를 개량한 개량 가스냉각로는 10년에서 20년 동안 더 운전될 것이다. 가스 냉각형 원자로도 열 중성자 반응로의 설계를 따른다. 이 노형은 노심의 부피가 크기 때문에 폐로하는 비용이 비싸다는 단점이 있다. | ||
| + | * '''액체 금속 냉각형 고속 증식로'''(Liquid-metal fast-breeder reactor, LMFBR) | ||
| + | 이 원자로는 감속재가 없고 냉각재로 액체 금속을 사용한다. 그리고 소모한 연료보다 더 많은 연료를 만들어낸다. 이 원자로는 PWR의 여러 기능적인 부분과 많이 닮았으며 고압 격납용기가 필요하지 않다. 액체 금속은 압력을 가할 필요가 없으며 심지어 매우 뜨겁다. 프랑스의 슈퍼피닉스(Superphenix)와 미국의 페르미-1(Fermi-1)과 일본의 몬주 원자로가 이 형식을 사용하고 있다. 몬주(Monju) 원자로는 1995년도에 나트륨 유출 사건이 일어난 적이 있고 2008년 재가동을 승인받았다. 세 원자로는 액화 나트륨을 사용하고 있다. 이들 원자로는 빠른 중성자를 사용하며 열 중성자 반응로의 설계를 따르지 않으며 이들 반응로는 2가지 형태가 있다 | ||
| + | : '''납 냉각제'''(Lead-cooled) | ||
| + | 납을 액체 금속으로 사용하는 건 우수한 방사선 차폐 효과와 더불어 높은 온도를 만들 수 있기 때문이다. 또한 납은 우수한 투명성을 지니고 있어서 열 중성자는 냉각재에서 없어져 버리고 냉각재는 방사능을 띠지 않게 된다. 나트륨과 다르게 납은 비활성이라 폭발이나 사고 위험성이 매우 적다. 그러나 많은 양의 납은 인체에 미치는 독성과 그 처분에 주의해야 한다. | ||
| + | : '''나트륨 냉각제'''(Sodium-cooled) | ||
| + | 대부분의 LMFBRs는 이 형식을 사용한다. 나트륨은 비교적 손에 얻기 쉽고 또한 작업하기에도 편하며 다른 원자로의 부분들이 부식되지 않도록 막아주는 역할도 한다. 그러나, 나트륨은 물과 반응하면 폭발하는 성질이 있기 때문에, 매우 조심스럽게 다뤄야 한다. | ||
| + | * '''페블 베드 원자로'''(Pebble-bed reactors, PBR) | ||
| + | 세라믹볼 안으로 몰딩한 연료를 사용하는데 그 볼을 통하여 가스를 순환시키게 된다. 그 결과 비싸지 않으면서 표준화된 연료에 효율적이고 낮은 유지 보수에 매우 안전한 원자로가 된다. 프로토타입은 AVR(독일어: Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor Reactor)이었다. | ||
| + | * '''용융염 원자로'''(Molten salt reactors, MSR) | ||
| + | 불화염(fluoride salts)에서 연료를 용해하거나 냉각제로 불화염을 사용한다. 이 원자로는 고효율에 고출력으로서 차량용으로 적합하다. 특히, 코어에 높은 압력이나 가연성 구성품이 없다. | ||
| + | * '''수성 균질 원자로'''(Aqueous Homogeneous Reactor, AHR) | ||
| + | 이 원자로는 냉각제와 중성자 감속재로 물에 용해된 핵염(nuclear salts)를 사용한다. | ||
| + | <ref>부분과 전체, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=2bfair&logNo=220071430842 원자로와 원자력발전]〉, 《네이버 블로그》, 2014-07-25</ref> | ||
==안전성== | ==안전성== | ||
| + | 원자력발전의 안전성은 어느 발전 방법과의 비교요소는 아니다. 굳이 안전성 문제를 들자면 후쿠시마 원전과 같은 중대사고가 발생했을 때 위 단점으로 지적한 방사선에 의한 인명과 환경에 대한 위험과 피해일 것이다. 100% 절대적 안전은 없다. 인간이 만든 모든 기계와 기기는 나름의 결점이 있지만 이용과정에서 결점으로 인한 경험을 반영하여 완전으로 발전해 나가는 것이다. 원자력발전소(원전)의 안전성 확보는 일반 기기를 만들 때 안전과 관련된 상황에 대한 가정과 대응하는 방법과는 다르다. 원전은 자연에서 발생할 수 있는 가정적인 심각한 요소를 허용할 수 있는 범위내로 반영할 뿐만 아니라 인위적인 오류에 대한 상황도 반영하여 설계, 건설, 운영한다. | ||
| + | |||
| + | 후쿠시마 원전의 중대사고는 지진과 쓰나미라는 자연현상으로 발생했지만 궁극적으로는 원자로의 구조적인 결함(약점) 보강에 미흡하였고 발생 가능 상황에 대한 사전 대처에 소홀했던 인위적인 사고로 본다. 1986년의 체르노빌원전 사고도 안전성 확보를 위한 보호 수단(원자로 격납용기) 미비 등의 인위적인 오류 사고로 분류한다. 1979년의 미국 TMI 원전 2호기 사고는 발생할 수 있는 사고에 완벽하게 대처할 수 있는 수단이 정상적으로 기능하였기에 생명과 환경의 안전을 확보할 수 있었다. TMI2 원전 사고의 시스템적 대응 기능이 바로 원전 안전성의 핵심이라고 할 수 있다. | ||
| + | |||
| + | 후쿠시마원전 사고 이후 국내 원전은 안전성 제고와 관련된 50여 개의 기술적 항목을 도출하고 보강하여 안전의 신뢰도를 더욱 높인 것으로 평가받고 있다. 최신형 원전은 노심이 용융되는 중대사고는 10만~100만 년에 1회 발생의 확률로 설계되고 대부분의 비정상 경우 인위적인 간섭을 배제하여 자연현상적으로 대처할 수 있도록 발전되었다. 원전의 부품은 기능적인 문제가 있으면 인간이 만든 다른 기계나 도구처럼 반드시 교체한다. 원전은 인간이 개발한 가장 안전한 시스템이라는 것을 과학과 기술이 인정하고 있다. 안전과 관련된 이슈는 사고 결과의 규모 문제가 아니라 사고 그 자체이다. 작은 사고나 큰 사고 모두 안전의 문제이다. | ||
