원자력 발전소의 원료는 무엇인가요?
우라늄
우라늄 중에서 우라늄-235는 원자력 발전소의 전기 생산 원료로 쓴다. 경수로에 쓰이는 우라늄의 농도는 3~5% 정도이다. 이것은 우라늄 농도가 너무 높으면 핵분열이 활발해져 연쇄반응이 일어나서 원자로가 폭발하는 것을 방지하기 위해서이다. 그래서 원자력 발전소에서 쓰는 우라늄은 95.5%가 우라늄-238이고, 나머지 4.5%는 우라늄-235이다. 핵폭탄에 쓰는 우라늄은 99%가 우라늄-235이고 1%가 우라늄-238이다.
원자력 전지
원자력 전지(原子力電池)는 원자력을 이용하여 전력을 내는 전지를 말한다. 우주선이나 인공심장의 에너지원으로 사용된다. 일반 전지와는 달리 10-20년정도의 수명을 가진다.
원자력 전지는 크게 핵붕괴 과정에서 나오는 열을 이용하는 방법이나 광 입자를 활용하는 방법으로 나뉘어진다.
우선 열을 이용하는 방식은 기존 RTG 방식으로 핵붕괴 과정에서 나오는 열을 모터나 기타 부품 등을 이용해 사용한다.
반면 광 입자를 활용하는 방식에는 핵붕괴 과정에서 나오는 알파 혹은 베타 입자를 기존 태양전지의 반도체 접합에서 생기는 전압차가 생기는 원리를 이용하여 전기를 발전시킨다.
핵연료
모든 핵연료가 핵분열을 이용하는 원자로에 사용되는 것은 아니다. 플루토늄-238과 다른 원소들은 방사성동위원소 열전기 발전기에서 열원으로 사용되거나, 다른 원자력 전지의 에너지 원으로 사용된다. H (삼중수소)같은 가벼운 원소는 핵융합의 연료이기도 하다.
연구용 원자로
연구용 원자로는 대부분 열출력이 낮은 만큼 운전온도가 낮기 때문에 초기에는 알루미늄과 농축도 90% 이상의 우라늄합금연료를 사용했으나, 현재는 우라늄 농축도를 20%로 낮추면서 우라늄과 실리콘 합금으로 된 심재를 알루미늄피복으로 감싼 형태의 연료를 사용한다. 최근 핵연료의 성능을 높이기 위해 우라늄과 몰리브덴 합금 연료가 개발되고 있으며, 부산시 기장에 건설될 연구로에서는 우라늄-몰리브덴 합금을 연료로 사용할 예정이다. 한편, 감속재와 냉각재는 원자로의 특성 및 용도에 따라 중수, 흑연, 베릴륨 등 다양한 물질이 사용된다.
핵무기
핵무기는 우라늄-235가 90% 이상 고농도로 농축되어 있어, 순간적으로 수많은 핵분열이 일어나며 폭발한다. 이에 비해 원자력발전은 원자로에 우라늄-235가 3~5%만 농축되어 있어서 핵분열 서서히 진행될 수 있는 것이다.
원자력선
원자력은 차폐시설의 중량을 빼고도 대형이고 항속거리가 긴 선박용 동력에 적합하다. 평화목적으로는 대형탱커·여객선·광석운반선·포경모선·해양조사선·쇄빙선으로 이용되며, 군사적 이용으로는 항공모함, 전략 핵잠수함등이 이에 해당한다. 이 함선들은 가압수형 원자로를 사용하며, 작은 크기에도 많은 힘을 얻기 위해 20%이상 농축된 고농축 우라늄을 사용한다.열교환기에 의해 증기를 만들고 이 증기로 주기관인 터빈을 돌리는 구조로 되어 있다. 1954년에는 최초의 원자력선인 노틸러스(SSN-571 Nautilus)호가 미국에서 건조되었다. 미국의 제2호 원자력잠수함 시울프(Seawolf)호는 액체 나트륨을 사용하는 고속 증식로가 설치되어 있지만, 그 밖에는 거의다 가압수형 원자로를 사용하고 있다. 구소련에서는 1959년에 세계최초의 해상 원자력선인 쇄빙선 레닌호를 완성시켰다. 이것은 10만km(지구 2바퀴 반)를 항해하는 동안에 연료를 한번 교환한 기록을 가졌으며, 열출력 9만㎾인 가압수형 원자로 3기를 싣고 있다. 그 밖에 미국에서는 1962년 화물선 서배나(Savannah)호가 건조되었다. 원자력선에 사용되는 원자로는 크기·무게·차폐 등에서 육상의 것보다 엄격한 구조상의 제약을 받는다.
원자로 압력용기
원자로 압력용기 내부에는 서로 분리 가능한 내부구조물인 노심지지배럴(core support barrel)과 상부안내구조물(upper guide structure)이 설치되어 있다. 이 구조물들은 핵연료를 위아래에서 지지하며, 원자로 내부의 냉각재 순환유로를 형성하여 핵분열 시 발생하는 열을 적절히 흡수한다. 노심지지배럴은 원자로 압력용기 플랜지에 걸쳐 설치된다. 내부에는 핵연료 집합체를 장전할 수 있도록 하부지지 구조물과 노심슈라우드(core shroud)가 설치되어 있다. 냉각재가 노심의 하부로 흐르도록 원자로용기 내벽과 노심지지배럴 사이에 도넛 모양의 하향유로가 설치되어 있다. 또한 노심 상부에 설치된 상부지지 구조물은 핵연료 상단을 고정하고 제어봉 인출 시, 이를 지지하는 역할을 한다.
대한민국의 원자력 발전
중수로 핵연료 국산화 기술개발은 캐나다 핵연료 제품을 대상으로 모양을 본뜬 다음, 재료와 특성 등을 하나하나 분석해 설계하는 방법으로 진행했다. 1983년 핵연료 개발의 마지막 단계인 노내 핵연료 검증시험이 캐나다의 NRU 연구용 원자로에서 성공적으로 수행됨에 따라, 세계적으로 성능이 공인된 국산 핵연료가 개발되었다. 1984년 국산 핵연료가 최초로 월성원전에 장전되었으며, 1년 간의 노내 조사를 마치고 성능을 확인 한 후, 1987년 7월 양산 공장을 준공하여 월성원전의 핵연료 전량을 국산 핵연료로 대체했다.
핵연료
원자력 전지와 방사성 동위원소 전지는 방사성동위원소의 붕괴로 전력을 생산하기에 설명이 상호교환될 수 있다. 여기서 사용되는 방사성 동위원소는 낮은 에너지의 베타 입자 혹은 각기다른 에너지의 알파 입자를 방출한다. 낮은 에너지의 베타 입자는 제동복사로 인해 관통력이 높은 높은 에너지를 방출하기 때문에 이를 위해 차폐벽이 강력해야 한다. 현재 방사성 동위원소중 삼중수소, Ni, Pm, Tc등이 실험되었으며, Pu, Cm, Cm, Sr이 현재 사용되고 있다.
사용후핵연료
또한 핵분열을 통해 쪼개지며 생성된 원소를 핵분열 생성물이라 하며, 중수로 사용후핵연료의 경우 약0.8%, 경수로 사용후핵연료의 경우 5.6%를 차지하는데 초기 열 및 방사선 발생의 대부분을 유발한다. 그리고 사용후핵연료 내에는 아직도 연소되지 않고 남아 있는 대부분의 우라늄과 새로이 생성된 플루토늄을 함유하고 있어 이를 회수하여 다시 사용하는 방안이 논의되고 있다.
핵연료
마그녹스 원자로는 가압 이산화탄소를 냉각재로 하는 흑연감속 원자로로, 천연 우라늄을 연료로 하여 마그네슘 합금인 마그녹스로 피복한 연료봉을 사용한다. 가동중 강철제 압력용기의 압력은 6.9~19.35 바이며, 노심바깥의 두개의 콘크리트로 만든 강화 건물은 24.8에서 27바로 운전하고 있다. 마그녹스라는 이름은 마그네슘 합금을 일컫는 말로, 마그네슘과 약간의 알루미늄, 그리고 다른 금속으로 이뤄진 합금으로 천연 우라늄을 감싸 산화되지 않고, 발전중 생긴 분열 생성물을 가두는 역할을 한다. 이 물질은 중성자 흡수율이 낮으나 두가지 중요한 단점이 있다.마그녹스 연료는 낮은 운전온도에도 불구하고 열을 빨리 순환시키기 위해 냉각핀을 달고 있는데, 이 냉각핀 제작비도 비쌌다.
원자력 발전소
물을 끓여 수증기를 만들고 이 수증기를 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산한다는 점에서는 화력발전과 동일하지만, 화력발전은 석탄, 가스, 석유 등의 화석연료를 태워서 물을 끓이는 데 반해 현재 원자력발전에서는 핵분열에서 나오는 에너지를 이용해 물을 끓인다는 점에서 차이가 있다. 그러므로 화력발전은 온실가스의 배출이 많지만 원자력 발전은 온실가스의 배출이 거의 없어 친환경에너지라고 한다. 하지만 발전과정에서 불가피하게 발생하는 방사선 및 방사성 폐기물을 엄격하게 관리해야 한다.
