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.

역사

미국에서 첫 연구와 논의가 시작되었으며 1951년 12월 20일 아이다호 국립연구소의 EBR-1에서 가능성을 타진하였다. 그러나 이전까지는 위험한 군용 기술 취급받았던 원자력은 1953년 12월 8일 아이젠하워 대통령이 UN 총회에서 연설한 평화를 위한 원자력 선언 이후 민간부문에서 평화적 이용이 공식화되었으며 이때를 원자력 발전의 효시로 본다. 최초의 전력망 송출은 1954년 6월 27일 소련의 과학도시이자 그 당시 비밀도시였던 오브닌스크 원자력발전소의 AM-1 (Атом Мирный, 로마자론 Atom Mirny. peaceful atom)이 해냈다. AM-1의 원자로 노형은 RBMK이다. 사실 RBMK도 여러 원자로 노형 중 제일 뛰어나다고 선정 받아 만들어진 원자로다. 그러나 오브닌스크는 과학적 목적이 크고 전력도 고작 6MW였다. 세계 최초의 상업적 목적을 달성한 원자력발전소는 또 미국이 아니고 영국의 콜더 홀 원자력발전소이다. 여기서 사용한 노형은 RBMK와 비슷한 마그녹스이다. 그러나 핵연료 재처리 단지 안에 건립되어 플루토늄 생산 목적이라는 것이 뻔히 보이는 원자로를 최초의 상업적 원자력발전소라 주장하기는 눈 가리고 아웅이라는 주장도 있다. 그래서 100% 상업적 원자력발전소는 미국의 쉬핑포트 원자력발전소라고 보기도 한다. 대한민국에선 박정희 대통령 재임 중 고리원자력발전소가 건설된 이후 지금까지 총 4곳의 원자력발전소가 건설되었으며 또한 삼척, 영덕에 추가 원자력 발전소 건립계획도 존재한다. 건립계획이 안 그래도 반대가 심한데 2011년에 일어난 후쿠시마 원자력발전소 사고 및 대한민국의 탈원전 때문에 추가 건립 논의는 중단되었다.

농축

천연 우라늄은 99%의 우라늄 238과 0.7 %의 우라늄 235를 포함하고 있다. 우라늄 238은 핵분열시키기 어려우므로 중수로를 제외한 다른 원자로들은 천연 우라늄을 농축하여 우라늄 235의 비율을 높이는 과정인 농축 과정이 필요하다.

참고자료

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

같이 보기

• 발전
• 원자력발전
• 우라늄
• 화력발전

이 원자력발전소 문서는 에너지에 관한 글로서 검토가 필요합니다. 위키 문서는 누구든지 자유롭게 편집할 수 있습니다. [편집]을 눌러 문서 내용을 검토·수정해 주세요.

