원자력발전소

고리원자력발전소(古里原子力發電所, Kori Nuclear Power Plant)

원자력발전소(Nuclear power plant, NPP, 原子力發電所) 혹은 핵발전소(核發電所)는 원자력을 이용하여 발전을 하는 발전소이다. 물을 끓여 생성되는 수증기를 이용해서 터빈을 돌려 전기를 생산한다는 점에서는 화력발전소하고 기본 원리는 유사하지만 화력발전소의 경우 석탄, 가스, 석유 등 화석연료를 태워서 물을 끓이는 반면 원자력 발전에서는 핵분열에서 나오는 에너지를 이용해 물을 끓인다는 점에서는 발전 방식만 다르다. 줄여서 원전(原電)이라고도 한다.

개요

원자력발전소는 핵분열을 이용해서 발전하는 발전소를 말한다. 화력발전은 온실가스의 배출이 많지만 원자력 발전은 온실가스의 배출이 거의 없어 친환경에너지라고 한다. 에너지 효율면에서도 1그램의 우라늄으로 석탄 3톤, 석유 9드럼에 해당하는 열량을 낼 수가 있으므로 화력보다 에너지 효율이 높다. 하지만 발전과정에서 불가피하게 발생하는 핵물질 및 방사성 폐기물에서는 최소한 수백 년에서 수천 년 동안 위험한 방사성 물질이 뿜어져 나오기 때문에 아주 엄격하게 관리해야 한다. 현재 사용되는 연료로는 우라늄 235를 농축시킨 농축 우라늄과 천연 우라늄 등을 사용한다. 현재는 플루토늄을 우라늄과 같이 혼합한 혼합 산화물 연료(MOX 연료)가 시험 중에 있다.

원자력발전소는 방사능과 매우 밀접한 관계가 있고 사고가 나면 주변의 막대한 영역이 방사성 물질에 오염된다. 그러나 시설을 엄청나게 크게 만들 수 있고 안정적인 연료 수급만 가능하다면 kW당 발전 원가가 다른 발전소에 비해 적고 안정적으로 많은 전력을 공급할 수 있기에 여러 국가에 건설되어 있다. 원자력발전소의 전력 비중은 전 세계적으로 약 14~15%로 2015년 가장 많이 차지하는 국가는 프랑스로 76.3%를 차지하고 있으며 대한민국은 31.7%의 전력을 충당하고 있다. 전 세계에서 가장 많이 원자력 발전소를 운영하는 회사는 EDF로 영국, 프랑스 다 해서 혼자서만 78개의 원자로를 가동하고 있다. 2020년 세계에는 총 445개의 가동 중인 상업 발전 원자로가 있고 2019년 1년간 2657TWh의 전력을 생산했다. 실제 가동률은 70% 전후 가량이고 전 세계 상업 발전 전력의 약 10% 가 원자력으로 생산되며 이는 원자력발전소 1기당 연간 약 6TWh, 하루에 16.4 GWh이다. 1초당 전력으로는 680MW 상당하고 에너지로는 연간 21,500GJ(기가주울), 1일당 59GJ이다. 미국 가구 기준 연간 11.7 MWh으로는 약 50만 가구, 세계 기준 가구당 연간 3.5 MWh으로는 170만 가구에 전력을 공급할 수 있다. 원자력 발전소 에너지 단가는 메가와트시 (MWh) 당 $97-$136 정도이며 태양광은 $50-$60/MWh, 육상풍력은 $32-$62/MWh, 해상풍력은 $82-$155/MWh 정도이다.

원리

원자로에서 중성자가 우라늄같이 무거운 원자와 충돌하여 원자핵이 분열되고 2~3개의 중성자가 방출된다. 이 방출된 중성자들이 다른 원자들과 충돌하고 원자들의 중성자가 방출되고 그 중성자들은 다시 더 많은 원자들과 충돌한다. 이러한 과정을 연쇄반응이라 하며 질량-에너지 동등성에 의해 우라늄 원소가 핵분열을 진행하면서 잃은 질량만큼 막대한 열에너지가 발생해 원자로가 가열된다.