소형모듈원전
KLT-40S 소형원자로는 스마트 원자로를 한국에 기술이전한 OKBM의 제품이다. 가압수형 원자로이며, 농축도 90%의 우라늄 235를 연료로 사용한다. 열출력 135 MWt이며, 전기출력 35 MWe 이다. 러시아는 선박형 원자력 발전소를 수출할 계획이다. 개조된 KLT-40S 원자로 2개가 탑재된다. 열출력 300 MWt, 전기출력 70 MWe를 내며, 20만명의 도시에 전기공급을 할 수 있다.
미국 원자력 추진 잠수함의 원자로인 SMR과 러시아 원자력 추진 잠수함의 원자로인 스마트 원자로가 타국에 수출될 경우, 그 나라의 원자력 추진 잠수함 건조에 이용될 수 있는가의 우려가 있을 수 있으나, 원자력 추진 잠수함용 원자로와 원자력 추진 잠수함 수출은 국제법 위반이 아니다. 원자력 추진 잠수함에 핵미사일을 탑재해 수출하면, 핵미사일 수출 부분이 국제법 위반이 된다.
원자로
원자폭탄은 극히 짧은 시간에 수많은 핵분열이 동시 다발적으로 일어나지만, 원자로에서는 핵분열이 서서히 일어나도록 제어해야 하고, 상당한 기간 동안 유지되어야 한다. 따라서 원자로에는 핵분열을 일으키는 핵연료와 오랜 시간 동안 핵분열이 효율적으로 지속되도록 하는 장치들이 필요하다. 또한 이러한 핵분열을 제어하는 장치들과 핵분열에서 생긴 열을 흡수하여 수증기를 생산하고, 그 수증기를 터빈으로 전달할 수 있는 매체도 필요하다.
대한민국의 원자력 발전
2010년 3월 30일 요르단에서, 한국 최초의 연구용 원자로 수출 계약을 정식 체결했다. 요르단 수도 암만 북쪽 70km 이르비드(Irbid)에 있는 요르단과학기술대학교(JUST)에 2014년까지 열출력 5MW급 개방수조형 다목적 원자로와 동위원소 생산시설 등을 건설하는 사업으로, 한국원자력연구원·㈜대우건설 컨소시엄이 2011년 7월 예비안전성 분석보고서와 방사선 환경영향 평가보고서 등 건설허가 신청서류를 요르단원자력규제기관(EMRC)에 제출하여 2013년 8월 건설허가를 취득했으며, 2016년 핵연료장전허가를 획득하여 핵연료를 장전하고 시운전 시험을 완료, 2016년 12월7일에 준공식을 가졌다. 건설비는 1500억원이며, 원자로 운전 요원 20명은 하나로에서 현장실습 훈련 등 5주간의 훈련을 받는다.
우라늄-235
핵분열이 되기 때문에 핵연료로 쓰인다. 하지만 자연계에는 0.7204%밖에 존재하지 않기 때문에 농축하게 된다. 일반 경수로에는 4.5%까지 농축하며, 실험용 원자로의 경우, 경우에 따라 10%~60%까지 농축하기도 하며 중수로에는 농축하지 않고 천연연료를 제조해서 집어넣어 사용할 수 있다.
선박용 원자로나 잠수함에는 최대 95%까지 농축하여 사용하기도 하는데 중성자 흡수재인 가돌리늄이나 사마륨을 첨가하여 핵연료를 제조한다.
물론 일반 원자로의 핵연료에도 중성자 흡수재인 가돌리늄, 사마륨, 디스프로슘 등을 첨가하여 펠릿을 제조하는데 잉여 중성자가 넘쳐나서 핵분열이 과도하게 일어나는 것을 막기 위해서이다.
혼합 산화물 연료
1961년~1968년까지 조사시험을 하고 여러종류의 MOX 연료를 시험하였으나 상용화하지는 않았다가, 2005년 미국 에너지부는 민간 회사 듀크 에너지사가 운영하는 카토바 원전 1호기에 MOX 연료를 장전하는 것을 허가했으며, 프랑스 아레바가 생산한 MOX 연료를 수입해 장전하였다. 듀크 에너지는 카토바 원자력 발전소와 맥과이어 원자력 발전소의 4개 원자로에 MOX 연료를 사용할 계획이다. 이 사업은 미국 클린턴 대통령과 러시아 옐친 대통령이 핵무기 감축을 논의하는 과정에서 추진된 정책으로, 핵무기의 플루토늄을 상업용 원자로에서 발전용 연료로 연소해, 영구적으로 플루토늄을 제거하는 것이다.
핵연료
TRIGA 연료는 TRIGA(Training, Research, Isotopes, General Atomics) 원자로에서 사용하는 핵연료이다. TRIGA 원자로는 우라늄-지르코늄 수화물(UZrH)를 사용하는데, 이 연료는 음의 피드백 효과로 인해, 노심의 온도가 올라가면 반응도는 줄어들게 되어 노심용융이 일어나지 않도록 한다. TRIGA 원자로는 중성자를 많이 방출되개 설계하여, 실험에 사용될 수 있게 만들어져 있다. TRIGA 연료는 원래는 고농축 우라늄을 사용하도록 디자인되어 있지만, 1978년 미국 에너지성에서 연구용 원자로의 농축도를 낮추게 되어, 저농축 우라늄으로 가동되고 있다.
대한민국의 원자력 발전
실적원가는 일정기간 동안(통상 1년) 원자력발전을 위해 발생된 비용을 동일기간에 생산한 전력으로 나누어 구한 값이다. 발전소 건설비는 적용되는 회계기준에 따라 일정하게 배분되고, 발전량은 전력계통의 운영, 발전기의 고장정지율에 따라 변동되므로 kWh당 표시되는 고정비가 다르게 배분된다. 또한 발전기의 운전상태에 따라 발전효율이 변하고, 연료비도 변동된다. 따라서 실적원가는 매년 달라진다. 최근 유가급락으로 가스와 석유발전 비용이 역전된 것이 그 예이다. 실적원가는 발전회사 내부자료로 관리되며 일반에게는 발표되지 않는다.
KSTAR
예를 들면, 한국의 4곳의 핵분열 원자력 발전소는 연간 750 톤의 농축 우라늄과 천연 우라늄을 사용해 전기를 생산한다. 이 750 톤의 우라늄 원료가 에너지로 바뀌는 과정에서 손실되는 질량을 E=mc²공식에 넣어 계산하면 연간 5㎏에 불과하다. 5㎏의 우라늄이 사라지면서 1년간 쓰는 전기 에너지로 변환된다.
흑연감속 비등경수 압력관형 원자로
일반적인 RBMK의 노심에는 3000개의 연료 집합체를 넣을 수 있다. 연료집합체는 우라늄 산화물 펠릿으로 가득찬 연료봉의 집합으로 되어 있으며, 밑부분에는 연료봉의 버팀목과 적당한 거리를 유지시켜 주는 금속 받침대로 구성되어 있으며, 노심은 연료집합체에서 끌어낸 열 에너지를 잠시 저장해두는 역할을 하고 있다. 원자로가 가동하면, 연료속의 U가 연쇄반응을 내면서 줄어들게 된다. 몇몇 U원자들은 여분의 중성자를 얻어 분열가능한 플루토늄으로 변화하여 에너지를 낸다. 이 반응으로 세슘이 생성되며, 이런 세슘은 연쇄반응과 열생산을 저해시킨다. RBMK는 운전중 연료교환이 가능하여, 다른 원자로에 비해 가동률을 높일 수 있다.
RBMK의 디자인은 정상 운전, 그리고 비상시 상황에 필요한 몇몇 안전 시스템이 있다. 그중 하나는 노심 출력을 감시하는 피드백 센서로, 출력이 증가할시 자동적으로 제어봉을 노심에 삽입하여 출력을 낮추고, 반대로 출력이 낮아질시엔 제어봉을 인출하여 출력을 높인다. 만약 이 센서가 갑자기, 과격하게 출력이 오르는걸 감지하면, 211개의 붕소 제어봉이 노심으로 들어가 반응을 중단하는 원자로 보호 시스템이 있다. 이 시스템은 필요로 하거나, 혹은 운전원에 의해 자동적으로 실행된다.
원자로
핵분열을 상당기간 동안 지속하려면 핵연료를 핵분열 유지에 필요한 임계량보다 더 넣어야 하는데, 이때 초과되는 양을 제어하고, 원자로의 출력을 조절, 비상 시 원자로를 정지하기 위한 장치로, 제어봉과 가연성 독봉(burnable poison rod), 가연성 독물질(냉각수에 섞어서 사용) 등이 있다. 또한 핵분열 시 발생하는 열을 흡수하여 수증기를 만들어 터빈으로 전달하는 매체를 '냉각재'라고 하는데, 경수로에서는 주로 물을 사용하며, 고온가스로에서는 헬륨을, 용융염원자로에서는 용융염(molten salt)을, 고속로에서는 액체금속 상태의 나트륨을 사용한다.