산업 : 산업, 산업혁명, 기술, 제조, 기계, 전자제품, 정보통신, 반도체, 화학, 바이오, 건설, 유통, 서비스, 에너지 □■⊕, 전기, 소재, 원소, 환경, 직업, 화폐, 금융, 금융사, 부동산, 부동산 거래, 부동산 정책, 아파트, 건물, 토지 에너지 SMR • 가속운동 • 가시광선 • 가열 • 각속도 • 감마선 • 감속운동 • 강력 • 고압 • 고온 • 고전역학 • 관성력 • 관성모멘트 • 광선 • 광속 • 광전자 • 광전효과 • 광합성 • 기압 • 냉각 • 냉방 • 뉴턴 • 대류 • 대체에너지 • 동력 • 동력원 • 라디오파 • 마이크로파 • 마찰 • 마찰계수 • 마찰력 • 마찰에너지 • 만유인력 • 만유인력의 법칙 • 무중력 • 물리에너지 • 바이오에너지 • 발열 • 발열반응 • 발화 • 방사선 • 방열 • 베타선 • 복사 • 복사선 • 복사에너지 • 부력 • 불 • 블루에너지 • 빛 • 빛에너지 • 삼투압 • 생물에너지 • 석유에너지 • 석탄에너지 • 섭씨 • 소리에너지 • 소수력 • 속력 • 수력 • 수력에너지 • 수소에너지 • 수압 • 수열 • 수열에너지 • 수직항력 • 신생에너지 • 신에너지 • 신재생 • 신재생에너지 • 알짜힘(합력) • 알파선 • 압력 • 압축응력 • 약력 • 양극선 • 양자역학 • 에너지 • 에너지밀도 • 에너지보존법칙 • 에너지원 • 에너지 효율 • 엑스선 • 엔트로피 • 역반응 • 역파장 • 역학적 에너지(기계에너지) • 열 • 열대류 • 열량 • 열복사 • 열분해 • 열에너지 • 열역학 • 열전도 • 열전도도 • 열전도율 • 열절연 • 열팽창 • 열팽창계수 • 열효율 • 온도 • 온도차 • 왕복에너지 • 왕복운동 • 운동에너지 • 원운동 • 원자력 • 원자력에너지 • 위치에너지 • 음극선 • 응력 • 인공태양 • 인장응력 • 인화 • 입자선 • 자외선 • 자유낙하 • 작용 • 재가열 • 재생에너지 • 저온 • 저압 • 적외선 • 전기에너지 • 전도 • 전자기력 • 절대온도 • 정반응 • 정지에너지 • 조력 • 조력에너지 • 조류에너지 • 줄 • 줄의 법칙 • 중력 • 중력에너지 • 지열 • 지열에너지 • 직사광선 • 직선운동 • 진동 • 진동에너지 • 진자 • 진자운동 • 천연에너지 • 청정에너지 • 친환경에너지 • 칼로리 • 탄성 • 탄성에너지 • 태양 • 태양광 • 태양광에너지 • 태양에너지 • 태양열 • 태양열에너지 • 텐서 • 파동 • 파력 • 파력에너지 • 파워 • 파장 • 폐기물에너지 • 폭발 • 풍력 • 풍력에너지 • 풍압 • 항력(드래그포스) • 해양에너지 • 핵반응 • 핵분열 • 핵분열에너지 • 핵붕괴 • 핵에너지 • 핵융합 • 핵융합에너지 • 화력 • 화씨 • 화학 • 화학에너지 • 회전 • 회전수 • 회전에너지 • 회전운동 • 흡열 • 흡열반응 • 힘 발전 교류발전기 • 마이크로 수력발전 • 물레방아 • 박테리아 발전소 • 발전 • 발전기 • 발전소 • 발전효율 • 변전소 • 비상발전기 • 소수력발전 • 소수력발전소 • 소형모듈원전(SMR) • 수력발전 • 수력발전소 • 원자력발전 • 원자력발전소 • 조력발전 • 조력발전소 • 조류발전 • 조류발전소 • 지열난방 • 지열발전 • 지열발전소 • 직류발전기 • 태양광발전 • 태양광발전소 • 태양광패널 • 태양열발전 • 태양열발전소 • 파력발전 • 파력발전소 • 풍력발전 • 풍력발전소 • 풍차 • 해양 온도차 발전 • 핵융합발전 • 핵융합발전소 • 화력발전 • 화력발전소 • 회전축 연료 CNG • LNG • LPG • 가스 • 가스충전소 • 가연성 • 갈탄 • 개질수소 • 경유(디젤) • 경질유 • 고급휘발유 • 고압가스 • 고체연료 • 그레이수소 • 그린수소 • 기체연료 • 나무 • 난방연료 • 두바이유 • 등유 • 땔감 • 면세유 • 무연탄 • 무연휘발유 • 바이오 • 바이오가스 • 바이오디젤 • 바이오매스 • 바이오에탄올 • 바이오연료 • 방사성물질 • 배기가스 • 배출가스 • 번개탄 • 부생수소 • 분별증류 • 뷰테인(부탄) • 브라운수소 • 브렌트유 • 블루수소 • 석유 • 석유화학 • 석탄 • 셰일가스 • 셰일오일 • 수소 • 수소연료 • 수소전기 • 순도 • 숯(목탄) • 압축가스 • 액체연료 • 액화가스 • 역청탄 • 연료 • 연료첨가제 • 연료화 • 연비 • 연소 • 연탄 • 오일샌드 • 오일셰일 • 옥탄가 • 용해가스 • 원유 • 유사경유 • 유연탄 • 유연휘발유 • 윤활유 • 일반휘발유 • 장작 • 점화 • 정유 • 정제 • 조개탄 • 주입 • 중유 • 중질유(中質油) • 중질유(重質油) • 증류 • 질소산화물 • 천연가스 • 천연자원 • 친환경연료 • 코크스 • 타르 • 텍사스유 • 프로페인(프로판) • 합성경유 • 핵연료 • 혼유 • 혼합가스 • 혼합기체 • 혼합연료 • 화석연료 • 화재 • 휘발유(가솔린) 위키 : 자동차, 교통, 지역, 지도, 산업, 기업, 단체, 업무, 생활, 쇼핑, 블록체인, 암호화폐, 인공지능, 개발, 인물, 행사, 일반