==장점== | ==장점== | ||
| + | * '''에너지 안보''' | ||
| + | 에너지 안보는 에너지의 중단 없는 확보이다. 에너지 안보는 에너지 공급방법의 기술성, 에너지 공급 안정성, 품질, 연료 확보 용이성 등에 크게 영향을 받을 수 있다. 따라서 한 국가가 당면할 수 있는 대내외적 환경의 변화에도 불구하고 필요한 에너지가 우수한 품질로 안정적이며 지속적으로 공급될 때 에너지 안보가 확보된다고 한다. 또한 에너지 공급기술(방법) 및 에너지 생산에 필요한 연료 확보가 대내외 환경에 의존적이거나 에너지 생산에서 차지하는 연료의 역할 비중이 높으면 에너지 안보를 크게 낮추게 된다. 따라서 에너지 공급 기술의 독립성과 자립도가 매우 높아야 하며 연료 확보의 환경 의존성이 매우 낮아야 에너지 안보는 확실해진다. 1000MW 발전소 연간 연료 소요량은 원자력발전소의 발전단가에서 연료비가 차지하는 것은 10% 전후이며 연료 소요량 또한 화석연료에 비할 바가 아닐 정도로 적다. 이는 석탄 화력 대비 우라늄의 에너지 밀도가 엄청나게 크기 때문이다. 우라늄 1g은 석탄 3톤과 같은 양의 에너지를 생산한다. 에너지 밀도가 크기 때문에 국가 비상시를 대비한 연료 비축도 훨씬 쉽고 비용도 적게 든다. 또한 우라늄의 가격 변동은 화석연료에 비하여 상대적으로 적으며 연료비 비중이 작기 때문에 가격이 오르더라도 전력 단가에 미치는 영향이 적다. 우리나라 연간 에너지원 수입에서 차지하는 비중은 매우 미미하고 2015년에는 에너지 수입액 1,027억 불의 0.8%이다. 우리나라 경우 우라늄 연료의 장기 수급 프로그램을 통해 10년 이상 수요를 확보해 두고 있다. 나아가 원자력발전기술을 완전히 자립하여 국내 수요를 스스로 공급하고 있으며 2010년 12월 UAE에 우리가 개발한 원자로를 공급함으로써 기술 수준은 세계적이다. 우리의 원자력에 의한 에너지 안보의 우수성을 확인할 수 있는 명확한 증거이다. | ||
| + | * '''친환경성''' | ||
| + | 기후변화에 영향을 끼치는 대표적인 온실가스는 이산화탄소(CO2)이다. 따라서 CO2 배출량이 친환경성의 척도로 간주되고 있다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 원자력발전의 CO2 배출량은 단위 전력(kWh) 생산 당 석탄발전의 약 1/1000에 불과하며, 태양광의 1/5 수준, 풍력과 유사한 수준이며 수력발전 다음으로 적다. 원자력발전의 CO2 배출은 우라늄 채광, 정광, 전환, 연료 제조 등의 공정에서 발생되는 배출량으로 발전 중에는 배출이 제로이며 또한 석탄발전과 달리 미세먼지 방출도 제로이다. 원자력발전은 어느 발전 에너지원보다 친환경적이며 기후변화에 대응할 수 있는 최선의 에너지원임을 알 수 있다. 파리기후변화협약(COP21, 2015. 12)에 따라 우리나라는 2030년까지 온실가스 배출 전망치(BAU) 대비 37%의 온실가스를 감축해야 한다. 에너지 생산,이용의 부문(발전, 산업, 수송, 상업, 가정 등) 중 특히 발전 부문에서 CO2 배출 감축량 부담이 가장 커서 원자력발전의 중요성이 더욱 부각되고 있다. | ||
| + | * '''경제성''' | ||
| + | 타 발전원과 비교하여 원자력발전의 장점을 정량적으로 가장 확실하게 확인할 수 있는 비교인자가 전기 값의 가격 경제성이다. 2015년 원자력의 발전원가는 55원/kwh로 두 번째로 원가가 싼 유연탄의 83% 수준이며 가장 비싼 태양광의 23% 수준이다. 이는 원자력발전 운영에서 연료 비중이 10% 이내이며 우라늄 가격도 매우 낮은 수준으로 안정되어 있기 때문이다. 원자력발전의 사회적인 외부비용은 최소 약 6원/kwh에서 최대 28원/kwh로 추정된다. 나아가 원자력발전소 운전은 고장 등을 제외하고는 외부 요소에 의한 영향을 전혀 받지 않고 전기를 안정적으로 공급할 수 있으므로 경제성 확보가 매우 우수하다. 고장 등으로 인한 우리나라 원자력발전소의 불시 정지 횟수는 평균 0.3회/년으로 세계에서 가장 낮다. | ||
==단점== | ==단점== | ||
| + | * '''방사선피폭''' | ||
| + | 원자력 에너지 이용에서 편익과 불편의 양면성을 가진 것이 방사선 이슈이다. 핵분열로 생성되는 다양한 핵분열파편들은 아주 높은 방사능을 가지고 있다. 원자력발전소가 정상상태일 때는 이들 핵분열파편들은 핵연료에서 빠져나올 수도 없고 철저하게 방호 및 차폐되므로 피폭에 대한 염려가 전혀 없다. 그러나 후쿠시마 원자력발전소 중대사고와 같이 핵연료가 용융되고 방어 및 차폐 수단이 상실될 경우에는 엄청난 양의 방사성물질과 강력한 방사선이 환경으로 방출될 수 있다. 즉 방사선 피폭 문제가 발생할 수 있는 것이다. 핵분열에서 나오는 원자력 에너지를 이용하자면 방사선 피폭 문제가 발생하지 않도록 철저하고 안전한 조치가 이루어져야 하므로 원자력 이용의 한 단점으로 인식되고 있다. 그러나 에너지가 낮은 방사선으로 의학적 진단, 치료, 비파괴검사 등 공업적 이용, 품종개량이나 멸균과 같은 농·생명학적 이용으로 많은 혜택을 보고 있다. | ||
| + | * '''붕괴열''' | ||
