우리는 핵 에너지를 통해 전기를 생산할 수 있습니다. 원자력 발전소에서는 핵 반응을 통해 전기를 생산합니다. 여기서는 우라늄(U235)이나 토륨(Th232)과 같은 중량 원소가 핵분열을 겪습니다. 이 분열은 반응로라고 불리는 특수 장치에서 이루어집니다.
핵분열 과정에서 무거운 방사성 원소의 핵은 거의 두 동일한 부분으로 분리됩니다. 이 핵의 분리 과정에서 막대한 양의 에너지가 방출됩니다. 이러한 에너지 방출은 질량 결손 때문입니다. 즉, 초기 제품의 총 질량이 핵분열 과정에서 감소합니다. 이 분열 과정에서 발생하는 질량 손실은 알베르트 아인슈타인의 유명한 방정식에 따라 열 에너지로 변환됩니다.
원자력 발전소의 기본 원리는 일반적인 열발전소와 같습니다. 유일한 차이는 석탄 연소로 인해 발생하는 열 대신, 원자력 발전소에서는 핵분열로 인해 발생하는 열을 사용하여 보일러에서 증기를 생성한다는 점입니다. 이 증기는 증기 터빈을 구동하는데 사용됩니다.
이 터빈은 교류 발전기의 주요 구동체입니다. 이 교류 발전기는 전기 에너지를 생성합니다. 비록 원자력 연료의 가용성이 많지 않지만, 매우 적은 양의 원자력 연료로 막대한 양의 전기 에너지를 생성할 수 있습니다.
이것이 원자력 발전소의 독특한 특징입니다. 1kg의 우라늄은 4500톤의 고급 석탄과 동등합니다. 즉, 1kg의 우라늄의 완전한 분열은 4500톤의 고급 석탄의 완전한 연소로 생성되는 열과 동일한 양의 열을 생성할 수 있습니다.
따라서, 비록 원자력 연료가 더 비싸더라도, 단위 전기 에너지당 원자력 연료 비용은 석탄이나 디젤 등 다른 연료를 사용하여 생성된 에너지 비용보다 여전히 낮습니다. 현대의 전통적인 연료 위기에 대응하기 위해 원자력 발전소는 가장 적합한 대안이 될 수 있습니다.
원자력 발전소에서 연료 소비는 상당히 적으므로, 단위 에너지 생성 비용은 다른 전통적인 발전 방법보다 훨씬 낮습니다. 필요한 원자력 연료의 양도 적습니다.
원자력 발전소는 동일한 용량의 다른 전통적인 발전소에 비해 훨씬 작은 공간을 차지합니다.
이 발전소는 많은 양의 물이 필요하지 않으므로, 자연적인 수원 근처에 건설할 필요가 없습니다. 또한 많은 양의 연료가 필요하지 않으므로, 석탄 광산이나 좋은 운송 시설이 있는 곳 근처에 건설할 필요도 없습니다. 따라서 원자력 발전소는 부하 중심부에 매우 가까운 곳에 설립될 수 있습니다.
세계적으로 원자력 연료의 매장량이 많으므로, 이러한 발전소는 앞으로 수천 년 동안 전기 에너지의 지속적인 공급을 보장할 수 있습니다.
연료는 쉽게 구할 수 없으며, 매우 비쌉니다.
원자력 발전소의 초기 건설 비용은 상당히 높습니다.
이 발전소의 설치 및 운영은 다른 전통적인 발전소보다 훨씬 복잡하고 정교합니다.
분열 후생물은 방사능이 있으며, 이로 인해 높은 수준의 방사능 오염이 발생할 수 있습니다.
유지보수 비용이 높고, 원자력 발전소를 운영하기 위해서는 전문적으로 훈련받은 인력이 많이 필요합니다.
부하의 갑작스런 변화는 원자력 발전소에서 효율적으로 처리할 수 없습니다.