핵연료
핵융합 연료는 삼중수소(H)와 중수소(H), 그리고 헬륨-3(He)이 있다. 이를 제외한 다른 원소들도 핵융합이 가능하나, 이들 원자핵의 전기적 전하가 강하기 때문에 이들 원소보다 더 높은 고온이 필요하게 된다. 현재 가벼운 원소를 이용한 핵융합이 미래의 에너지 원으로 진지하게 고려되고 있다.
화력 발전소
석유를 연료로 하는 화력 발전소에서는 석유를 탱크안에서 가열시켜 석유가 굳어버려 펌프질하지 못하는 상태가 되지 않도록 만든다. 석유는 보통 보일러의 분사노즐로 들어가기전에 100 °C 정도로 가열돼서 들어가게 된다.
핵연료
미국이 계획하고 있는 세계원자력에너지파트너십(Global Nuclear Energy Partnership, GNEP)은 사용후 핵연료를 재처리하여 나온 플루토늄을 핵연료로 사용하는 방면을 찾기위한 국제적인 파트너십이다. 현재 미국에서의 상업적인 핵연료 재처리는 핵확산 문제로 인해 현재 하지않고 있다. 또한 현재 일본을 제외한 재처리 공장을 갖고 있는 국가들은 군사용 원자로를 오랜기간동안 가지고 있던 국가들이다.
원자력 발전 정책
원자력발전소는 우라늄과 같은 핵분열 물질을 사용하므로, 원자로와 일부 계통 및 구조물이 방사능에 오염되어 있다. 그러므로 수명이 다한 원자력발전소는 사람과 주변 환경에 영향을 주지 않도록 안전하게 해체하는 대책이 요구된다. 원전 해체는 영구정지-해체준비-제염-절단·절거-폐기물처리-환경복원의 6단계로 진행되며 최소 15년 이상 소요된다. 한국은 트리가마크 2와 3의 연구용 원자로를 해체한 경험이 있으며 고리 원자력발전소 1호기를 2017년 영구정지 시키고, 2022년 6월까지 해체 계획을 세운 뒤 해체하기로 결정하였다.
노심 용해
원자력 발전은 자발적으로 핵분열을 일으키는 물질을 연쇄 핵분열을 일으킬 수 있는 농도로 농축시킨 후 거기서 생산되는 열을 전기에너지로 변환시키는 과정이다. 대표적으로 우라늄-235를 농축시켜 사용한다. 원자로의 중심부인 노심에는 핵연료 물질이 펠렛 형태로 피복관에 싸인 연료봉 형태로 주입되고, 이 연료봉은 냉각수 등 냉각재와 핵분열을 감속시키는 제어봉에 의해 적절한 압력과 온도로 제어된다.
원자로 격납 건물
가압경수로 발전소의 경우, 원자력발전소의 핵심인 원자로가 정중앙에 위치하고 대형배관으로 연결된 증기발생기와 가압기, 원자로냉각재펌프가 배치되어 있다. 원자로와 연결된 이들 기기들을 원자로 냉각재계통(혹은 1차계통)이라 하며, 계통 내부에는 경수(HO)인 냉각수가 고온고압 상태로 순환하며 핵분열 시 발생한 열에너지를 증기발생기로 운반하는 역할을 한다. 증기발생기에서는 원자로 격납 건물 외부에서 공급된 2차계통의 냉각수(또는 급수)가 1차계통의 열에너지에 의해 증기로 변하며 터빈을 돌려 최종적으로는 전기에너지를 생산한다.
국제 원자력 사고 등급
핵연료 가열 원인은 노심에서 생성되는 붕괴열이다. 정상적이라면 냉각수가 붕괴열을 제거하지만, 냉각수 공급이 이루어지지 않으면, 원자로 내부의 냉각수 수위가 낮아지고, 핵연료봉 상부가 노출되기 시작한다. 원자로 노심의 열을 충분히 제거하지 못하면, 핵연료봉의 온도가 상승하여 피복재의 용융 및 파손이 일어나게 된다. 중대사고 시 발생하는 주요 현상들로는 노심 용융, 용융물 풀 형성 및 재배치, 고압용융물 분출, 격납건물 직접가열 및 파손, 수소 폭발, 노심용융물과 냉각수 반응, 노심용융물과 콘크리트 반응 등이 있다.
원자력
전 세계의 화력, 원자력, 수력, 풍력, 태양열 등 전기를 생산하는 방식 중 현재 가장 큰 비중을 차지하는 것은 화력과 원자력 발전 방식이다. 화력발전은 석탄, 석유 가스와 같은 화석연료의 연소에 의한 에너지를 열에너지로 변환하여 증기를 생산한 후 이 증기를 이용하여 터빈, 발전기를 돌려 전기를 생산하는 방식이고, 원자력발전은 핵분열 반응에서 나온 에너지를 이용하여 물을 끓여 증기를 생산하고 이 수증기의 힘으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 두 방식 모두 물을 끓여 증기의 힘으로 터빈과 발전기를 돌려 전기를 생산하지만, 에너지 발생 효율에서는 엄청난 차이가 난다.
후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고
일본 정부는 후쿠시마 원전이 수소폭발 하기 직전까지 정보를 은폐하였다. 또한, 1, 2호기의 수소 폭발과 달리 3호기는 핵무기를 만들 수 있는 플루토늄 가공 연료(MOX 연료)가 터진 핵폭발에 의한 것으로, 비밀리에 핵개발을 추진했다는 의혹이 제기되었다.
방사성동위원소 열전기 발전기
RTG의 디자인은 다른 원자로들보다 간단하게 이루어져 있다: 주요 구성요소는 발전기의 연료인 방사성 동위원소를 담고 있는 튼튼한 용기이며, 이 용기 바깥에는 펠티에-지백 효과를 이용해 열 에너지를 전기에너지로 변환하는 열전대가 자리하고 있으며, 각각의 열전대는 탈열기에 연결되어 있다. 용기안에 저장된 방사성 동위원소의 방사성 붕괴는 열을 방출하고, 이 열은 탈열기에 연결된 열전대를 통하면서 전기를 생산하게 된다.
원자력 발전소
19세기 들어서면서 원소의 주기율표와 원자모형에 대한 이론이 발전하면서 물질의 구조에 대한 과학적 지식이 축적됐다. 이와 더불어 핵분열 전후에 발생하는 원자핵의 무게 차이, 즉 결손된 질량만큼 에너지가 발생하게 되는걸 발견하게 된다. 핵분열 에너지의 원리가 밝혀지자 원자력 관련 기술 개발에 불이 붙게 되었다.
체르노빌 원자력 발전소
사고의 직접적인 원인은 아니지만, 원자로 건설 설계도에는 내열성의 건설 자재를 쓰라고 요구 했지만, 실제로 건설될 때는 가연성의 재료를 사용했다. 이는 소련 원자력 발전 기념일에 맞추어 완공시키기 위해 가연성 재료를 사용했다고 여겨진다. 이 때문에 원자로에는 결함이 있었던 것으로 보인다.
원자력진흥종합계획
사용후핵연료의 포화가 가시화되고 안전관리에 대한 국민적 관심이 증대됨에 따라, 2016년 7월 정부는 ‘고준위방사성폐기물 관리기본계획’을 수립해 발표했다. 이 기본계획에 따라 사용후핵연료 및 고준위 방사성폐기물의 중간저장시설·영구처분시설 및 지하연구시설 확보, 운반·저장·처리·처분 기술개발 등을 수행해야 한다. 또한, 2017년 6월에 국내 최초 원전인 고리1호기가 영구 정지에 들어가므로, 원전해체를 위한 기술 및 사업 역량 확보 필요성이 대두되었다. 따라서 본 계획은 사용후핵연료 안전관리 및 원전 사후처리 기반 적기 구축을 목표로 과제를 추진한다.
가압수형 원자로
원자로냉각재계통은 원자로 1기에 2~3개의 증기발생기를 연결한 순환유로로 구성되어 있다. 그리고 각 순환유로에는 1~2개의 원자로냉각재펌프가 달려 있다. 모든 형태의 원자력발전소에는 1기의 가압기가 설치되는데, 그 용량은 출력에 비례하며, 원자로 출구 쪽 고온관 배관에 밀림관(surge line)으로 연결되어 있다. 가압기 상부에는 급격한 압력상승에 대비해 원자로냉각재계통의 압력경계를 유지하기 위한 안전밸브와 방출밸브가 설치되어 있다.
핵연료 주기
중수로와 흑연감속 원자로는 천연 우라늄을 사용하지만, 전 세계의 대다수 원자로는 농축 우라늄을 사용한다. 일반적인 발전용 원자로는 U 5%, U 95%인 농축 우라늄을 사용하지만, 선박용 원자로의 경우 약 93%의 U를 사용한다.