| + | 핵분열로 생성된 핵분열 생성물들은 높은 방사능을 가진 방사성물질들로 방사붕괴를 하면서 많은 방사선(α, β, γ선 등)을 방출한다. 이들 방사선들의 운동에너지는 핵연료 내부에서 운동마찰로 열에너지로 전환된다. 원자로가 정지되어 핵분열이 일어나지 않아도 운전 정지 전에 이미 생성된 핵분열파편들은 안정된 원소로 변환될 때까지 방사붕괴를 하므로 계속해서 열이 발생하는 것이다. 이를 붕괴열이라 하는데 붕괴열은 최대 원자로 정격출력의 ~7%에 이르고 시간에 따라 급격하게 줄어든다. 그러나 만일 붕괴열을 냉각을 통해 노심에서 제거하지 않으면 엄청난 열이 누적되어 핵연료 피복재를 녹이고 궁극적으로 핵연료 자체를 녹이는 용융 상태로 만들 수 있다. 바로 후쿠시마원전의 사고가 되는 것이다. 따라서 원자로 운전이 정지되어도 붕괴열을 지속적으로 제거하여 원자로를 일정 온도 이하로 유지시켜야 한다. 붕괴열의 문제가 원자로의 안전과 직결되는 단점이라 할 수 있다. | ||
| + | * '''방사성폐기물''' | ||
| + | 원자력 에너지를 이용하는 과정(연료 물질 취급, 發電, 진단·치료, 산업 이용, 연구 등)에서 발생하는 방사성폐기물을 관리하는 문제가 가장 큰 단점으로 지적되고 있다. 인체 및 환경에 심각한 위해를 끼칠 수 있는 방사선을 방출하기 때문이다. 특히 고준위 방사성폐기물로 구분되는 사용후 핵연료(SNF, Spent Nuclear Fuel)관리가 핵심과제로 SNF의 방사능이 자연의 천연우라늄 수준으로 감소하는데 약 10만 년 이상이 걸릴 정도로 높은 방사선을 방출하기 때문이다. 또한 사용후 핵연료가 방출하는 핵분열 생성물들의 방사붕괴로 인한 붕괴열은 처분장 크기를 결정하는 핵심 인자이다. 현재 사용후핵연료를 안전하게 처리, 저장, 처분하기 위한 관리 기술 개발과 처분 부지 확보에 국가적 노력이 진행되고 있다. 중·저준위 방사성폐기물은 원자력 에너지 이용과정에서 많은 양이 발생한다. 이들은 고화, 압축 등의 특별한 공정을 거쳐 용기에 담아 경주의 중·저준위 방사성폐기물 처분장에 저장, 처분된다. 경주 중·저준위 방사성폐기물 처분장은 200리터 규모 용기 10만 드럼 저장·처분에 58,000㎡의 면적이 소요되었으며 향후 70만 드럼까지 저장, 처분하는데 총 0.406k㎡ 면적이 필요한 것으로 분석되고 있다.<ref>〈[https://atomic.snu.ac.kr/index.php/%EC%9B%90%EC%9E%90%EB%A0%A5%EC%9D%98_%EC%9E%A5%C2%B7%EB%8B%A8%EC%A0%90 원자력의 장·단점]〉, ''Atomic Wiki''</ref> | ||
==사고== | ==사고== | ||
| + | 1979년 3월 28일 스리마일섬 원자력 발전소에서 운전원의 조작 부주의로 인하여 냉각수의 공급이 중단되는 바람에 노심용융 사고가 발생했다. 불행 중 다행히도 원자로 주위에 두꺼운 차폐막하고 격납용기가 둘러 있었으며 비상노심냉각장치가 자동으로 작동했기 때문에 체르노빌보다는 피해 규모가 작긴 했지만 원자력 종주국으로서의 이미지에 먹칠을 한 꼴이 되고 말았다. | ||
| + | |||
| + | 1986년 4월 26일 소비에트 연방의 체르노빌 원자력 발전소의 경우, 가동 실험 중 원자로를 제어하지 못하는 상황이 발생하여 노심용융이 발생했다. 체르노빌 원자력 발전소의 기종인 RBMK에는 스리마일하고는 달리 두꺼운 차폐막하고 격납용기가 없었으며 당시 운전원들이 실험을 하기 위해 비상노심냉각장치를 일부러 꺼 놓은 상태였기 때문에 스리마일보다 피해가 더 컸으며 당시 원자로 화재를 진압하기 위해 헬기로 원자로 주위에다 콘크리트도 쏟아붓고 액체질소를 사용하여 진압하는 등 갖은 수단과 방법을 모두 동원했는데도 불구하고 화재진압에만 무려 14일이나 걸렸다. 당시 사태 수습에 나섰던 공익근무요원들하고 화재진압에 나섰던 소방대원들까지 모두 핵물질에 피폭되어 사망하고 말았다. 게다가 화재진압에 사용되었던 헬기 등 군 장비 등은 모두 핵물질의 오염으로 인해 우크라이나 벌판에 방치되어 있는 상태다. | ||
| + | |||
| + | 2011년 3월 11일 동일본 지역을 중심으로 발생한 대지진과 쓰나미로 7등급 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고가 일어났다. 10만 명 이상의 피난 주민이 발생했으며 발전소 반경 20km 이내 피난구역에 살던 주민들은 이주했다. | ||
{{각주}} | {{각주}} | ||
| 26번째 줄: | 85번째 줄: | ||
* 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=570428&cid=46637&categoryId=46637 원자력발전]〉, 《네이버 지식백과》 | * 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=570428&cid=46637&categoryId=46637 원자력발전]〉, 《네이버 지식백과》 | ||
* "[https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power Nuclear power]", ''Wikipedia'' | * "[https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power Nuclear power]", ''Wikipedia'' | ||
| + | * 〈[https://www.knfc.co.kr/board;jsessionid=Cvrlox8uvGyjj4W3DPaRJ9JsXXmUCdWIoMul9ZFRPvbf1nGRpd94pnHCa6cjTTPm.pictor_servlet_engine2?menuId=MENU00518&siteId=null 원자력발전이란]〉, 《한전 원자력 연료》 | ||
