핵발전

원자력 발전

1938년 핵분열 반응이 발견되어 이를 이용한 원자폭탄이 불과 7년 후에 실전에서 사용되었다. 이로부터 미국과 옛 소련의 무기 경쟁을 통하여 훨씬 큰 위력을 가진 폭탄들이 잇따라 만들어졌다. 한편 원자핵 반응에서 생겨나는 막대한 에너지를 통제하에 서서히 이끌어 내서 이를 유익한 방향으로 활용하려는 연구도 계속되었다.

1950년대 초반에 발전형 원자로, 즉 원자력발전소가 건설되어 가동되기 시작한 이래 세계 여러 나라의 전력생산의 상당한 부분을 차지하게 되었다.

연쇄반응이지만 천천히 분열되어야 한다.

원자폭탄은 연쇄반응이 급속도로 일어나게 두어야 하지만 이렇게 해서는 그 에너지를 잘 활용할 수 없다. 따라서 분열과정이 통제되는 가운데 서서히 일어나야 한다. 이를 위해서 핵분열에서 나오는 중성자를 제어할 필요가 있다.

우선 핵분열에서 나오는 중성자는 에너지가 수 MeV로 빠르기 때문에 핵에 효율적으로 흡수되지 않는다. 따라서 중성자의 속도를 줄여서 핵에 잘 흡수되도록 하는 것이 필요하다. 물질에 따라 중성자를 통과시킬 때 속도를 줄이되 이를 흡수하지 않는 것이 있는 데 이를 감속재(moderator)라 한다. 이상적인 감속재로서는 가벼우면서 산란단면적이 큰 원자핵이 쓰이는 데 원자로에서는 물이나 중수를 이용한다. 한편 급격하게 일어나는 연쇄반응을 제어하기 위해 중성자를 잘 흡수하는 카드뮴(Cd)이나 인듐(In), 붕소(B) 등으로 만든 제어봉(control rod)을 사용한다. 원자로의 출력을 줄일려면 노심의 제어봉을 집어넣고, 늘일려면 노심에 제어봉을 빼낸다.

아래 그림은 원자력발전소의 구조를 보여주고 있다. 반응로의 핵연료는 제어봉에 의해 서서히 핵분열반응이 일어나게 된다. 그림에서 반응로 속의 핵연료는 자발적으로 분열하여 두세 개의 중성자를 방출하지만 제어봉이 이들 중성자의 일정 부분을 흡수하여 핵반응이 급격하게 일어나지는 않는다. 제어봉은 다른 핵을 분열시키는 느린 중성자를 잘 흡수하므로 연료봉 사이에 깊이 넣을수록 반응률이 떨어지게 된다. 따라서 이 제어봉을 통하여 서서히 핵반응이 일어나게 조절하게 된다. 한편 핵반응에 의한 반응열은 고압의 물을 315도 정도로 가열하게 되고 이것이 순환하면서 다른 물을 가열시켜 증기를 발생시키고 다시 이것이 터빈을 돌려서 발전시키게 된다.

[질문1] 현대의 잠수함의 동력원은 주로 원자력을 이용한다. 이것이 기존의 휘발유 등 화석연료를 이용하는 것보다 유리한 이유는 무엇일까?

[질문2] 원자력발전소는 핵분열에 의한 에너지를 감속재나 주변의 물을 데운 증기를 이용하여 터빈을 돌린다. 이 경우 분열 반응에서 생기는 모든 에너지를 전력으로 바꿀 수는 없다. 이는 핵에너지를 전달해서 전기에너지로 바꾸는 과정에서 많은 에너지를 잃어버리기 때문이다. 이 이유는 무엇일까? 현존하는 원자력발전소의 에너지변환효율은 얼마쯤인지 인터넷의 자료를 통해서 조사해보라.

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