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원자력발전소
원자력에너지학원/전력에너지학원

[ 원자력 핵분열 ]


원자의 구조

모든 물질은 원자로 구성되어 있으며 원자는 중심에 자리잡고 있는 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 구성되어 있다. 예를 들어 원자핵이 태양이라면 전자에는 지구나 화성처럼 그 주위를 돌고 있는 위성과 같은 것이다. 원자핵이란 양성자(양자)와 중성자라는 입자가 모인 것이다.




핵분열과 연쇄반응

다수의 양자와 중성자를 가진 원자핵 중에는 외부에서 중성자가 부딪치면 쉽게 쪼개지는 성질을 가진 것이 있다.
바로 우라늄과 같은 물질인데, 이 원자핵이 쪼개지는 것을 핵분열이라고 하며 이때 엄청난 에너지가 나온다.
원자핵이 분열할 때는 2~3개의 중성자도 함께 나오는데 이 중성자가 다른 원자핵과 부딪치면 또 다시 핵분열이 일어나고 이런 식으로 핵분열이 이어지는 것을 핵분열 연쇄반응이라고 한다.




원자력 에너지

원자력이란 바로 핵분열이 연쇄적으로 일어나면서 생기는 막대한 에너지를 말한다.
우라늄 1gram이 전부 핵분열 할 때 나오는 에너지는 석유 9드럼, 석탄 3톤을 태울 때 나오는 에너지량과 맞먹는다.



[ 원자력발전소 ]


원자력발전소 계통구성

원자력발전소는 핵분열원리에 의해 에너지를 발생하여 전기를 생산하는 설비로서 크게 1차계통과 2차계통으로 구성되어있다. 1차계통은 원자력발전소의 핵심 계통으로 핵분열 반응이 일어나는 원자로와 원자로에서 발생한 열을 물을 통하여 열을 전달해 주는 증기발생기, 가압기, 원자로냉각재펌프로 구성되어있다. 2차계통은 1차계통에서 발생한 열에너지를 증기로 변환하여 터빈발전기를 통해 전기를 생산하는 계통으로 주요구성 기기로는 증기발생기, 터빈, 발전기, 복수기, 급수펌프 등으로 구성되어 있다.



원자력발전소 전기발생흐름도




한국표준형 원자력발전소

1970년대 초 전세계를 강타한 석유파동으로 에너지의 중요성을 절감한 우리나라는 장기적인 에너지 수급을 위해 원자력 발전소 건설을 추진하였으며, 그 첫 결실이 1978년 준공된 고리 1호기였다. 이후 영광, 월성, 울진에 차례로 원자력발전소가 들어서게 되었지만 당시만해도 기술력이 크게 부족해 외국기술에 의존할 수밖에 없었다. 1984년 원전기술자립계획’을 세우면서 본격적인 연구개발을 추진, 1987년 계약된 한빛 3,4호기 건설과정에서 흡수한 설계 및 제작기술을 토대로 우리 실정에 맞는 표준형 원전을 개발해냈는데, 그것이 바로 한국 최초의 표준형 원전 한울 3,4호기 이다. 한국표준형 원자력 발전소는 두 가지 모델이 있는데, 하나는 OPR1000이고 다른 하나는 APR1400이다.



한국표준형 원전 OPR1000과 APR1400 비교

구분 OPR1000 APR1400 비고
설계수명 40년 60년
설비용량 1,000MW 1,400MW
내진설계 0.2g 0.3g
계측제어 아날로그 디지털
대표 신고리 1,2호기 신고리 3,4호기

OPR : Optimized Power Reactor / APR : Advanced Power Reactor
현재 APR1000 및 APR+(1,500MW) 추가 개발중




한국표준형 원전 OPR1000 개요


구분 신고리 1,2호기
노형 가압경수로(PWR)
용량 1,000 MWe
노심열출력 2,825 MWt
설계수명 40년
내진설계 0.2g
노심손상빈도 1회 / 1만년
방사능대량 누출빈도 1회 / 10만년







한국표준형 원전 APR1400 개요


구분 신고리 3,4호기
노형 가압경수로(PWR)
용량 1,400 MWe
노심열출력 4,000 MWt
설계수명 60년
내진설계 0.3g
노심손상빈도 1회 / 10만년
방사능대량 누출빈도 1회 / 100만년




[ 방사선의 정체 ]


방사선이란

방사선의 본질은 에너지를 가진 입자의 흐름이거나 파동으로 눈에 보이지 않고 냄새나 맛도 없다. 방사선은 물질을 구성하고 있는 가장 기본적인 단위인 원자(原子)로부터 나온다. 원자를 이루고 있는 양성자, 중성자, 전자가 균형을 이루고 있지 못할 때 방사선을 낼 수 있는 능력(방사능)을 가지는데 이러한 물질을 방사성물질이라고 하며 방사성물질에서 나오는 일종의 에너지를 방사선이라고 한다. 다시 말하면 방사선은 어떤 물질이 구조적으로 최고의 안정상태를 유지하기 위해 스스로 변신해가는 과정에서 생기는 부산물이라고 할 수 있다.