| + | * 〈[http://itrs.hanyang.ac.kr/radiation/file/for%20youth/youth%20nuclear.htm 원자력과 원자력발전소]〉, 《한양대학교》 | ||
| + | * 이유진, 〈[https://www.mk.co.kr/news/special-edition/view/2011/03/172955/ (WEEKEND 매경) 원자력 발전 원리는 ?]〉, 《매일경제》, 2011-03-18 | ||
| + | * 고주망태, 〈[https://ppkpk.tistory.com/89 원자력 발전2(원자력 발전소 구조)]〉, 《티스토리》, 2016-10-26 | ||
| + | * 부분과 전체, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=2bfair&logNo=220071430842 원자로와 원자력발전]〉, 《네이버 블로그》, 2014-07-25 | ||
| + | * 〈[https://atomic.snu.ac.kr/index.php/%EC%9B%90%EC%9E%90%EB%A0%A5%EC%9D%98_%EC%9E%A5%C2%B7%EB%8B%A8%EC%A0%90 원자력의 장·단점]〉, ''Atomic Wiki'' | ||
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2021년 9월 2일 (목) 17:42 기준 최신판
원자력발전(Nuclear power, 原子力發電)은 화력발전에 사용되는 화석연료 대신 우라늄을 연료로 사용하고 우라늄의 핵분열 때 나오는 에너지로 증기를 발생시켜 터빈을 돌려 전기를 만든다.[1][2][3]
개요[편집]
원자력발전에서는 원자로가 화력발전의 보일러와 똑같은 역할을 하고 있으며 원자로는 우라늄 혹은 플루토늄이 핵분열하여 에너지를 낼 수 있도록 만들어진 특수 우라늄 보일러이다. 핵분열은 원자의 핵이 적어도 둘 이상의 핵으로 분열하는 현상을 말한다. 우라늄과 같은 원자번호가 높은 원소가 중성자를 흡수할 때 발생하며 이 과정에서 우라늄 핵은 분열하고 많은 양의 에너지와 2~3개의 중성자가 방출된다. 이 중성자가 다른 원자핵에 흡수되면 또다시 핵분열이 일어난다. 이렇게 연속적으로 핵분열이 일어나는 현상을 연쇄반응이라고 한다. 우라늄 1ｇ이 분열할 때는 석탄 3ｔ, 석유 9드럼(1,800L)이 완전히 연소되는 열을 낸다. 핵연료가 한번 장전되면 3~5년간 연소하며 이후 단계별로 핵연료를 교체한다. 원자로는 25㎝의 두꺼운 강철로 만들어 핵이 분열하면서 에너지를 뿜어내도 녹지 않는다. 원자로에는 핵연료뿐 아니라 물이나 흑연이 같이 들어간다. 범퍼카처럼 좌충우돌하는 중성자 속도가 너무 빠르면 핵분열이 일어나기 어렵기 때문에 감속재를 넣어 중성자 속도를 늦춰준다. 원자로 안에는 연료봉이 있고 연료봉 안에는 담배 모양의 팰릿이 수백 개 들어있다. 팰릿은 핵분열을 할 수 있게 농도를 높인 농축우라늄을 5ｇ씩 새끼손가락 크기로 만들어 고온처리한 것이다. 원자로에서 핵분열이 일어나면 연료봉 온도가 섭씨 2,000도 이상으로 달아오르고 이 열 때문에 원자로와 증기발생기를 연결하는 내부 관 온도가 320도까지 오른다. 뜨거워진 관이 증기발생기 안에 있는 물을 데우면 증기가 터빈을 돌리면서 발전한다. 원자로는 사용 목적에 따라 발전용 원자로, 연구용 원자로, 동력용 원자로, 다목적용 원자로 등으로 나뉘며 전기 생산 규모에 따라 대게 300MW 이하는 소형 원자로, 700MW 이하는 중형 원자로, 그 이상의 용량은 대형 원자로로 구분한다.
2021년 4월 21일 기준 전 세계 33개 국가에서 444기의 원자로가 운영 중에 있으며 총 설비용량은 394.1GW이며 국내는 24기가 있으며 용량은 23.2GW이다. 현재 전 세계적으로 가동되고 있는 상업용 원자력발전소는 미국이 개발한 가압경수로형과 비등경수로형, 영국에서 개발한 고온가스 냉각로형, 캐나다에서 개발한 가압중수로형, 그리고 차세대 원자로인 고속증식로 등이 있다. 우리나라에는 가압경수로(PWR; Pressurized Water Reactor)와 가압중수로(PHWR; Pressurized Heavy Water Reactor)가 있다. 가압경수로는 U-235의 함유율이 2~5% 정도 되는 저농축우라늄을 연료로 사용하고 냉각재와 감속재로는 물(경수)을 사용한다. 원자로 계통은 약 150기압 정도 가압되어 원자로 내에서 물이 끓지 못하도록 하고 있으며 고온으로 가열된 물은 증기발생기 내에서 열교환을 통해 급수를 증기로 만들어 준다. 열교환을 거친 물은 다시 원자내로 순환되어 가열된 후 증기발생기내의 관(tube)을 통과하는 과정을 반복한다. 우리나라는 월성원자력발전소를 제외한 모든 원자력발전소가 가압경수로형이다. 가압중수로는 천연우라늄을 연료로 사용하기때문에 운전 중에 연료를 교체할 수 있도록 설계되어 있으며 중수를 감속재와 냉각재로 사용하고 있다는 점외에는 가압경수로와 크게 다르지 않습니다. 우리나라의 월성원자력발전소가 가압중수로이다.[4][5][6]
역사[편집]
19세기 들어서면서 원소의 주기율표와 원자모형에 대한 이론이 발전하면서 물질의 구조에 대한 과학적 지식이 축적됐다. 이와 더불어 핵분열 전후에 발생하는 원자핵의 무게 차이 즉 결손된 질량만큼 에너지가 발생하게 되는 걸 발견하게 된다. 핵분열 에너지의 원리가 밝혀지자 원자력 관련 기술 개발에 불이 붙게 되었다. 엔리코 페르미(Enrico Fermi)가 이끄는 과학자들이 1942년 12월 2일 오후 3시 25분 시카고대학 운동장 지하에 설치한 "시카고 파일-1"(Chicago Pile-1)로 불리는 세계 최초의 원자로에서 핵분열 연쇄반응을 지속시킴으로써 원자력 시대를 열었다.