인공위성
아폴로 우주선에서 활약하고 스페이스 셔틀 등 유인우주선의 전원으로 이용되는 것은 연료전지이다. 이것은 수소와 산소와의 화학반응에 의하여 발전하는 것으로 효율이 높은 것과 발전량의 제어가 쉽다는 장점이 많은 반면, 반응제를 탱크에 수납하여 궤도에 운반하기 때문에 이용기간이 반응제의 양으로 제한된다. 이 밖에 방사선 동위원소(放射線同位元素)가 붕괴할 때 방출되는 방사선을 용기의 안벽에 받으면 가열되므로 이 열을 제벽효과[熱起電力效果]에 의하여 전력으로 변환하는 방법을 행성탐사기 등에서 사용하고 있다. 사용하는 방사성 동위원소는 주로 플루토륨 238이다. 기전용 열전쌍(熱電雙) 1조에 대하여 기전력은 0.4W로 낮기 때문에 1천 수백 조가 집합하여 1조로 한 것을 사용하고 있다. 이 방법으로는 발열이 있기 때문에 방열장치가 필요하며, 위성기기로부터 멀리 떨어지게 탑재하여 방사선이나 열로부터 방호해야 한다.
원자로 격납 건물
가압경수로형 발전소에서는 대체로 원자로냉각재펌프에 전동기로 구동되는 원심형펌프를 쓰고 있는데, 비교적 낮은 수두와 높은 유량을 제공하여야 하므로 단단형(single stage) 펌프가 주로 쓰인다. 원자로냉각재는 증기발생기 출구노즐에서 들어와 원자로냉각재펌프의 하부를 거쳐 보통 '임펠라(impeller)'라고 하는 회전날개를 돌려 속도를 높인 후 수평방향으로 방출시켜 원자로의 입구노즐로 보내게 된다.
사용후핵연료
대한민국에서 발전용 원자로에 사용되는 핵연료는 원자로의 종류에 따라 경수로와 중수로, 두가지 종류가 있다. 중수로는 핵연료 U-235 농축도가 0.7%인 천연우라늄을, 경수로의 경우는 농축도가 3~5%인 농축우라늄을 사용한다. 두 종류 모두 핵연료 초기에는 우라늄만 존재하나 원자로 내에서 핵분열 연쇄 반응이 진행됨에 따라 사용후핵연료 내에는 많은 방사성 핵종들이 존재하게 된다. 핵분열 연쇄 반응이 진행되면 최초에 장전된 우라늄은 원자로 내에 존재하는 중성자를 흡수하여 넵튜늄Np, 플루토늄Pu, 아메리슘Am, 큐륨Cm 등으로 변하게 되며, 이들은 반감기가 길어 지속적 관리가 필요하다. 우라늄, 플루토늄을 제외한 원자번호 92번 이상의 초우라늄 원소는 중소로 사용후핵연료의 경우 약 0.02%, 경수로 사용후핵연료의 경우 0.2%가 생성된다.
1세대 원자로
1951년 미국 아이다호주에 있는 국립원자력시험장에서 ‘EBR-1(Experimental Breeder Reactor 1)’이라는 실험용 원자로가 세계 최초로 전기를 생산하였으나 전력망에 연결하여 전기를 공급하는 규모는 아니었다. 1954년 구소련(현재의 러시아)의 오브닌스크 원자력발전소가 세계 최초로 전력망에 연결하여 원자력발전을 시작하였다. 오브닌스크 원자력발전소는 이후 48년 동안 운영된 후 2002년 4월 29일 운전을 종료했다.
아이오딘-131
후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고와 관련, 2011년 3월 16일, 현지의 재해대책본부가 수돗물 간이검사를 실시했다. 물 1kg에서 아이오딘-131이 177베크렐, 세슘-137이 58베크렐 검출됐다. 일본 원자력안전위원회가 정한 섭취 기준은 물 1kg당 아이오딘이 300베크렐, 세슘이 200베크렐이다.
영변 IRT-2000
이 원자로는 소련으로부터 연료를 공급받지 못해서, 지금은 단지 갑상선암을 방사선 치료하는데 쓰이는 Iodine-131을 생산하는데나 가끔씩 운용되고 있다. 경수를 감속재로 사용하는 2메가와트급 원자로에는 우라늄 농축도가 80%나 되는 핵연료를 사용하였다.
하나로
하나로는 원자력발전소나 연구용 원자로에 사용되는 재료 및 핵연료를 시험하고 중성자를 생산해 산업·환경·우주·의학·농학·약학·생명·고고학 등 다양한 분야의 연구를 진행한다. 산업분야에서는 중성자를 이용한 비파괴검사로 배관이나 항공기의 날개, 선박용 강판 등 물질의 내부구조를 들여다보고 미세한 결함까지도 찾아내 성능개선에 기여하고 있다. 또한 하나로에서 생산된 중성자는 수소 거동을 보는 데 장점이 있어, 수소 연료전지 개발에도 활용되고 있다. 의료용으로는 갑상선암 치료에 쓰이는 I(요오드-131) 등 질병의 진단과 치료에 사용되는 의료용 방사성동위원소 생산에도 기여한다.
대한민국의 원자력 발전
우리나라는 전력의 수출 및 수입이 불가능한 고립계통 국가이다. 해마다 전기를 생산하기 위해 에너지의 42.5%를 투입한다. 최종 소비되는 에너지의 약 20%가 전기인데, 그 중 원자력이 약 30%를 차지한다. 즉, 원자력은 우리가 사용하는 에너지의 대략 12%를 공급하고 있다. 원자력발전은 기술·자본 집약적인 전원으로 발전비용 중 연료비 비중이 5～7%에 불과하여 ‘준국산에너지’로 부르기도 한다.
대한민국의 원자력 발전
원전 연료인 저농축우라늄은 ‘한미원자력협정’에 의해 공급이 보장된다. 또한 원전연료는 부피가 작아 작은 공간에 비축이 용이하다. 1979년의 2차 석유위기 당시, 대부분의 전기를 석유에 의존하고 있어 1년여 동안 전기요금이 3배 이상 상승한 바 있다. 따라서 원자력은 에너지자원의 절대 빈곤상태에서 에너지안보를 유지하는 역할을 하고 있다.
에너지 개발
핵 발전소는 원자로 내에서 우라늄-235를 사용하는 핵분열 과정을 통해 에너지를 생산한다. 원자로는 우라늄봉을 사용하는 데, 봉 안에 있는 원자들은 핵분열 과정으로 쪼개져 엄청난 에너지를 만들어내게 된다. 이 과정은 연쇄 반응을 일으켜 다른 원자핵을 계속 분열시킨다. 이 에너지로 물을 가열해 수증기를 만들고, 터빈을 돌려 발전기를 가동시키는 것이다.
핵무기
핵무기(핵폭탄, 원자폭탄)와 원자로는 모두 우라늄의 핵분열에서 나오는 에너지를 이용한다. 천연우라늄에는 여러 가지 동위원소가 있는데, 이 가운데 대표적인 것인 우라늄-235와 우라늄-238이다. 천연우라늄의 약 0.7%를 차지하는 우라늄-235는 스스로 핵분열이 가능한 반면, 천연우라늄의 약 99.3%를 차지하는 우라늄-238은 스스로는 핵분열이 불가능하다. 그리고 핵분열 반응의 재료에 스스로 핵분열이 가능한 우라늄-235가 얼마나 포함되어 있느냐에 따라, 핵분열 반응이 원자력발전에 이용되기도 하고 무기개발에 이용되기도 하는 것이다.
원자로
원자로는 대부분 전기 에너지를 만드는 데 사용되고, 선박을 위한 동력으로 사용하기도 한다. 원자로를 통해 전기 에너지를 만들기 위해서는, 주로 원자로에서 생성된 열로 증기 터빈을 돌리는 방법이 사용되며, 원자로를 통해 전기를 만들지 않고, 효율을 높이기 위해 만들어진 증기를 바로 공업에 사용하거나 지역 난방에 사용하기도 한다. 또한 몇몇 원자로들은 의료, 혹은 공업적 목적을 위해 동위원소를 생산하기도 하며, 원자로에서 만들어진 플루토늄으로 무기를 만들기도 한다. 연구목적으로만 사용하는 원자로도 있으며, 전 세계적으로 30개국의 450대의 원자력 발전소가 전기를 발전하기 위하여 사용된다.
농축 우라늄
원자로의 형식에 따라 5% 또는 20% 정도의 저농축우라늄이나 90% 정도의 고농축우라늄이 사용된다. 원자폭탄에는 순도가 높은 우라늄-235(85% 이상)가 필요하다. 농축우라늄을 사용하면 흡수되어 버리는 중성자의 비율이 적어지므로 원자로 속의 다른 재료의 선택이나 설계가 쉬워진다.
핵연료 주기
토륨연료주기가 이점이 있지만, 현재 대부분 핵연료에 사용하는 방사성 동위원소는 우라늄 235(U), 우라늄 238(U), 플루토늄 239(Pu)가 쓰인다. 몇몇 원자로의 보조 감속재로 쓰이는 토륨은 지각에서 우라늄보다 3배(U의 550배) 풍부하지만, 현재 탐사가 부족해 산출자원이 적다. 토륨은 특정국가, 특히 인도에서 우라늄보다 많이 분포한다.
