원자력발전원리

원자력 발전의 원리

원자력 발전은 물을 끓여서 증기를 만들고 이 증기로 터빈과 발전기를 돌려 전기를 생산한다는 점에서 일반 화력발전방식과 다를 바 없다. 하지만 화력 발전은 석유나 석탄을 태울 때 발생하는 열(에너지)로 물을 증기를 만들지만 원자력발전은 우라늄이 핵분열할 때 발생하는 열로 물을 증기로 만든다.

즉, 우라늄과 같은 무거운 원자핵은 외부에서 낮은 에너지를 가진 중성자(열중성자)를 흡수하면 서로 다른 두개의 새로운 원자핵으로 분열되는데 이를 핵분열이라 한다. 이때 2∼3개의 중성자와 막대한 에너지(열)를 내는데, 원자력 발전은 이때 발생한 열로 물을 증기로 바꾸어 발전을 하는 것이다

원자로의 중심부 노심이라 불리는 영역에 핵연료가 장전되어 있는데, 핵연료는 천연우라늄(²³⁵U 가 0.7%)에서 ²³⁵U 함유율을 3~5% 정도로 높인 저농축우라늄을 가공한 연료소자(Pellet)를 피복관 속에 넣은 후 양단을 용접하여 밀폐한 연료봉을 모아 다발(핵연료 집합체)로 만들어 사용하고 있다. 핵연료 내에 존재하는 ²³⁵U는 열중성자와 충돌시 핵분열반응을 일으키며 이 때 많은 에너지와 2~3개의 에너지가 높은 새로운 중성자(고속중성자)를 방출하게 된다. 이들 새로운 고속중성자가 에너지를 잃는 과정을 거쳐 열중성가 된 후 또 다른 ²³⁵U와 충돌 반응함으로써 원자로 내에서는 핵분열이 지속되는 연쇄반응을 일으나게 된다.

핵연료 내의 ²³⁵U 핵분열에서 발생한 많은 에너지를 전달받은 원자로 냉각재(1차냉각재)는 증기발생기로 보내져 2차냉각재(경수)를 가열하여 증기로 변환시키며 발생된 증기로 터빈을 구동시키고 이때 터빈축과 연결되어 있는 발전기에서 전기가 만들어진다. 원자력발전소는 화력발전소와는 달리 핵분열 시 방사성물질이 생성되므로 이들의 터빈 및 발전계통으로 이동을 방지하도록 원자로 노심을 냉각하는 1차냉각재와 터빈을 구동하는 2차냉각재는 구조적으로 분리된 것이 특징이다. 1차 및 2차 냉각재의 경계는 증기발생기이다.

우라늄 1g이 핵분열할 때 생기는 에너지는 석유 9드럼(1800ℓ), 석탄 약 3톤이 완전 연소할 때 생기는 에너지와 맞먹는데, 곧 우라늄은 석탄보다 약 300만 배의 열을 낸다고 할 수 있다.