핵분열 방식을 이용한 전력 생산은 1948년 9월 미국 테네시주 오크리지에 설치된 X-10 흑연원자로에서 전구의 불을 밝히는 데에서 시작되었다. 그리고 1954년 6월에 구 소련의 오브닌스크에 건설된 흑연감속 비등경수 압력관형 원자로 발전소는 세계 최초로 대규모 전력 생산을 목적으로 하는 원자력 발전소로 지어졌으며 용량은 5MW였다. 최초의 상업용으로 기체인 이산화탄소를 냉각재로 사용하는 마그녹스원자로를 사용한 영국 셀라필드 원자력 단지에 위치한 콜더 홀(Calder Hall) 원자력 발전소로 1956년 10월 17일 상업 운전을 시작하였다.
원자로 구조[편집]
- 가압기(Pressurizer) : 핵 분열을 지속하는 원자로 속의 온도가 더 올라가지 않도록 고압 상태를 유지시켜준다. 냉각수가 끓지 않도록 150기압을 유지시켜준다. 냉각재의 완충 탱크 역할을 하며 운정 중에는 원자로 냉각재의 팽창 및 응축 공간을 제공하고 압력을 유지하여 이상 상태 시 압력 변동을 억제한다.
- 제어봉(Control Rod) : 핵연료의 반응도를 조절하는 관이다. 원자로의 노심에 넣었다가 뺐다가 하면서 핵연료의 반응속도를 조절한다. 보통 봉(棒)상으로 하여 노심에 삽입하기 때문에 제어봉이라고 한다. 열중상자를 잘 흡수하는 물질(붕소, 카드뮴 등)을 스테인리스강과 알루미늄으로 피복하여 만든다. 제어봉을 넣으면 핵분열을 일으키는 열중성자가 흡수되면서 반응도가 낮아지고 반대로 빼면 열중성자가 줄어들지 않기 때문에 반응도가 높아진다.
- 노심(Reactor Core) : 핵분열 반응이 일어나는 원자로 중심 부분이다. 핵연료와 감속재로 구성되며 그 사이를 냉각재가 통과한다.
- 펌프(Pump) : 냉각액을 원자로와 증기 발생기 사이에 순환시켜주는 부분이다.
- 급수(Feedwater) : 이 물이 증기로 바뀐다.
- 증기발생기(Steam Generator) : 터빈을 움직이기 위해 물을 증기로 바꿔주는 부분이다.
- 증기배출구(Steam Outlet) : 증기발생기에서 나온 증기를 터빈과 발전기로 이동시켜주는 부분이다.
- 콘크리트 방호벽(Concrete Shielding) : 사고가 났을 경우 방사성 물질을 막아주는 구조물이다.[7]
분류[편집]
- 가압수형 원자로(Pressurized water reactors, PWR)
이 원자로는 냉각재와 감속재로 고압의 물을 사용한다. 가압수형 원자로는 현재 대부분의 원자로를 차지하고 있으며 일반적으로 안전하면서 신뢰성이 높다고 간주하고 있다. 최악의 원자력 발전 사고 중에 하나인 스리마일 섬 원자력 발전소의 원자로(1979년도 스리마일섬 원자력 발전소의 노심이 용융하는 사고가 발생)가 이 노형이다. 가압수형 원자로는 열 중성자 반응로 설계를 따르고 있으며 새롭게 개발 중인 개량 가압수형 원자로(Advanced Pressurized Water Reactor)와 유럽형 가압수형 원자로 그리고 미국 해군에서 사용하는 원자로는 모두 이 형식에 들어간다.
- 비등수형 원자로(Boiling water reactors, BWR)
이 원자로는 물을 냉각재와 감속재로 사용하지만 가압수형 원자로처럼 압력을 가하지 않는다. 물은 원자로 안에서 끓게 되어 그 증기는 바로 터빈을 돌리므로 열효율이 다른 원자로보다 높으면서 구조도 간단하며 심지어 잠재적으로 안정적이다. 이 원자로는 현대에 지어진 원자로 중에서 많은 비중을 차지한다. 이 원자로도 또한 가압수형 원자로와 같이 열 중성자 반응로 설계를 따르고 있으며 새롭게 개량 비등수형 원자로(Advanced Boiling Water Reactor) 및 경제적인 간소화 비등수로 원자로(Economic Simplified Boiling Water Reactor)가 여기에 들어간다.
- 가압 중수로(Pressurized Heavy Water Reactor, PHWR)
이 원자로는 캐나다에서 디자인되어 보통 CANDU라고 한다. 이들 원자로는 가압수형 원자로하고 구조는 같으나 냉각재와 감속재가 중수라는 점이 다를 뿐이다. 가압수형 원자로의 커다란 압력용기 대신 가압중수로는 압력 튜브를 사용하여 연료를 집어넣는다. 이 원자로는 천연우라늄을 사용할 수 있으며 열 중성자 반응로의 설계를 따른다. 가압 중수로는 운전 중에 연료를 교환할 수 있으며 노심의 변화를 정확하게 제어할 수 있다. CANDU 가압 중수로는 캐나다, 아르헨티나, 중국, 인도, 파키스탄, 루마니아, 그리고 한국에 건설되어 있다.
- 흑연감속 비등경수 압력관형 원자로(Reaktor Bolshoy Moschnosti Kanalniy, RBMK)
이 원자로는 소련에서 디자인되었으며 전력뿐만 아니라 플루토늄도 생산할 수 있는 원자로이다. RBMK는 냉각재로 경수를 사용하고 흑연을 감속재로 사용한다. RBMK는 CANDU와 동일하게 PWR형의 압력용기 대신에, 압력 튜브를 사용한다는 점과 또한 운전 중에 연료를 교환할 수 있는 점에서 서로 닮아 있다. 그러나 CANDU와 다르게 RBMK는 매우 불안정하고 격납 건물이 없어서 사고가 나면 매우 위험해지는 단점이 있다. 체르노빌 사고 이후에 RBMK에 대한 여러 결점이 고쳐졌으나 RBMK 원자로는 일반적으로 세계에서 가장 위험한 원자로 디자인 중 하나에 들어간다. 체르노빌 원자력 발전소에서는 RBMK 원자로 4기가 있었고 모두 가동을 중단한 상태이다.