대한민국의 원자력 발전
체르노빌의 경우 핵연료의 출력 발생을 위해 흑연을 사용하는 흑연감속비등경수형 원자로로서, 사고 당시 원자로의 고온에 의해 야기된 흑연 발화에 의한 원자로 폭발이 있었으며, 원자로 격납건물이 취약하여 방사성물질을 포함한 폭발 비산물이 직접 환경으로 확산되었다.
원자로 격납 건물
가압경수로의 증기발생기 전열관은 지름 2cm 이하의 U자관(U-tube)들을 뒤집어 놓은 형태로 설치된다. 한쪽 끝에서 공급된 원자로 냉각재가 반대쪽에서 모여 다시 원자로로 공급되도록 설계됐다. 전열관의 길이 및 개수는 원자로의 출력에 비례하여, 충분한 열전달이 가능하도록 설계됐다. 1,000MWe급 OPR 1000 발전소는 증기발생기 1기당 약 8,500여 개, 1,400MWe급의 APR 1400 발전소는 약 13,000여 개가 설치된다. 또한 전열관은 관판(tube Sheet)이라 부르는 두꺼운 철판에 설치되어 중간에 여러 개의 지지구조물에 의해 지탱된다. 전열관의 재질은 내부에 가해지는 1차계통의 고온고압 조건에 견딜 수 있을 뿐만 아니라 전열관 벽을 통해 효율적으로 열전달이 이루어질 수 있어야 한다. 또한 진동에 따른 마모나 화학적 부식에도 견딜 수 있어야 해서 Inconel 690이라는 합금강이 주로 사용된다.
마그녹스
그러나, 영국 최초의 원자력 발전소 2개(콜더 홀과 채플크로스)에서는 발전보다는 무기급 플루토늄을 만드는 데 주력하였고, 이를 위해 1년에 한번씩 연료를 장전하였다.. 1964년부터 두 발전소는 상업적인 연료 교환주기를 통해 연료를 교체하였지만, 1995년 4월 영국 정부가 무기급 플루토늄 생산을 그칠때까지 계속해서 무기급 플루토늄을 생산하였다.
원자로 압력용기
원자로 압력용기는 두께 약 20cm 이상인 탄소강을 단조공법으로 만든다. 핵연료가 장착되는 곳에는 용접 부위가 없도록 제작하며, 용기 내면은 부식과 마모를 막기 위해 스테인레스강 피복재(cladding)로 덮는다. 또한 노심에서 핵분열이 일어날 때 발생하는 중성자 조사에 따른 재질의 열화 때문에 압력용기의 기능이 상실되지 않아야 한다. 내측 벽면에 용기와 같은 재질의 감시시편을 장착하여 주기적으로 재질의 중성자 조사 정도를 측정해 감시하게 되어 있다.
핵연료
2세대 핵융합 연료는 높은온도라든가 시간등이 1세대 핵융합 연료보다 높지만, 중성자를 덜 적게 발생시킨다. 중성자는 핵융합을 하면서 만들어지는 반갑지 않은 생성물로, 중성자가 핵융합로에 흡수되어 방사능을 띠게 때문이다. 중성자는 전하가 없어, 자기장으로 막을 수가 없다. 2세대 핵융합 연료는 중수소와 헬륨-3을 사용한다.
화력 발전소
천연가스를 연료로 하는 화력 발전소에서는 천연가스를 가공해서 사용한다. 몇몇 화력 발전소에서는 천연가스를 보조 연료로 사용하기도 한다.
원자력 발전소
온실 기체를 거의 배출하지 않으며, 그 때문에 지구 온난화에 미치는 영향이 적다. 저렴한 연료가격, 높은 연료비축을 자랑한다.
원자로
중성자 감속재로는 주로 경수(74.8%의 원자로들이 채택), 고체 흑연(20%의 원자로들), 중수(5%의 원자로들)등이 사용된다. 몇몇의 연구중인 원자로들은 베릴륨, 탄화 수소들을 중성자 감속재로 사용하며, 또한 이외의 다른 가능성들을 실험중이다.
윈드스케일 화재
금속 카트리지 안엔 중성자를 조사시켜 동위원소를 제작하려 하였다. 아래에는 만들려고 한 동위원소와 생산을 위한 재료 목록이 있다. 여기서 생산한 동위원소중 폴로늄-210가 사고로 방출되어 일반인의 방사능 집단 피폭에 가장 큰 기여를 하였다.윈드스케일 원자로를 건설할때, 영국은 미국이나 소련과 다르게 흑연이 중성자를 흡수하면 일어나는 반응에 대한 약간의 지식이 있었다. 헝가리계 미국 물리학자인 유진 위그너는 흑연이 중성자 조사를 받으면 표면의 결정이 흐트러지면서 중성자의 위치 에너지를 보유하는걸 발견했다. 이 축적된 에너지는 자연적으로 갑자기 강한 열로 방출될수 있다. 윈드스케일 2호기가 건설이 다 끝나고 가동중일때 노심온도가 이상하게 증가하는 일이 있었고, 이는 위그너 에너지의 방출때문이라고 추정되었다. 이를 염려한 영국 과학자들은 위그너 에너지를 안전하게 방출할수 있는 방법을 찾기 시작하였다. 유일한 해결책은 어닐링 과정인데, 흑연 노심 온도를 250도까지 올리면 흐트러진 원자가 다시 결정으로 돌아온다는걸 발견한 것이다. 어닐링 과정은 위그너 에너지가 축적되는걸 방지하였지만, 모니터 장치와 더불어, 원자로와 냉각장치 같은 부수장치들은 이에 대한 디자인이 전혀 안되어있는 상태였다. 시간이 지나면서 어닐링 과정은 약간씩 변경되었으며 어려워졌으며, 몇몇 포켓의 위그너 에너지는 어닐링 과정을 거쳤는데도 불구하고 없어지지 않고 남아있기도 하였다.
칼리머-600
칼리머-600은 나트륨 냉각 고속로이다. 경수나 중수와 같은 물이 감속재로 쓰여온 이후, 물은 고속 반응로에서 쓸 수 없게 되었다. 발전소에서 사용되는 고속 반응로들은 냉각제로 액화 금속을 채용하고 있다. 칼리머-600은 액화된 나트륨을 냉각제로 쓰고 있으며, BeO가 감속재로 쓰이고 있다.-6
칼리머는 한국의 4세대 원전이다. 123세대가 물을 냉각재로 사용하는 우라늄 원전인데 비해, 4세대는 액체금속을 냉각재로 사용하는 플루토늄 원전이다.
용융염 원자로
용융된 연료를 사용하는 원자로는 많은 핵 기술자들을 흥분시켰는데, 그중 제일 저명한 사람은 경수로 특허를 가지고 있을 뿐 아니라, 오크리지 국립 연구소의 중역인 앨빈 웨인버그(Alvin Weinberg)이었다. 두 개의 개념이 연구되었는데, 첫째로는 토륨이 중성자를 흡수해 변환된 우라늄 233을 태우는 토륨 연료주기를 사용하는 높은 중성자 밀도를 가진 2개의 흐름을 가진 원자로였다. 이 원자로를 개발하면서 배관을 어떻게 짜야 되는지, 그리고 그리고 이 파이프를 만들기에 적당한 금속을 찾는 문제가 생겼다. 강철과 니켈 합금은 많은 중성자를 흡수하거나 혹은 금방 부식되었으며, 흑연의 경우 너무 물렀으며, 중성자 노출을 받아 격렬히 부풀러 올랐다. 지르코늄의 경우 중성자에 강했지만, 뜨거운 불화물로 인해서 금방 부식되어 버렸다. 2가지 문제는 그 후 오크리지 국립 실험실의 연구자들이 풀어냈는데, 파이프의 부식을 막기 위해서 티타늄과 하스톨로이-N 합금을 사용하였다.
핵연료
종종 원자로의 연료로 선택되는 질화물 연료는 미 항공우주국에서 개발된 연료이며, 이 연료의 장점 중 하나는 일반 UO에 비해 열효율이 좋다는 점이다. 또한 질화물 연료는 녹는점이 매우 높다. 그러나 이 연료의 단점으론 N이 사용된다는 점이다(보통 일반적인 질소는 N임). 그러나 C을 방사선으로 핵변환 시키면 많은 양의 N을 얻을수 있다. 질소를 사용하는 연료의 경우 비싸기 때문에, 파이로프로세싱을 이용하여 N을 회수할 수 있다. 일반적으로 핵연료 재처리를 할 때 질산으로 핵연료를 녹이는데, 질화물 연료의 경우에는 연료가 잘 녹게 하기 위해서 일반적인 N을 집어넣어 N의 함량을 엹게 만들어준다.
원자로
원자로 냉각재로는 주로 물을 사용하지만, 가스 혹은 액체 금속(액체 나트륨) 혹은 소금(용융 염)을 사용하기도 한다.
