원자력발전

원자력발전

원자력발전(Wind 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.

개요

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.

참고자료

• 〈발전소〉, 《위키백과》
• 〈원자력발전〉, 《네이버 지식백과》
• "Nuclear power", Wikipedia

같이 보기

• 화력발전
• 화석연료
• 우라늄
• 발전
• 발전기

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