- 가스 냉각형 원자로와 개량 가스 냉각형 원자로(Gas-cooled reactor (GCR) and advanced gas-cooled reactor (AGR)
이 원자로는 일반적으로 흑연으로 감속하며 CO2를 냉각재로 사용한다. 가스 냉각형 원자로는 PWR과 비교할 만한 높은 열효율을 보여준다. 이 디자인으로 가동되는 원자로들은 이 디자인을 개발한 영국에서 많이 쓰이고 있다. 가스 냉각형 원자로의 예전 디자인(마그녹스 Magnox)은 멀지 않은 미래에 모두 가동을 중단하게 될 것이다. 그러나 마그녹스를 개량한 개량 가스냉각로는 10년에서 20년 동안 더 운전될 것이다. 가스 냉각형 원자로도 열 중성자 반응로의 설계를 따른다. 이 노형은 노심의 부피가 크기 때문에 폐로하는 비용이 비싸다는 단점이 있다.
- 액체 금속 냉각형 고속 증식로(Liquid-metal fast-breeder reactor, LMFBR)
이 원자로는 감속재가 없고 냉각재로 액체 금속을 사용한다. 그리고 소모한 연료보다 더 많은 연료를 만들어낸다. 이 원자로는 PWR의 여러 기능적인 부분과 많이 닮았으며 고압 격납용기가 필요하지 않다. 액체 금속은 압력을 가할 필요가 없으며 심지어 매우 뜨겁다. 프랑스의 슈퍼피닉스(Superphenix)와 미국의 페르미-1(Fermi-1)과 일본의 몬주 원자로가 이 형식을 사용하고 있다. 몬주(Monju) 원자로는 1995년도에 나트륨 유출 사건이 일어난 적이 있고 2008년 재가동을 승인받았다. 세 원자로는 액화 나트륨을 사용하고 있다. 이들 원자로는 빠른 중성자를 사용하며 열 중성자 반응로의 설계를 따르지 않으며 이들 반응로는 2가지 형태가 있다
- 납 냉각제(Lead-cooled)
납을 액체 금속으로 사용하는 건 우수한 방사선 차폐 효과와 더불어 높은 온도를 만들 수 있기 때문이다. 또한 납은 우수한 투명성을 지니고 있어서 열 중성자는 냉각재에서 없어져 버리고 냉각재는 방사능을 띠지 않게 된다. 나트륨과 다르게 납은 비활성이라 폭발이나 사고 위험성이 매우 적다. 그러나 많은 양의 납은 인체에 미치는 독성과 그 처분에 주의해야 한다.
- 나트륨 냉각제(Sodium-cooled)
대부분의 LMFBRs는 이 형식을 사용한다. 나트륨은 비교적 손에 얻기 쉽고 또한 작업하기에도 편하며 다른 원자로의 부분들이 부식되지 않도록 막아주는 역할도 한다. 그러나, 나트륨은 물과 반응하면 폭발하는 성질이 있기 때문에, 매우 조심스럽게 다뤄야 한다.
- 페블 베드 원자로(Pebble-bed reactors, PBR)
세라믹볼 안으로 몰딩한 연료를 사용하는데 그 볼을 통하여 가스를 순환시키게 된다. 그 결과 비싸지 않으면서 표준화된 연료에 효율적이고 낮은 유지 보수에 매우 안전한 원자로가 된다. 프로토타입은 AVR(독일어: Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor Reactor)이었다.
- 용융염 원자로(Molten salt reactors, MSR)
불화염(fluoride salts)에서 연료를 용해하거나 냉각제로 불화염을 사용한다. 이 원자로는 고효율에 고출력으로서 차량용으로 적합하다. 특히, 코어에 높은 압력이나 가연성 구성품이 없다.
- 수성 균질 원자로(Aqueous Homogeneous Reactor, AHR)
이 원자로는 냉각제와 중성자 감속재로 물에 용해된 핵염(nuclear salts)를 사용한다. [8]
안전성[편집]
원자력발전의 안전성은 어느 발전 방법과의 비교요소는 아니다. 굳이 안전성 문제를 들자면 후쿠시마 원전과 같은 중대사고가 발생했을 때 위 단점으로 지적한 방사선에 의한 인명과 환경에 대한 위험과 피해일 것이다. 100% 절대적 안전은 없다. 인간이 만든 모든 기계와 기기는 나름의 결점이 있지만 이용과정에서 결점으로 인한 경험을 반영하여 완전으로 발전해 나가는 것이다. 원자력발전소(원전)의 안전성 확보는 일반 기기를 만들 때 안전과 관련된 상황에 대한 가정과 대응하는 방법과는 다르다. 원전은 자연에서 발생할 수 있는 가정적인 심각한 요소를 허용할 수 있는 범위내로 반영할 뿐만 아니라 인위적인 오류에 대한 상황도 반영하여 설계, 건설, 운영한다.
후쿠시마 원전의 중대사고는 지진과 쓰나미라는 자연현상으로 발생했지만 궁극적으로는 원자로의 구조적인 결함(약점) 보강에 미흡하였고 발생 가능 상황에 대한 사전 대처에 소홀했던 인위적인 사고로 본다. 1986년의 체르노빌원전 사고도 안전성 확보를 위한 보호 수단(원자로 격납용기) 미비 등의 인위적인 오류 사고로 분류한다. 1979년의 미국 TMI 원전 2호기 사고는 발생할 수 있는 사고에 완벽하게 대처할 수 있는 수단이 정상적으로 기능하였기에 생명과 환경의 안전을 확보할 수 있었다. TMI2 원전 사고의 시스템적 대응 기능이 바로 원전 안전성의 핵심이라고 할 수 있다.
후쿠시마원전 사고 이후 국내 원전은 안전성 제고와 관련된 50여 개의 기술적 항목을 도출하고 보강하여 안전의 신뢰도를 더욱 높인 것으로 평가받고 있다. 최신형 원전은 노심이 용융되는 중대사고는 10만~100만 년에 1회 발생의 확률로 설계되고 대부분의 비정상 경우 인위적인 간섭을 배제하여 자연현상적으로 대처할 수 있도록 발전되었다. 원전의 부품은 기능적인 문제가 있으면 인간이 만든 다른 기계나 도구처럼 반드시 교체한다. 원전은 인간이 개발한 가장 안전한 시스템이라는 것을 과학과 기술이 인정하고 있다. 안전과 관련된 이슈는 사고 결과의 규모 문제가 아니라 사고 그 자체이다. 작은 사고나 큰 사고 모두 안전의 문제이다.
