원자력 발전의 원리

원자력 발전의 원리

 

 

 

태양열 발전을 제외한 대부분의 발전원리는 풍차와 같다. 풍차의 큰 날개와 같은 터빈이 빠르게 돌면서 나오는 힘으로 전기를 만들어낸다. 원자력발전소는 터빈을 돌리는 힘을 원자핵에서 얻는다. 원자핵은 어떻게 에너지를 낼까. 모든 물질의 바탕이 되는 원자들은 안정해지려는 경향이 있다. 우라늄이나 플루토늄처럼 핵이 무거운 원자는 안정해지기 위해 자연상태에서 계속 분열한다.

원자핵이 분열할 때는 2~3개의 중성자와 많은 에너지가 나온다. 이 중성자가 또 다른 원자핵과 부딪쳐 다른 중성자와 에너지를 쏟아낸다. 이런 핵분열이 반복되면서 거대한 에너지가 발생하는데, 이것이 원자력이다. 우라늄 1ｇ이 분열할 때는 석탄 3ｔ, 석유 9드럼(1800ℓ)이 완전 연소되는 열을 낸다. 간단하게 말하면 우라늄이 마구 분열하면서 내는 열로 물을 끓이고 여기서 발생하는 증기로 터빈을 돌려 전기를 만들어내는 것이다.

1ｇ만으로도 석탄 300만배의 열을 내는 우라늄을 안전하게 다루기 위해서는 고온의 열도 버텨내는 강한 `보일러 통`이 필요하다. 이 보일러 통 역할을 하는 것이 원자로다. 원자로는 25㎝의 두꺼운 강철로 만들어 핵이 분열하면서 에너지를 뿜어내도 녹지 않는다. 원자로에는 핵연료뿐 아니라 물이나 흑연이 같이 들어간다. 범퍼카처럼 좌충우돌하는 중성자 속도가 너무 빠르면 핵분열이 일어나기 어렵기 때문에 감속재를 넣어 중성자 속도를 늦춰준다.

원자로의 구조는 큰 인형 안에 작은 인형이 계속 들어가는 러시아 인형 마트료시카를 상상하면 된다. 원자로 안에는 연료봉이, 연료봉 안에는 담배모양의 팰릿이 수백 개 들어있다. 팰릿은 핵분열을 할 수 있게 농도를 높인 농축우라늄을 5ｇ씩 새끼손가락 크기로 만들어 고온처리한 것이다.

이 원자로에서 핵분열이 일어나면 연료봉 온도가 섭씨 2000도 이상으로 달아오르고, 이 열 때문에 원자로와 증기발생기를 연결하는 내부 관 온도가 320도까지 오른다. 뜨거워진 관이 증기발생기 안에 있는 물을 데우면 증기가 터빈을 돌리면서 발전한다. 일종의 `중탕`원리다. 발전소에서 터빈을 돌리고 나온 증기는 찬 바닷물을 초당 50~60ｔ씩 이용해 냉각시킨 후 물로 만들어 다시 증기발생기로 돌려보낸다. 냉각에 사용한 바닷물은 들어오기 전보다 온도가 7도 올라가지만, 방사성 물질이 없기 때문에 다시 바다로 배출한다.

모든 발전 과정이 안전하게 진행되려면 핵연료가 만드는 에너지가 밖으로 새지 않아야 한다. 핵분열 과정에서 나오는 다량의 방사선을 사람이 직접 쐬게 되면 방사선량에 따라 구토와 두통을 일으키거나 심할 경우 사망에 이를 수 있다. 연료를 채운 핵연료봉이 촘촘히 담긴 원자로에는 제어봉 20개가 들어갈 자리를 비워둔다. 비상시 제어봉을 원자로에 삽입하면 제어봉이 중성자를 흡수해 핵분열 속도가 늦어진다.

원전 설계 시 이런 시스템이 제대로 작동되지 않을 경우를 대비해 방호벽을 설치한다. 우리나라 원자력발전소는 방사선을 잘 가둘 수 있도록 5겹의 방호벽을 설치했다. 첫 번째 방호벽은 담배 모양의 연료 팰릿. 핵분열에 의해 생기는 방사성 물질을 가두는 산화 우라늄 금속 물질이다.

만약 팰릿이 부서지면 팰릿다발을 싸고 있는 연료피복관이 두 번째 방호를 맡는다. 연료피복관은 열과 방사선 부식에 강한 지르코늄 합금으로, 연료 팰릿에서 샐 수 있는 소량의 기체 방사성 물질도 밀폐시킨다. 연료피복관 밖을 둘러싸는 원자로 용기는 배관에 의한 방사성 물질이 누출되지 않도록 하고, 원자로 용기가 부서진 상황에서는 원자로 건물 내벽의 강철판이 방사성 물질을 가둔다. 만일 최악의 상황이 발생해 원자로 건물 내벽까지 모두 손상된 경우 원자력 사고를 막는 마지막 안전장치는 원자로 건물 외벽이다. 원자로 건물 외벽은 120㎝ 두께 철근 콘크리트로 둘러쳐져 건물 밖으로 방사성 물질이 새지 않도록 설계됐다. 

매경신문에서 발췌 김남식