연구용 원자로
핵연료의 핵분열 시 방출되는 방사선 및 중성자를 이용한 각종 연구와 교육, 훈련, 기술개발 등에 활용되는 원자로로, 전기생산이 목적이 아니므로 규모가 상용원자로보다 작고 시스템이 단순하다. 또한 상용로에 비해 저온, 저압 상태에서 운전되며, 원자로 운용에 필요한 핵연료의 양도 비교적 매우 적다. 대신에 효율적인 연구와 실험을 위해 노심의 중성자 밀도를 높여야하므로 상용로와 비교했을 때 노심의 설계가 복잡하고 다양하다는 특성을 갖는다.
중성자 감속재
원자로에서 연료로 사용되는 U는 0.025 eV의 에너지를 지니고 있는 열 중성자와 잘 반응하며, U는 0.5 MeV의 에너지를 가진 중성자와 잘 반응한다. 그러나 U가 핵분열을 하게 되면, 고속중성자를 배출하게 되며, 고속 중성자는 U과 반응을 하게 되고 U과는 반응을 하지 않게 된다. 그래서 연료의 연쇄 반응을 좀더 활발하게 하기 위해서 중성자의 속도를 떨어뜨리는 물건을 필요로 하게 되고, 이 물건을 가리켜 감속재라고 지칭한다. 현재 사용되고 있는 거의 모든 원자로는 이 열 중성자를 이용한 원자로이다. 고속중성자로 혹은 고속로의 경우, 노심 밖의 블랭킷 연료인 U을 Pu로 변경시켜 연료로 사용하기 때문에 고속로의 경우에는 중성자 감속재가 존재하지 않는다. 일반적으로 감속재는 원자번호가 낮은 원소 및 그 화합물이 사용된다.
원자력 발전소
원자력발전소() 또는 핵발전소는 원자력을 이용하여 발전을 하는 발전소이다. 원자핵이 붕괴하거나 핵반응을 일으킬 때 방출되는 에너지를 이용, 발전기를 돌려 전력을 생산하는 시설을 갖춘 곳이다.
독일의 에너지
전력 생산의 주 원료는 석탄이다. 독일의 친환경 에너지 정책에는 모순되지만 26개의 석탄발전소를 추가로 지어 전력을 공급한다는 것이 독일 정부의 목표이다. 이렇게 석탄발전소를 추가로 짓기로 결정한 것은 석탄발전의 원료로 사용되는 갈탄이 독일에 풍부하고 동시에 이를 통해 원료 수입의 비중을 줄일 수 있기 때문이다.갈탄을 사용하여 발전하는 석탄발전소는 주로 노르트라인베스트팔렌 주, 작센 주, 브란덴부르크 주에 위치하여 있다. 갈탄을 채굴한 후 이를 원거리 운송하여 발전에 사용하는 것은 막대한 운송비를 발생시키므로 경제성 측면에서 석탄발전소들은 주로 갈탄광산 주변에 위치해 있다.
핵연료
TRISO 입자 연료는 독일에서 고온 가스냉각로를 개발하면서 개발했다. TRISO 연료를 사용하는 최초의 원자로는 AVR이며, THTR-300 원자력 발전소는 이 연료를 사용한 최초의 원자력 발전소이다. 현재, TRISO 연료성형체는 중국의 HTR-10과 일본의 HTTR같은 연구용 원자로에서 사용중에 있다.
노심 용해
노심 용해(爐心鎔解, ) 또는 원자로 용해(原子爐鎔解, ) 는 원자력 발전소에서 사용되는 원자로의 노심에 있는 핵연료가 과열이나 이상으로 인해 내부의 열이 급격히 상승하여 연료 집합체 또는 노심 구조물이 녹아내리거나 파손하는 것을 가리키는 현상이다. 노심 용융(爐心鎔融) 또는 노심 융해(爐心融解) 라고도 한다. 최악의 경우로는 원자로 압력 용기나 원자로 격납 용기, 원자로 그 자체가 파손되어 방사성 물질이 주위에 확산되는 경우도 있다.
핵연료
핵연료는 원자력발전소의 가장 핵심 요소인데, 소결체 재료인 이산화우라늄(UO)은 화학적으로 매우 안정된 화합물로, 용융온도가 약 2,850℃이다. 이산화우라늄 소결체는 핵분열 시 발생하는 방사성물질들을 안전하게 가두어 두는 1차 방호벽 역할을 한다. 또한 소결체를 감싸고 있는 핵연료 피복관은 방사성 물질이 냉각재로 유출되지 않도록 막아 주는 2차 방호벽 역할을 한다.
핵폭발
모든 물질은 그 물질 고유 특성을 그대로 가진 최소단위인 원자 집합체이며, 원자는 각각 다른 특성을 가진 103종의 원소들 중 몇 개로 결합된 입자이다. 핵폭발의 원료로 쓰이는 우라늄, 플루토늄, 코발트는 원소의 한 종류이다. 핵폭발은 재래식 폭발과 달리 원자핵내의 반응에 따라 다른 원자핵이 생성되면서 발생하는 현상이다. 우라늄(U)의 원자핵에 가속된 중성자를 충돌시키면 분열하면서 높은 에너지와 더불어 감마선 등의 방사선과 평균 2개의 중성자가 방출된다. 이 2개의 중성자가 다시 다른 원자핵에 충돌하는 연쇄반응이 핵분열 반응이다. 히로시마에 사용된 핵연료는 우라늄(U)이고, 나카사끼에서는 플로토늄(PU)가 사용되었으며 둘 다 모두 순수한 핵분열탄으로 원자폭탄이다. 반면에 삼중수소와 중수소의 두 개의 원자핵이 모여 하나의 무거운 헬륨 원자핵을 만드는 핵융합을 이용한 것은 수소폭탄이다.
원자력 발전소
원자력 발전소의 원자로는 크게 3종류가 있으며, 핵융합로를 제외한 열반응로와 증식로가 현재 발전에 사용되고 있다.원자력발전소는 원자로와 터빈발전기 등의 핵심시설이 배치된 하나의 대형 구조물과 외부의 보조시설로 구성된다. 가압경수형 원자력발전소는 원자로격납건물, 원자로보조건물 및 터빈건물로 이루어진 발전소 건물과 외부의 보조시설인 복합건물, 수처리건물, 비상발전기건물, 취수건물 및 냉각수 보관탱크들로 구성된다.원자력발전소를 설계할 때는 동일 기능을 수행하는 기기나 계통들은 서로 다른 작동 원리를 갖도록 하거나, 물리적으로 분리하여 배치함으로써 다중영향 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 '공통원인고장'이라고 하는데, 이런 현상은 주로 부식‧피로‧마모와 같은 기기 내부의 원인, 보수‧시험 중의 인적실수, 보수‧시험 등을 위한 절차서의 결함, 부적절한 설계 및 설계상의 오류, 습기‧온도‧진동 등과 같은 환경적 요인으로 발생한다.
대한민국의 원자력 발전
원전은 발전비용 중 고정비의 비중이 높고, 변동비의 비중은 아주 낮다. 따라서 정격용량으로 계속 가동하는 것이 경제적으로 유리하고, 운전의 안정성도 향상된다. 그러나 전체 전력시스템에 원자력이나 재생에너지 발전용량이 증가할수록 안정적인 계통운영이 어려워진다. 원전과 재생에너지는 경직전원이다. 또한 재생에너지는 간헐전원이기도 하다. 유럽, 일본, 미국의 일부 지역에서는 이미 재생에너지 발전량이 전력수요를 일시적으로 넘어서는 현상이 발생하고 있다. 이런 상황에서는 재생에너지 발전을 일시적으로 중단하거나, 전력망이 연계된 경우라면 전력을 외국으로 수출하는 방식으로 대처할 수 있다. 반대로 원전이 갑자기 고장나거나 재생에너지 발전이 중지되면, 빠른 시간 내에 대응할 수 있는 설비가 필요하다. 그렇지 못하면 전력수급에 차질이 발생한다. 이를 대비하여 백업전원이나 ESS(energy storage system, 에너지저장시스템) 등이 필요하다. 하지만 일정수준 이상의 원전이나 재생에너지 확보는 추가비용 발생의 원인이 된다.
원자력 발전 정책
원자력안전법에 의한 발전소의 설치에 관한 사용전검사, 가동중 발전소의 정기검사, 품질보증검사, 특정핵물질(국제규제물자 중 핵물질)의 계량관리검사, 주재관 일상검사 및 특별검사 등이 있다. 그리고 2014년 11월 동 법 시행령을 개정하여 도입한 안전 관련 설비의 공급자 등 검사가 있다. 이 외에도 원자력시설 등의 방호 및 방사능 방재대책법에 의한 물리적 방호검사, 사업자의 방사능재난 예방·확산방지·수습 조치에 관한 검사, 방사능재난 대응시설과 방사능방재 교육 및 훈련에 대한 검사가 있다.
원자로
원자로(原子爐) 또는 핵 반응로(核反應爐, )는 핵분열 시 발생하는 열을 전력 생산에 이용하거나, 중성자와 방사선 같은 물질의 기본 입자들을 얻어 과학적인 연구와 기술개발에 활용하기 위하여 만든 장치로, 핵분열을 지속적으로 유지하고 제어할 수 있다.