장점[편집]
- 에너지 안보
에너지 안보는 에너지의 중단 없는 확보이다. 에너지 안보는 에너지 공급방법의 기술성, 에너지 공급 안정성, 품질, 연료 확보 용이성 등에 크게 영향을 받을 수 있다. 따라서 한 국가가 당면할 수 있는 대내외적 환경의 변화에도 불구하고 필요한 에너지가 우수한 품질로 안정적이며 지속적으로 공급될 때 에너지 안보가 확보된다고 한다. 또한 에너지 공급기술(방법) 및 에너지 생산에 필요한 연료 확보가 대내외 환경에 의존적이거나 에너지 생산에서 차지하는 연료의 역할 비중이 높으면 에너지 안보를 크게 낮추게 된다. 따라서 에너지 공급 기술의 독립성과 자립도가 매우 높아야 하며 연료 확보의 환경 의존성이 매우 낮아야 에너지 안보는 확실해진다. 1000MW 발전소 연간 연료 소요량은 원자력발전소의 발전단가에서 연료비가 차지하는 것은 10% 전후이며 연료 소요량 또한 화석연료에 비할 바가 아닐 정도로 적다. 이는 석탄 화력 대비 우라늄의 에너지 밀도가 엄청나게 크기 때문이다. 우라늄 1g은 석탄 3톤과 같은 양의 에너지를 생산한다. 에너지 밀도가 크기 때문에 국가 비상시를 대비한 연료 비축도 훨씬 쉽고 비용도 적게 든다. 또한 우라늄의 가격 변동은 화석연료에 비하여 상대적으로 적으며 연료비 비중이 작기 때문에 가격이 오르더라도 전력 단가에 미치는 영향이 적다. 우리나라 연간 에너지원 수입에서 차지하는 비중은 매우 미미하고 2015년에는 에너지 수입액 1,027억 불의 0.8%이다. 우리나라 경우 우라늄 연료의 장기 수급 프로그램을 통해 10년 이상 수요를 확보해 두고 있다. 나아가 원자력발전기술을 완전히 자립하여 국내 수요를 스스로 공급하고 있으며 2010년 12월 UAE에 우리가 개발한 원자로를 공급함으로써 기술 수준은 세계적이다. 우리의 원자력에 의한 에너지 안보의 우수성을 확인할 수 있는 명확한 증거이다.
- 친환경성
기후변화에 영향을 끼치는 대표적인 온실가스는 이산화탄소(CO2)이다. 따라서 CO2 배출량이 친환경성의 척도로 간주되고 있다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 원자력발전의 CO2 배출량은 단위 전력(kWh) 생산 당 석탄발전의 약 1/1000에 불과하며, 태양광의 1/5 수준, 풍력과 유사한 수준이며 수력발전 다음으로 적다. 원자력발전의 CO2 배출은 우라늄 채광, 정광, 전환, 연료 제조 등의 공정에서 발생되는 배출량으로 발전 중에는 배출이 제로이며 또한 석탄발전과 달리 미세먼지 방출도 제로이다. 원자력발전은 어느 발전 에너지원보다 친환경적이며 기후변화에 대응할 수 있는 최선의 에너지원임을 알 수 있다. 파리기후변화협약(COP21, 2015. 12)에 따라 우리나라는 2030년까지 온실가스 배출 전망치(BAU) 대비 37%의 온실가스를 감축해야 한다. 에너지 생산,이용의 부문(발전, 산업, 수송, 상업, 가정 등) 중 특히 발전 부문에서 CO2 배출 감축량 부담이 가장 커서 원자력발전의 중요성이 더욱 부각되고 있다.
- 경제성
타 발전원과 비교하여 원자력발전의 장점을 정량적으로 가장 확실하게 확인할 수 있는 비교인자가 전기 값의 가격 경제성이다. 2015년 원자력의 발전원가는 55원/kwh로 두 번째로 원가가 싼 유연탄의 83% 수준이며 가장 비싼 태양광의 23% 수준이다. 이는 원자력발전 운영에서 연료 비중이 10% 이내이며 우라늄 가격도 매우 낮은 수준으로 안정되어 있기 때문이다. 원자력발전의 사회적인 외부비용은 최소 약 6원/kwh에서 최대 28원/kwh로 추정된다. 나아가 원자력발전소 운전은 고장 등을 제외하고는 외부 요소에 의한 영향을 전혀 받지 않고 전기를 안정적으로 공급할 수 있으므로 경제성 확보가 매우 우수하다. 고장 등으로 인한 우리나라 원자력발전소의 불시 정지 횟수는 평균 0.3회/년으로 세계에서 가장 낮다.
단점[편집]
- 방사선피폭
원자력 에너지 이용에서 편익과 불편의 양면성을 가진 것이 방사선 이슈이다. 핵분열로 생성되는 다양한 핵분열파편들은 아주 높은 방사능을 가지고 있다. 원자력발전소가 정상상태일 때는 이들 핵분열파편들은 핵연료에서 빠져나올 수도 없고 철저하게 방호 및 차폐되므로 피폭에 대한 염려가 전혀 없다. 그러나 후쿠시마 원자력발전소 중대사고와 같이 핵연료가 용융되고 방어 및 차폐 수단이 상실될 경우에는 엄청난 양의 방사성물질과 강력한 방사선이 환경으로 방출될 수 있다. 즉 방사선 피폭 문제가 발생할 수 있는 것이다. 핵분열에서 나오는 원자력 에너지를 이용하자면 방사선 피폭 문제가 발생하지 않도록 철저하고 안전한 조치가 이루어져야 하므로 원자력 이용의 한 단점으로 인식되고 있다. 그러나 에너지가 낮은 방사선으로 의학적 진단, 치료, 비파괴검사 등 공업적 이용, 품종개량이나 멸균과 같은 농·생명학적 이용으로 많은 혜택을 보고 있다.
