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원자력발전소
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.[1][2][3][4]
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.
- 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.[5]
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.
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
- 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.[6]
원자력발전소 안전성
원전사고
1979년 3월 28일 미국 펜실베이니아주 해리스버그 시에서 16km떨어진 도핀 카운티의 서스쿼해나 강 가운데 있는 스리마일섬 원자력 발전소에서 운전원의 조작 부주의로 인하여 냉각수의 공급이 중단되는 바람에 노심용융 사고가 발생했다. 불행 중 다행히도 원자로 주위에 두꺼운 차폐막하고 격납용기가 둘러 쌓여져 있었으며 비상노심냉각장치가 자동으로 작동했기 때문에 체르노빌보다는 피해 규모가 작긴 했지만 원자력 종주국으로서의 이미지에 먹칠을 한 꼴이 되고 말았다.[7]
1986년 4월 26일 현재의 우크라이나와 벨라루스 국경 근처 체르노빌에서 북서쪽으로 약 18 km 떨어진 곳에 위치한 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 쏟아 붓고 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.[8]
2011년 3월 11일 도호쿠 지방 9.0의 지진이 발생함에 따라 후쿠시마 제1 원자력발전소에서는 원전 안전을 위해서 자동으로 원자로 1-3호기가 긴급정지되었다. 4호기는 분해점검, 5-6호기는 정기검사로 발전정지 중이었다. 원자로 주변의 송전선로와 변전시설 등이 지진으로 인해 쇼트되거나 무너져내리면서 외부 전력이 차단되었다. 이에 원자로를 안전하게 정지 상태로 유지하는 데 필요한 안전계통에 전력을 공급하는 비상용 디젤 발전기가 1호기부터 6호기까지 모두 가동되었으며 운전 중이던 1~3호기의 노심에서 발생하는 열을 제거하기 위한 비상노심냉각계통이 정상적으로 작동하였다. 그러나 지진발생 약 50분 후 높이 15m(컴퓨터 분석은 높이 13.1m)의 지진 해일이 발전소를 덮쳤다. 발전소 설계 당시 예상했던 지진 해일의 높이 5m를 훨씬 초과하였다. 이에 지하에 설치된 비상용 디젤발전기가 침수되어 정지하였고 발전소 내의 모든 전기시설 역시 손상되었다. 후쿠시마 제1 원전은 원자로 안전을 위한 최소 전력마저도 없는 블랙아웃 상태에 빠졌고 이로 인해 원자로 냉각을 위한 냉각수 펌프 가동을 할 수 없게 되었다. 이에 따라 냉각수가 급속히 증발하여 원자로 내부 온도 및 압력이 상승하게 되었다. 결국 원전전원완전상실사고(Station Black Out, SBO)가 선언되었다. 이 사고로 인해 대기, 토양, 고인 물, 바다, 지하수에 방사성 물질이 누출되었다. 체르노빌 원자력 발전소 사고와 함께 국제 원자력 사고 등급(INES)의 최고 단계인 7단계, 즉 심각한 사고(Major Accident)를 기록하였다. 10만 명 이상의 피난 주민이 발생했으며 발전소 반경 20km 이내 피난구역에 살던 주민들은 이주했다.[9]
각주
- ↑ 〈원자력 발전소〉, 《위키백과》
- ↑ 〈원자력 발전소〉, 《나무위키》
- ↑ 〈원자력 발전소〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ "Nuclear power plant", Wikipedia
- ↑ 〈원자력발전 개념도〉, 《한전원자력연료》
- ↑ 〈원자력의 장·단점〉, Atomic Wiki
- ↑ 〈스리마일섬 원자력 발전소 사고〉, 《위키백과》
- ↑ 〈체르노빌 원자력 발전소 사고〉, 《위키백과》
- ↑ 〈후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고〉, 《위키백과》
참고자료
- 〈원자력 발전소〉, 《위키백과》
- 〈원자력 발전소〉, 《나무위키》
- 〈원자력 발전소〉, 《네이버 지식백과》
- "Nuclear power plant", Wikipedia
같이 보기
