원자력 발전의 원리
화력발전의 경우 석탄이나 석유, 가스를 이용하여 물을 끓이고 이때 발생되는 증기의 힘으로 터빈을 돌려 전기를 생산하게 됩니다.
원자력 발전도 물을 끓여 증기를 생산하여 발전하는 방법은 화력발전과 같으나 다른 점은 연료가 아닌 원자핵이 분열할 때 발생되는 열에너지로 발전을 한다는 것입니다.
우라늄 1g에서 방출되는 에너지는 석탄 3,000kg이나 석유 1,800ℓ에서 방출되는 에너지양과 같습니다.
원자력 발전의 원리에 대해 간단히 설명을 하자면 원자력 발전에 사용되는 물질은 우라늄인데 우라늄 원자핵에 중성자를 충돌시키면 우라늄은 방사성물질인 바륨, 크립톤, 세슘, 스트론튬, 제논과 같은 더 가벼운 원소로 분열되며 열에너지와 중성자를 방출하게 됩니다. 이때 방출된 중성자는 다시 주변에 있는 우라늄 원자핵에 충돌하게 되고 다시 열에너지와 중성자를 방출합니다.
이렇게 연쇄적인 핵분열을 통해 엄청난 열에너지가 발생하게 됩니다.
이렇 듯 핵분열 과정에서 원자로 내에 엄청난 열이 발생하기 때문에 원자로의 열을 식혀주기 위해 지속적으로 냉각수를 공급해줘야 합니다. 이처럼 충분한 냉각수의 공급이 필요하기 때문에 원자력 발전소가 대부분 큰 호수나 해안가에 건설되는 것입니다.
원자력 발전소 발전 방식
원자력 발전소의 발전 방식에는 비등형 경수로와 가압형 경수로가 있습니다.
비등경수로와 가압경수로는 터빈을 작동시키는 증기를 어디에서 만드는 가의 차이로 구분할 수 있습니다.
비등경수로는 원자로 내부에서 핵분열로 만들어진 열에너지를 바로 증기로 만들게 됩니다. 즉 증기발생기가 원자로 내부에 설치되어 있는 구조입니다.
반면 가압경수로는 가압기를 설치하여 약 150기압의 압력을 가해 물을 300℃ 이상에서도 액체 상태를 유지하게 한 뒤 이 물을 관로를 통해 증기발생기로 이동시켜 그 열로 원자로 밖 증기발생기에서 증기를 만들게 됩니다.
이런 차이점으로 인해 비등경수로(원자로 내부에서 물을 끓여 증기를 발생하는 방식)는 내부에 물이 절반, 수증기가 절반가량 차 있고 가압경수로(원자로 외부에 있는 증기발생기에서 증기를 발생하는 방식)의 내부는 물로만 구성되어 있습니다.
비등경수로는 가압경수로에 비해 설치 비용가 저렴하고 발전 효율이 더 좋은 장점이 있지만, 사고 발생 시 방사성 물질이 누출될 위험성이 더 크다는 단점이 있습니다.
현재 대한민국의 원자력 발전소는 안전을 위해 가압형 경수로 방식을 사용하고 있습니다.
한국 원자력 발전소(가압경수로)의 구조
1. 격납건물: 대부분 콘크리트로 강화된 강철로 만들어진 건물입니다. 이는 원자로와 관련 장비를 감싸고 격리함으로써 외부로부터의 물리적인 충격이나 영향을 최소화합니다. 또한, 원자로를 포함한 시설의 안전을 보장하기 위해 지진, 화재, 폭발 등과 같은 재해 상황에 대비하여 설계되어 있습니다. 돔 형태로 설계된 이유 또한 사고로 인해 수소와 같은 폭발성 가스가 발생될 경우 격납건물 내의 압력을 분산시키기 위함입니다.