핵 반응의 부산물은 매우 방사능이 강하므로, 이들 부산물의 처분은 매우 큰 문제입니다. 이러한 부산물은 지하 깊숙이나 해안에서 멀리 떨어진 바다에만 처분할 수 있습니다.
원자력 발전소는 주로 네 가지 구성 요소로 구성되어 있습니다.
원자로
열 교환기
증기 터빈
교류 발전기
이제 이러한 구성 요소들을 하나씩 살펴보겠습니다:
원자로에서 우라늄 235는 핵분열을 겪습니다. 이는 분열이 이루어질 때 시작되는 연쇄 반응을 제어합니다. 연쇄 반응은 반드시 제어해야 하며, 그렇지 않으면 에너지 방출률이 너무 빨라져 폭발의 위험이 있습니다. 핵분열 과정에서 우라늄 235와 같은 핵 연료의 핵은 느린 중성자 흐름에 의해 충돌받습니다. 이를 통해 우라늄의 핵이 파괴되고, 거대한 양의 열 에너지가 방출되며, 핵이 파괴되는 동안 여러 개의 중성자가 방출됩니다.
이렇게 방출된 중성자는 분열 중성자라고 합니다. 이 분열 중성자들은 추가적인 분열을 일으킵니다. 추가적인 분열은 더 많은 분열 중성자를 생성하여 분열의 속도를 가속화합니다. 이것은 누적 과정입니다.
이 과정이 제어되지 않으면, 매우 짧은 시간 내에 분열률이 너무 높아져 거대한 양의 에너지를 방출하게 되며, 이는 위험한 폭발을 초래할 수 있습니다. 이러한 누적 반응을 연쇄 반응이라고 합니다. 이 연쇄 반응은 원자로에서 분열 중성자를 제거함으로써만 제어할 수 있습니다. 분열의 속도는 원자로에서 분열 중성자를 제거하는 속도를 변경하여 제어할 수 있습니다.
원자로는 원통형의 스텐트 압력 용기입니다. 연료봉은 우라늄과 같은 핵 연료로 만들어져 있으며, 일반적으로 그래파이트로 덮여 있는 조절봉이 연료봉을 감싸고 있습니다. 조절봉은 중성자의 속도를 줄여 우라늄 핵과의 충돌을 조절합니다. 제어봉은 카드뮴으로 만들어져 있으며, 카드뮴은 중성자를 강하게 흡수하는 재료입니다.
제어봉은 분열실에 삽입됩니다. 이 카드뮴 제어봉은 필요에 따라 밀어넣거나 끌어올릴 수 있습니다. 이 제어봉이 충분히 밀려 들어가면 대부분의 분열 중성자가 이 제어봉에 의해 흡수되어 연쇄 반응이 중단됩니다. 다시, 제어봉이 끌어올려지면 분열 중성자의 가용성이 증가하여 연쇄 반응의 속도가 높아집니다.
따라서, 제어봉의 위치를 조정함으로써 핵 반응의 속도를 제어할 수 있으며, 결과적으로 부하 요구에 따라 전기 에너지의 생성을 제어할 수 있습니다. 실제로는 제어봉의 밀어넣기와 끌어올리기는 자동 피드백 시스템에 의해 부하 요구에 따라 제어되며, 수동으로는 제어되지 않습니다. 핵 반응 과정에서 방출된 열은 나트륨 금속으로 구성된 냉각재를 통해 열 교환기로 전달됩니다.
열 교환기에서 나트륨 금속이 가져온 열은 물에 방출되고, 물은 고압 증기로 변환됩니다. 물에 열을 방출한 후 나트륨 금속 냉각재는 냉각재 순환 펌프를 통해 원자로로 돌아갑니다.
원자력 발전소에서 증기 터빈은 석탄 발전소에서와 동일한 역할을 합니다. 증기가 터빈을 구동하는 방식은 같습니다. 작업을 마친 후, 배기 증기는 증기 응축기로 들어가 다음 증기의 공간을 제공하기 위해 응축됩니다.
