원자력 발전 - 원자력 발전

원자력발전은 큰 틀에서는 화력발전과 다르지 않다.

에너지원에서 나오는 열로 물을 끓이고 그 증기로 터빈을 돌려 에너지를 생산한다.

원자력발전과 화력발전의 차이는 그 에너지원이 무엇이냐의 차이이다. 화력발전은 화석연료이고, 원자력발전은 핵반응이다.

---

원자로 발전계통

1차 계통이 원자력 발전소하면 떠오르는 회색 콘크리트 건물(격납건물) 안에 있는 구조물이다. 1차 계통 밖의 발전하는 부분은 2차 계통이다.

발전계통을 2부분으로 나눈 것은 사고 발생 시 방사선 누출을 최소화하기 위한 것이다.

---

1차 계통

1차 계통은 핵분열을 통해 열을 만드는 부분이다.

 

1차 계통에서는 물을 냉각재로 사용한다. 이 냉각제는 원자로와 열교환기를 순환하며 핵반응으로 생긴 열에너지를 열교환기를 통해 2차 계통으로 연결해준다.

이 물은 가압기로 매우 고압의 상태로 유지되기 때문에 섭씨 100도가 넘는 온도에도 끓지 않고 액체상태로 유지될 수 있다. 이 덕분에 원자로 내부에서도 물은 끓지 않고 액체상태로 존재한다.

증기발생기에서 고온의 물(냉각수)가 2차 계통으로 열을 전달해주고 다시 원자로를 냉각시키려 원자로로 들어간다.

 

열교환기는 2차 계통과 1차 계통의 열을 교환하는 곳이다. 열을 잘 교환하려면 1차 계통과 2차 계통의 물이 닿는(섞이진 않는다) 면적이 최대한 커야 하므로 표면적을 최대화하기 위해 마치 융털처럼 U자형의 관이 수많이 달려있는 구조를 가지고 있다.

 

이 모든 1차 계통이 들어있는 격납건물은 발전기와 바깥세상을 격리하는 역할을 한다. 원자로를 지진, 침수 등으로부터 보호하고, 사고 발생 시 1차 계통에서 나오는 방사성 증기를 가두어둔다. 또한 만약 최악의 상황이 발생하여 원자로가 방사선이 누출되는 경우 방사선이 발전소 바깥으로 나가지 못하게 막고 폭발을 막는다.

---

2차 계통

2차 계통은 1차 계통에서 받은 열로 물을 끓여 발전을 하는 부분이다.

 

1차 계통에서 열을 받은 물(일반 물이며 방사능이 없다.)은 끓어서 증기가 된다. 증기가 된 물은 부피가 팽창하여 압력이 상승하기 때문에 터빈을 회전시킬 수 있다. 회전하는 터빈은 발전기를 통해 전기를 만든다.

 

터빈을 돌린 증기는 해수를 통해 냉각되어 다시 물로 변한다. 그리고 다시 1차 계통에서 열을 받아 이상의 과정을 계속한다.

---

방사선 차폐 방벽

원자로의 방사선은 절대 바깥으로 나와서는 안 된다. 따라서 원자로는 방사성 물질이 바깥으로 나가지 못하도록 5중 방호벽을 구축해 놓았다.

1차 방벽: 원전 연료 펠렛. 핵연료를 내장하고 핵반응의 생성물을 가둬둔다.

2차 방벽: 연료 피복관. 지르코늄 합금으로 이루어져 1차 방벽에서 새어 나온 기체 생성물을 가두는 역할을 한다.

3차 방벽: 원자로 용기. 20cm의 강철로 되어 방사선을 차폐한다.

4차 방벽: 6cm 철판. 철판으로 3차방벽을 뚫고 나온 방사선을 차폐한다.

5차 방벽: 1.2m의 철근콘크리트 건물. 방사선을 완전히 차폐하고 압력 상승, 원자로 폭발 시 피해를 최소화한다.

 

이때 2차 방벽의 지르코늄을 이용하는 이유는 지르코늄이 중성자 잘 흡수하지 않기 때문이다. 따라서 핵반응을 방해하지 않는다. 또한 높은 내식성과 더불어 차폐용 금속으로 적격이기 때문에 2차 방벽에 사용한다.

하지만 지르코늄이 섭씨 1200도 이상 가열되면 물과 산화되며 수소를 생산한다.

$\mathrm{Zr+2H_2O \rightarrow ZrO_2 + 2H_2}$

이 반응은 발열반응이기 때문에 이쯤 되면 냉각은 사실상 어렵다.

만일 이 반응으로 격납용기 내에 수소가 쌓이면 수소 폭발이 일어날 가능성이 있다. 실제로 후쿠시마 사고와 스리마일 사고가 수소 폭발로 발생하였다.