자연방사선과 인공방사선

우리는 매일같이 방사선을 받으며 방사선과 더불어 생활하고 있다. 사실 방사선은 인간이 원자력을 이용하면서부터 만들어낸 것이 아니라 공기나 물처럼 지구가 생겨날 때부터 존재하여 왔고, 앞으로도 영원히 우리와 더불어 있을 것이다. (1인당 자연방사선 피폭량 : 2.4mSv/년, X 레이 피폭량 : 0.1mSv/회) 방사선은 우주로부터도 오고 땅에서도 나오며 우리가 살고 있는 집에서도, 먹고 있는 음식에서도, 심지어 우리 몸 속에서도 나오는데 이렇게 자연 속에서 나오는 것을 자연방사선이라고 한다. 이처럼 방사선은 우리의 생활주변 어디에나 있지만, 특별히 관심을 두지 않아도 되는 적은 양이기 때문에 우리는 이를 의식하지 않고 생활해 나가고 있다. 이와는 달리 TV나 전자렌지같은 가전제품, 공항의 보안검색장치, 병원에서 흔히 쓰이는 X선장치나 암치료장치, 원자력발전소에서 나오는 방사선 등은 인공방사선이라고 한다.


방사선의 종류

방사선의 종류에는 알파선, 베타선, 감마선과 주로 인공적으로 만드는 X선, 중성자선 등이 있다. 에너지를 갖고 파동의 성질을 갖는다는 측면에서는 태양광선도 방사선이라 할 수 있다. 방사선은 퀴리부인이 방사성동위원소 핵에서 나온다는 사실을 발견했고, 러더포드가 방사선의 종류에 이름을 붙였다.



중저준위 방사성폐기물

원자력발전소는 운전과정에서 핵분열에 의해 방사성폐기물이 발생하며 방사선의 세기에 따라 고준위, 중저준위로 분류한다. 원전에서 배출된 중저준위 방사성폐기물은 드럼에 넣어 고화시켜 발전소 임시저장고에 보관하며 발전소에 보관된 폐기물은 단계적으로 경주지역에 건설된 중저준위 방사성폐기물 처분시설에 안전하게 영구처분하게 된다.(동굴처분 또는 천층처분)



중저준위방사성폐기물 임시저장고



중저준위방사성폐기물 처분시설(경주)



고준위 방사성폐기물

고준위 방사성폐기물은 원자력안전법에 열 발생량이 2㎾/㎥, 반감기 20년 이상인 알파선을 방출하는 핵종으로 방사능농도가 그램당 4,000베크렐 이상인 것으로 정의하고 있다.우리나라의 경우 고준위 방사성폐기물은 사용후핵연료가 대부분이며 신연료와 달리 사용후핵연료에서는 높은 수준의 열과 방사선이 방출되어 특별관리가 필요하다.고준위 폐기물인 사용후핵연료는 아직까지 처분방식에 대해 정부정책이 결정되지 않아 발전소 사용후연료 저장조에 보관하고 있다.



사용후연료 저장조(한울)

[ 핵폭탄]


핵폭탄이란

농축우라늄 235나 플루토늄 239를 임계질랑 이상으로 하고 핵분열의 연쇄반응을 고속으로 진행하여 막대한 에너지를한 순간에 방출시킨 것이다. 우라늄과 같은 원자번호가 큰 중원소의 원자핵에 중성자를 충돌시키면 원자핵에 분열반응이 일어나고 2개 이상의 중성자가 튀어나오게 된다. 이 핵분열 과정에서는 감마선과 중성자와 함께 엄청난 열에너지가 방출된다. 이러한 핵분열반응이 일정한 조건하에서 연쇄반응을 일으켜 확대되어 나가면 방대한 에너지를 방출하게 되는데, 이러한 핵에너지를 군사적 목적에 활용한 것이 핵폭탄이다.

핵폭탄 제조과정

핵폭탄을 제조하는 과정은 크게 두가지 방법이 있다. 하나는 우라늄이나 플루토늄을 95% 이상 고농도로 농축하여 핵폭탄으로 사용하는 방법과 다른 하나는 원자력발전소에서 사용하고 난 사용후연료를 재처리하여 고농도의 플루토늄을 이용, 핵폭탄을 만드는 방법이다.




원자력발전소와 핵폭탄 비교


구분 원자력발전소 핵폭탄
원리 핵분열 핵분열
원료 우라늄 우라늄/플루토늄
농축도 2~5% 95% 이상
기타 폭약장치





핵폭탄의 사용사례 : 히로시마 원폭


  • * 종류 : 우라늄탄, 플루토늄탄
    * 피해 : 열, 폭풍, 방사능
    * 1945년 히로시마 피해사례
    - 중심부 반경 12km 내 괴멸
    - 사상자 16만명(추정)
    - 중심부 온도 3,000도 이상
    - 반지름 5km내 인체 증발