- 붕괴열
핵분열로 생성된 핵분열 생성물들은 높은 방사능을 가진 방사성물질들로 방사붕괴를 하면서 많은 방사선(α, β, γ선 등)을 방출한다. 이들 방사선들의 운동에너지는 핵연료 내부에서 운동마찰로 열에너지로 전환된다. 원자로가 정지되어 핵분열이 일어나지 않아도 운전 정지 전에 이미 생성된 핵분열파편들은 안정된 원소로 변환될 때까지 방사붕괴를 하므로 계속해서 열이 발생하는 것이다. 이를 붕괴열이라 하는데 붕괴열은 최대 원자로 정격출력의 ~7%에 이르고 시간에 따라 급격하게 줄어든다. 그러나 만일 붕괴열을 냉각을 통해 노심에서 제거하지 않으면 엄청난 열이 누적되어 핵연료 피복재를 녹이고 궁극적으로 핵연료 자체를 녹이는 용융 상태로 만들 수 있다. 바로 후쿠시마원전의 사고가 되는 것이다. 따라서 원자로 운전이 정지되어도 붕괴열을 지속적으로 제거하여 원자로를 일정 온도 이하로 유지시켜야 한다. 붕괴열의 문제가 원자로의 안전과 직결되는 단점이라 할 수 있다.
- 방사성폐기물
원자력 에너지를 이용하는 과정(연료 물질 취급, 發電, 진단·치료, 산업 이용, 연구 등)에서 발생하는 방사성폐기물을 관리하는 문제가 가장 큰 단점으로 지적되고 있다. 인체 및 환경에 심각한 위해를 끼칠 수 있는 방사선을 방출하기 때문이다. 특히 고준위 방사성폐기물로 구분되는 사용후 핵연료(SNF, Spent Nuclear Fuel)관리가 핵심과제로 SNF의 방사능이 자연의 천연우라늄 수준으로 감소하는데 약 10만 년 이상이 걸릴 정도로 높은 방사선을 방출하기 때문이다. 또한 사용후 핵연료가 방출하는 핵분열 생성물들의 방사붕괴로 인한 붕괴열은 처분장 크기를 결정하는 핵심 인자이다. 현재 사용후핵연료를 안전하게 처리, 저장, 처분하기 위한 관리 기술 개발과 처분 부지 확보에 국가적 노력이 진행되고 있다. 중·저준위 방사성폐기물은 원자력 에너지 이용과정에서 많은 양이 발생한다. 이들은 고화, 압축 등의 특별한 공정을 거쳐 용기에 담아 경주의 중·저준위 방사성폐기물 처분장에 저장, 처분된다. 경주 중·저준위 방사성폐기물 처분장은 200리터 규모 용기 10만 드럼 저장·처분에 58,000㎡의 면적이 소요되었으며 향후 70만 드럼까지 저장, 처분하는데 총 0.406k㎡ 면적이 필요한 것으로 분석되고 있다.[9]
사고[편집]
1979년 3월 28일 스리마일섬 원자력 발전소에서 운전원의 조작 부주의로 인하여 냉각수의 공급이 중단되는 바람에 노심용융 사고가 발생했다. 불행 중 다행히도 원자로 주위에 두꺼운 차폐막하고 격납용기가 둘러 있었으며 비상노심냉각장치가 자동으로 작동했기 때문에 체르노빌보다는 피해 규모가 작긴 했지만 원자력 종주국으로서의 이미지에 먹칠을 한 꼴이 되고 말았다.
1986년 4월 26일 소비에트 연방의 체르노빌 원자력 발전소의 경우, 가동 실험 중 원자로를 제어하지 못하는 상황이 발생하여 노심용융이 발생했다. 체르노빌 원자력 발전소의 기종인 RBMK에는 스리마일하고는 달리 두꺼운 차폐막하고 격납용기가 없었으며 당시 운전원들이 실험을 하기 위해 비상노심냉각장치를 일부러 꺼 놓은 상태였기 때문에 스리마일보다 피해가 더 컸으며 당시 원자로 화재를 진압하기 위해 헬기로 원자로 주위에다 콘크리트도 쏟아붓고 액체질소를 사용하여 진압하는 등 갖은 수단과 방법을 모두 동원했는데도 불구하고 화재진압에만 무려 14일이나 걸렸다. 당시 사태 수습에 나섰던 공익근무요원들하고 화재진압에 나섰던 소방대원들까지 모두 핵물질에 피폭되어 사망하고 말았다. 게다가 화재진압에 사용되었던 헬기 등 군 장비 등은 모두 핵물질의 오염으로 인해 우크라이나 벌판에 방치되어 있는 상태다.
2011년 3월 11일 동일본 지역을 중심으로 발생한 대지진과 쓰나미로 7등급 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고가 일어났다. 10만 명 이상의 피난 주민이 발생했으며 발전소 반경 20km 이내 피난구역에 살던 주민들은 이주했다.
각주[편집]
- ↑ 〈발전소〉, 《위키백과》
- ↑ 〈원자력발전〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ "Nuclear power", Wikipedia
- ↑ 〈원자력발전이란〉, 《한전 원자력 연료》
- ↑ 〈원자력과 원자력발전소〉, 《한양대학교》
- ↑ 이유진, 〈(WEEKEND 매경) 원자력 발전 원리는 ?〉, 《매일경제》, 2011-03-18
- ↑ 고주망태, 〈원자력 발전2(원자력 발전소 구조)〉, 《티스토리》, 2016-10-26
- ↑ 부분과 전체, 〈원자로와 원자력발전〉, 《네이버 블로그》, 2014-07-25
- ↑ 〈원자력의 장·단점〉, Atomic Wiki
참고자료[편집]
- 〈발전소〉, 《위키백과》
- 〈원자력발전〉, 《네이버 지식백과》
- "Nuclear power", Wikipedia
- 〈원자력발전이란〉, 《한전 원자력 연료》
- 〈원자력과 원자력발전소〉, 《한양대학교》
- 이유진, 〈(WEEKEND 매경) 원자력 발전 원리는 ?〉, 《매일경제》, 2011-03-18
- 고주망태, 〈원자력 발전2(원자력 발전소 구조)〉, 《티스토리》, 2016-10-26
- 부분과 전체, 〈원자로와 원자력발전〉, 《네이버 블로그》, 2014-07-25
- 〈원자력의 장·단점〉, Atomic Wiki
같이 보기[편집]