대한민국의 원자력 발전
전기사업법 제 25조에 의해 매 2년 단위로 수립 시행하게 되어 있는 것으로, 전력수요 예측을 비롯해 발전설비 계획 등 안정적인 전력을 공급하기 위한 종합적인 전력수급 계획을 말한다. 이 가운데 2015년 6월에 산업통상자원부에서 발표한 제7차 전력수급기본계획은 안정적인 전력수급과 온실가스 감축을 최우선으로 고려하여 2015년부터 2029년까지 15년 동안의 장기 계획을 담고 있다. 에너지, 전력 및 경제 전문가뿐만 아니라, 환경분야와 시민단체 추천 위원들이 새롭게 참여하여 전력수급안정 외에도 환경보호, 국민수용성 등 다양한 가치를 고려하였다. 특징은 다음과 같다.
원자력발전소의 운전 업무는 교대근무(보통 1개 조가 12명으로 구성)를 통해 지속적으로 유지되고 있다. 교대근무 조별 5명은 주제어실에, 그 외의 인원은 현장에 배치된다. 주제어실에는 운전 업무를 지휘 통괄하는 운전팀장, 원자로의 전반적 안전을 감시하는 안전관리자, 원자로와 주변 설비의 운전을 담당하는 원자로운전원, 터빈‧발전기와 주변 설비의 운전을 담당하는 터빈운전원, 송배전‧전기 분야의 운전을 담당하는 송배전운전원 등 5명이 근무한다. 원자로에 핵연료가 장전되어 있을 때에는 원자로조종감독자와 원자로조종사의 면허 소지자 각각 1명 이상을 늘 원자로의 운전업무에 종사하도록 법으로 규정하고 있다.
원자력
원자력(原子力, )이란 방사성원소의 원자핵 붕괴(방사선 붕괴 포함) 또는 원자핵의 질량 변화에 의해 방출되는 에너지를 동력자원으로 활용하는 경우를 말하며, 일반적으로 핵분열과 핵융합 과정을 통해 에너지를 생산하는 방식이 알려져 있다. 핵에너지라고도 한다.
원자력이 처음 규명된 이후 군사(핵무기), 의학(방사선 치료기), 발전(전기 생산), 가속기(과학적 연구), 산업(비파괴 검사) 등 다양한 분야에서 이용되고 있으며, 그 중에서도 가장 널리 이용되고 있는 분야가 발전이다.
원자력 발전 정책
운영허가를 취득하면, 핵연료를 원자로에 장전할 수 있으며, 원자로 및 관계시설에 대한 시험을 계속 수행하여, 최초로 핵연쇄반응이 일어나는 초기임계 상태에 이르게 된다. 최초 임계도달 이후, 원자로가 출력 100%에 도달할 때까지 원자로 출력을 여러 단계로 나누어 시험을 수행한다. 그 결과가 적합하면 다음 단계로 원자로의 출력을 상승하여 100% 출력에 도달하게 된다. 각 출력 단계별로 이루어지는 시험에 대해, 규제기관이 검사를 수행하여 사용전검사의 합격여부를 결정한다.
원자력 발전소
화력발전소, 태양광 발전소, 수력발전소 등 다른 발전소에 비해 발전 비용이 저렴하다. 다음 표는 OECD 주요 국가들의 2010년 감가상각비 10 %를 적용하였을 때 발전 비용을 나타낸 도표이다. 단위는 센트/kWh이다.
고온가스로
중성자 감속재로 흑연이 사용된다. 흑연은 섭씨 4,000도의 매우 높은 온도가 돼야 녹기 시작하기 때문에 높은 열에 견딜 수 있는 원자로를 만드는 데 적합한 재료이나, 흑연도 높은 온도에서 공기와 접촉하면 타버리기 때문에 높은 열을 식히기 위한 냉각재로 헬륨을 쓰는 방법이 연구되고 있다. 감속재인 흑연은 열 전도성이 우수하다. 원자로에 문제가 생겨 연쇄반응이 멈추면 남아있는 열이 원자로 바깥으로 전도된다. 원자로에 전달된 열은 복사로 90%가 바깥으로 방출된다. 또 격납용기로 외부의 공기가 유입돼 대류에 의해 자연적으로 순환되면서 원자로를 식힌다. 특별한 냉각 시스템이나 전원이 없어도 공기에 의해 냉각되기 때문에 노심용융이 일어날 염려가 없다.
후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고
하지만 결국, 원자로 1-3호기는 모든 냉각수가 증발하면서 3월 12일 노심 온도가 섭씨 1200도까지 상승하였다. 제1방호벽인 펠렛과 제2방호벽인 피복관이 고온으로 인해 녹아 내렸고, 제3방호벽인 20cm 두께의 철제 원자로 압력용기(Reactor Pressure Vessel)도 녹아 내리면서 구멍이 뚫렸다. 이로 인해 핵연료가 공기 중에 확산되기 시작하였다.. 핵연료에 있는 지르코늄이 1,200도를 넘으면, 반응을 일으켜 수소를 내놓는데, 이 수소가 격납용기내 수증기와 함께 고온고압을 유지하게 되었고, 12일 1호기, 14일 3호기에서, 15일 4호기에서 수소폭발을 일으켜 격납용기를 손상시켜서 방사능의 대기 유출이 시작됐다.
플루토늄 동위 원소
원자로에서 우라늄-235가 중성자를 먹고 우라늄-236이 된 후 이것이 중성자를 2개 흡수하여 생성된다.
플루토늄-238은 1kg당 567W의 에너지를 내뿜기 때문에 원자력 전지의 원료가 된다.
하지만 원자로내에서는 Pu와 Pu도 섞여 있기 때문에 반드시 분리해야 하며, 동위원소 분류법으로 분리되어야 되기 때문에 가격도 비싸므로 일반 원자로 재처리에서는 뽑아내지 않는다.
대신 실험용 원자로에서 플루토늄-238이 잘 생성될 수 있는 동위체인 우라늄-236이나 넵투늄-237을 우라늄-235와 섞어서 만든 연료를 태운후에 얻는다.
원자로 압력용기
원자로압력용기(RPV, reactor pressure vessel)는 핵연료를 장전하여 연쇄적인 핵분열반응이 안전하게 일어날 수 있도록 탄소강 재질의 금속으로 이루어진 압력용기로, 원자로 격납 건물 내부 정중앙에 위치하고 있다. 원자로 압력용기는 반구형 하부헤드가 달린 원통형의 하부압력용기 부분과 상부의 반구형 원자로헤드 부분으로 구성되어 있다.
용융염 원자로
몇몇 종류의 용융염로는 매우 효율적이다. 노심과 1차 계통은 압력이 낮으며, 얇은 재질로 건설가능해 가격도 싸고 비싼 용접을 하지 않아도 된다. 그래서 두꺼운 압력용기를 쓰는 일반 경수로보다 더 가격이 싸다는 장점이 있다. 또한 몇몇종류의 용융염을 연료로 사용하는 토륨 증식로는 메가와트대비 핵분열성 물질이 다른 원자로에 비해 매우 적으며, 농축공정이나 연료집합체를 사용할 필요가 없어서 가격적으로도 경쟁력이 있다. 또한 높은온도로 가동할 수 있기 때문에, 높은 경제성과 수소를 생산하거나 다른 화학적 반응에도 사용할 수 있다. 이런 점 때문에 용융염로는 4세대 원자로중에 포함되었다.
원자로
대부분의 원자로에서는 천연 우라늄(99.2745%는 우라늄 238, 0.72%는 우라늄 235, 0.0055%는 우라늄 234)보다 우라늄 235를 좀 더 농축한 농축 우라늄(2~4%)을 연료로 쓴다.
원자력
1951년 미국 아이다호주에서 실험용원자로 EBR-1을 이용한 세계 최초의 원자력발전이 시작되었고, 1954년 구소련의 오브닌스크 원자력발전소도 원자력발전을 개시했다. 뒤를 이어 1956년 영국의 콜더홀 발전소가 상업용 원자력발전을 시작했고, 1957년에는 미국이 원자력잠수함에 적용하던 원자력발전 기술을 개량해 가압경수로 방식의 시핑포트 원자력발전소를 건설해 상업 발전을 시작하였다. 이 시기에 지어진 원자력발전소를 1세대 발전소라고 한다.
마그녹스
마그녹스(Magnox)는 원자로 형식중의 하나로, 영국에서 핵무기급 플루토늄생산과 발전용으로 쓰려고 개발한 원자로이다. 마그녹스라는 이름은 원자로 안에 집어넣은 연료봉의 피복재로 쓰인 마그네슘 합금에서 따왔다. 이 원자로 설계는 오래되었기 때문에 현재 영국의 원자력 발전소들은 마그녹스를 마그녹스에서 유래한 개량 가스냉각로(Advanced Gas-cooled Reactor, AGR)로 바꾸려는 계획을 세우고 있다. 2005년 영국에서는 마그녹스 발전소 4기가 여전히 운행중이고, 모두 2010년경에 폐로할 계획이다.