2. 가압기: 원자로의 내부를 약 150기압의 높은 압력으로 일정하게 유지시키는 장비로 원자로 내에 있는 냉각수의 끓는점을 높여 냉각수가 약 320℃의 고온 상태로 증기발생기까지 이동할 수 있도록 돕는 역할을 합니다.
3. 제어봉: 중성자를 흡수하기 쉬운 은, 붕소, 카드뮴 등을 스테인리스강으로 감싸 만들어집니다. 제어봉을 원자로에 삽입하고 추출하는 방법으로 핵분열을 발생시키는 중성자 수를 제어하여 원자로의 출력을 조절하는 역할을 하게 됩니다. 즉, 제어봉을 삽입하게 되면 중성자를 흡수하여 우라늄 핵분열이 감소하게 되고, 반대로 추출하면 중성자 수가 많아져 핵분열이 증가하게 됩니다.
4. 원자로: 원자력 발전소의 핵분열이 발생하는 핵심 장치입니다. 원자로는 핵연료인 우라늄, 플루토늄 등의 핵연료를 사용하여 제어된 핵분열을 수행합니다. 핵분열은 연료 안의 핵원자를 분열시켜 열과 중성자를 발생시키는 과정입니다. 이때 발생된 열은 냉각수를 320℃의 고온으로 데워줍니다.
5. 냉각재 펌프: 냉각수가 원자로와 증기 발생기를 순환할 수 있도록 하는 장치로 원자로의 온도를 안정화시키는 역할을 하여 원자로의 과열을 방지합니다. 냉각제 펌프는 원자로의 과열을 방지하는 아주 중요한 역할을 하기 때문에 전기가 차단되는 비상시에는 외부발전기로 전기를 공급하여 계속 작동할 수 있는 구조로 되어 있습니다.
6. 물: 원자로 내의 물은 중성자가 원자핵에 부딪칠 때 감속을 시켜주는 감속재 역할과 원자로를 식혀주는 냉각제 역할을 하며, 증기발생기 내에서는 증기를 발생시키는 역할을 합니다.
7. 주급수 펌프: 증기발생기의 물을 순환시키는 역할을 합니다. 즉, 증기발생기를 통해 나온 증기가 터빈을 작동시키고 다시 물로 변하게 되면 주급수 펌프를 통해 증기발생기로 보내집니다.
8. 증기 발생기: 원자로 내부에서 고온으로 데워진 냉각수의 열을 전달받아 증기를 생성하고, 생성된 증기는 터빈을 구동하는 데 사용됩니다. 이 때 냉각수는 관을 타고 이동하기 때문에 증기발생기에 있는 물과 섞이지 않습니다.
9. 증기: 증기발생기를 통해 만들어진 증기는 터빈을 돌리는 데 사용됩니다.
10. 터빈: 증기 발생기에서 생성된 고온, 고압 증기를 이용하여 회전 운동을 발생시키는 기계입니다. 터빈은 회전 운동을 전기 발전기에 전달하여 전기 에너지로 변환합니다.
11. 전기 발전기: 터빈의 회전 운동에너지를 전기 에너지로 변환하는 기계입니다. 회전하는 터빈과 전기 발전기는 함께 작동하여 전기를 생산합니다.
12. 복수기: 복수기 내부에 관을 통해 차가운 물을 흘려보내고 이를 이용하여 터빈을 작동 시키는데 사용된 증기를 빠르게 물로 바꿔 주는 장치입니다. 만약 복수기가 없다면 증기가 물로 변환되는데 더 오랜 시간이 걸려 증기 발생기에 더욱 많은 물이 필요하게 됩니다.
13. 해수(온배수): 터빈을 작동시킨 증기로부터 열에너지를 흡수한 물로 배수 시 주변 해수의 온도를 높입니다.
14. 해수(취수): 터빈을 작동시킨 증기의 온도를 빠르게 낮추어 물로 변환시키기 위해 발전소 주변 해수를 사용합니다.