냉각수가 엄청난 열에너지를 품으면서 고온 고압의 수증기로 바뀌게 되고 이 수증기를 이용해 터빈을 돌려서 전기를 생산한다. 의외로 적지 않은 사람들이 착각하는 부분인데 원자력을 전기로 바로 바꾸는 것이 아니다. 원자력에서 열에너지를 얻고 그 열로 증기를 만들고 그 증기로 생기는 운동에너지로 터빈을 돌려 전기를 만드는 것이다. 에너지전환이 여러 단계 이루어지며 그 과정에서 손실되는 에너지 또한 분명히 있다. 열에너지를 얻는 과정 빼고는 화력발전과 원리가 똑같다. 차이점이라면 열에너지원이 불이 아니라 원자력이다.

구조

원자력발전소는 원자로와 터빈발전기 등의 핵심시설이 배치된 하나의 대형 구조물과 외부의 보조 시설로 구성된다. 가압경수형 원자력발전소는 원자로격납건물, 원자로보조건물 및 터빈건물로 이루어진 발전소 건물과 외부의 보조시설인 복합건물, 수처리건물, 비상발전기건물, 취수건물 및 냉각수 보관탱크들로 구성된다.

원자력발전소 구조

• 원자로 격납건물 : 두꺼운 철근콘크리트 건물로, 내부의 정중앙에는 원자로가 위치한다. 만일의 사고 시 방사성 물질의 외부 누출을 방지하는 최후방벽 역할을 한다.
• 원자로 용기 : 핵연료를 장전하여 연쇄적인 핵분열반응이 일어나도록 하는 탄소강 재질의 금속 압력용기이다.
• 가압기 : 원자로의 냉각수가 끓지 않도록 약 150기압의 고압 상태를 유지시켜준다.
• 증기 발생기 : 원자로에서 전달된 열을 이용하여 2차 계통의 냉각수를 가열하여 증기를 발생시키는 장치이다.
• 터빈/발전기 : 증기에너지를 전기에너지로 변환시킨다.
• 복수기 : 전기를 만들고 난 증기를 바닷물 또는 강물로 열교환 방식에 의해 냉각시켜 증기발생기로 다시 보낸다.
• 냉각재 펌프 : 원자로 냉각재를 순환시킨다.
• 원자로 보조건물 : 냉각재 계통의 운전을 지원하는 모든 보조계통들이 배치되는 격납건물 외부의 콘크리트 건물이다.
• 냉각탑 : 원전이 강이나 호수 옆에 설치되어 있는 경우 많은 양의 냉각수를 확보하는 것이 어렵다. 그런 대안으로 설치되어 있는 것이 바로 냉각탑인데 원자로의 열을 식히고 나서 그 냉각수의 열기를 순환시켜 재사용하는 설비다. 우리나라 모든 원전은 해안가 옆에 위치해 있어서 바닷물을 냉각수로 끌어다 사용하기 때문에 이런 냉각탑이 없다.

원자력발전소에는 약 200여 개의 각기 다른 기능을 가진 계통이 있습니다. 여기에는 사고를 사전에 예방하는 목적과 사고가 난다 하더라도 사고를 완화시켜주는 목적의 계통이 포함되어 있다. 그리고 방사선과 방사능 물질이 격납건물 외부로 방출되지 않도록 설계되어 있어 안전성을 확보하고 있다. 원자력발전소를 설계할 때는 동일 기능을 수행하는 기기나 계통들은 서로 다른 작동 원리를 갖도록 하거나 물리적으로 분리하여 배치함으로써 다중 영향 사건(화재 등)이 발생했을 때 설비들이 동시에 기능을 상실할 가능성을 최소화하도록 설계한다. 동일한 원인으로 인해서 2개 이상의 기기나 설비가 동시 또는 짧은 시간 내에 고장이 나거나 기능을 수행하지 못하는 경우를 공통원인고장이라고 하는데 이런 현상은 주로 부식, 피로, 마모와 같은 기기 내부의 원인, 보수‧시험 중의 인적 실수, 보수‧시험 등을 위한 절차서의 결함, 부적절한 설계 및 설계상의 오류, 습기‧온도‧진동 등과 같은 환경적 요인으로 발생한다.

참고자료

• 〈원자력 발전소〉, 《위키백과》
• 〈원자력 발전소〉, 《나무위키》
• 〈원자력 발전소〉, 《네이버 지식백과》
• "Nuclear power plant", Wikipedia

같이 보기

• 발전
• 원자력발전
• 우라늄
• 화력발전

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