핵연료
핵연료(核燃料, )는 원자력발전소에서 전기를 생산하는 데 필요한 에너지를 핵분열 반응을 통해 내는 방사성물질을 말한다.
화력 발전소
석탄을 연료로 하는 화력 발전소에서는, 먼저 석탄을 작게 조각 낸 다음에 저탄기로 보낸다. 저탄기에 저장된 석탄은 분쇄기에서 고운가루로 만들어서 공기 가열기에서 나온 고온의 공기를 이용하여 보일러로 불어넣는다.
조선민주주의인민공화국의 원자력 발전
1960년대는 북한이 핵개발에 기초가 마련되었다. 1962년 1월 소련에서 연구용 원자로를 제공받아 영변에 건설하여 1965년 6월부터 IRT-2000형 원자로를 가동했다. 이 원자로는 북한 최초 원자로로 약 2년간 시험운전을 거쳐 1967년 본격적으로 운행에 들어갔다. 핵연료로는 10% 저농축 우라늄을 사용했다. 이 농축 우라늄은 소련에서 수입되었고, 사용후 핵연료는 소련에서 회수하였다. 1964년 2월에는 핵물리학 연구소를 설치하였고, 1961년에서 1967년 까지 약 3천여명의 과학자를 소련에 파견했다.
1970년대는 핵무기 개발 정책을 본격적으로 추진하는 시기인 동시에 산업정책으로서 에너지 개발 및 평화적 연구목적으로 원자력 개발에 몰두하던 시기다. 1971년 4월 중국 핵과학자 8명을 초청, 핵과학 연구소와 원자로 건설에 관한 지원을 받았으며, 1973년 김일성대학에 핵물리학과, 김책공대에 핵전기 공학과 원자로 공학과를 설치했다. 1974년 3월 최고인민회의 5기 3차 회의에서 원자력법이 승인되어 법적장치를 마련했다.
1974년 9월 국제원자력기구에 가입했고, 12월에는 IAEA 극동지역 대표이사국으로 피선되었다. 또 연구용 원자로와 임계 시설이 있는 영변지역의 중요성을 감안하여, 이 지역을 특별구로 지정하여 엄격히 통제했다. 1976년에는 프랑스에 원자력발전소 건설 및 운영관리 연구원, 원자력발전소 요원을 연수시켜 서방의 선진 원자력 기술을 습득했다. 1975년 영변동위원소 실험실에서 자체 핵연료를 이용하여 재처리 실험을 했고, 1976년 동위원소 생산연구실을 설치해 우라늄과 플루토늄의 처리기술을 개발하고 1978년 부터는 북한지역내 우라늄광을 탐사하여 황해북도 평산과 평안남도 순천에 총 매장량 2,600만톤 가운데, 가채량 400 만톤을 확인했다. 1977년 7월에는 영변에 있는 원자로와 임계시설에 대한 IAEA 사찰을 받았다.
국제 원자력 사고 등급
원자력발전소에는 핵연료의 핵분열에 의한 열을 발생시키는 원자로가 있으며, 그 열로 증기를 발생시켜 기계적 에너지로 바꾸는 터빈, 그걸 다시 전기에너지로 변환시키는 발전기가 있다. 이들 각각에는 기기고장 시 자체 보호하는 설비(보호 장치)가 있으며, 각 보호설비가 작동할 때 해당 기기(원자로, 터빈, 발전기)를 '정지한다'고 한다. 따라서 원자력발전소에는 원자로정지, 터빈정지, 발전기정지의 3가지 정지가 있다.
KSTAR
핵융합 발전의 연료로는 중수소와 삼중수소가 이용된다. 중수소와 삼중수소를 특수전기장치를 이용해 섭씨 1억도까지 올리면 전자가 분리되고, 이온화된 다량의 원자핵과 전자가 고밀도로 몰려 있는 플라스마(plasma)상태가 된다. 플라스마 상태의 중수소와 삼중수소가 서로 충돌하면 중성자와 헬륨이 생성된다. 이때 생성된 중성자와 헬륨의 질량의 합은 충돌 전의 중수소, 삼중수소의 질량의 합보다 작은데, 이 질량의 차이가 에너지로 변환된다.
원자로
일반적인 화력 발전소가 가스나, 석탄, 혹은 석유를 통해 만들어진 열로 전기를 생산하는 것처럼, 원자력 발전소 또한 원자로에서 핵분열을 통해 생산된 열로 전기를 생산한다.
개량 가스냉각로
첫번째는 천연우라늄을 연료로 사용하고 흑연을 감속재로 쓰는 마그녹스(Magnox)형 원자로이다. 마그녹스라는 이름은 원자로 안에 넣는 연료봉의 피복재로 쓰인 마그네슘합금에서 따왔다. 최초의 마그녹스형 원자로는 영국 세라필드원자력단지 내에 설치된 콜더홀(Calder Hall) 원자로로, 세계 최초의 상업용 원자력발전소의 서막을 알렸으나, 가동한 지 47년이 지난 2003년 문을 닫았다.
핵연료
수용액균질원자로는 우라닐 황산염 혹은 다른 우라늄 염 수용액을 연료로 사용한다. 이것의 단점중 하나로는 사고발생시 연료가 빨리 증발되어 버리기 때문이기 때문에 이 원자로 형태는 대형 전력생산용 원자로에 사용된적이 없다.
제어봉
원자로의 반응도를 제어하는 다른 방법으로는 화학적 독물질(chemical shim)이 있는데, 이것은 냉각재에 중성자를 잘 흡수하는 물질을 섞어 놓은 것으로, 대표적으로 붕산(H₃BO₃)이 있다. 제어봉에 비해 반응속도가 느려서 장기적인 반응도를 제어하려는 목적으로 쓰이고, 노심 전체에 균일하게 분포되므로 원자로 내의 중성자 분포를 균일하게 유지할 수 있다.
비등수형 원자로(BWR)는 원자로의 정지 및 출력제어에 사용되는 제어봉 설계에서 다른 원자로와 특히 구별된다. 즉, 가압수형 원자로(PWR)의 제어봉 집합체는 원자로 위에 있어 노심 상부에서부터 삽입되지만 비등수형 원자로(BWR)는 원자로 상부에 증기분리기 등이 있기 때문에 제어봉 집합체는 원자로 하부에 있으며; 노심 하부에서부터 고압의 유압계통에 의해 삽입된다. 또한, 비등수형 원자로(BWR)에는 Torus 또는 Suppression Pool이 존재하는데, 이는 원자로나 원자로 재순환 계통으로부터 많은 양의 증기가 방출되는 사고가 발생하였을 때 방출된 열을 제거하는데 사용된다. 체르노빌 원자력 발전소에는 200개의 제어봉이 있었다.
원자로
열 중성자 반응로는 일반적으로 정제된 농축우라늄에 의존한다. 그리고 몇몇 원자로는 MOX연료(우라늄+플루토늄 혼합 연료)를 사용한다. 이 과정은 우라늄광석이 채광, 제련, 사용, 가능하다면 재처리와 처분에 이르기까지의 과정을 핵연료 주기라고 부른다.
에너지 개발
화석 연료는 과거의 식물 또는 동물들의 잔해물이 분해되어 만들어진 석탄이나 탄화수소 연료를 태워 얻어진다. 주로 쓰이는 화석 연료에는 크게 세 가지: 석탄, 석유, 천연 가스가 있다. 또다른 화석 연료인 액화 석유 가스 (LPG)는 주로 천연 가스를 생산하는 과정에서 얻어진다. 화석 연료를 태워 얻은 열 에너지는 직접 난방 또는 공정 가열에 사용되거나, 기계 에너지로 전환시켜 차량, 산업 공정, 발전기 가동에 사용된다.
가압수형 원자로
가압수형 원자로(加壓水型原子爐, ), 가압 경수로는 압력을 가한 물을 냉각재와, 중성자 감속재로 쓰는 원자로이다. 이 원자로의 이름은 내부 냉각수 순환계통에서는 물에 압력을 가해서 물이 끓지 않도록 만든 데에서 비롯되었다. 가압수형 원자로는 전 세계에서 가장 보편화된 원자로로서, 230개 정도의 원자로는 전력 생산에 쓰이고 몇 백 개의 원자로는 해군 함정을 추진하는 용도로 사용된다. 우리나라에서는 월성원자력발전소를 제외하고 고리, 한빛, 한울 등 모든 원전이 가압경수형 원자로를 쓰고 있다.
방사성 폐기물
고수준 폐기물은 원자로에서 발생된다. 이들은 원자로 노심에서 발생되는 핵분열 생성물들과 초우라늄 원소들을 포함하는데, 대부분 강한 방사능을 가지고 있고 매우 뜨겁다. 고수준 폐기물은 원자력발전에서 나오는 총 방사능의 95%를 차지하고 있는데, 전 세계적으로 그 양이 매년 약 12000톤씩 증가하고 있다. 1000MWe급의 원자력 발전소 하나는 매년 약 27톤의 사용후 연료를 배출한다.