210417 [알기 쉬운 원자력 에너지 이야기] Week3 원자력 에너지 활용에 대한 기본 과학개념 이해

■ 1차시 원자력 원리

ㅇ A = Z+N

- A : 원자량 

- Z : 양성자

- N : 중성자

 

ㅇ 동위원소

- 양성자 개수는 같고, 중성자 개수가 다른 원소

- 동위원소끼리는 원자량과 질량이 다름

- 원자, 분자의 화학적 특성은 양성자 개수로 결정

 

ㅇ 방사성 동위원소

- 불안정하여 방사선을 방출(방사성 붕괴)하고 에너지 준위를 낮추어 안정화된다.

- 입자간 상호작용으로 핵반응이 일어난다.

 

ㅇ 가벼운 원소의 경우 통상적으로 양성자와 중성자 개수가 같다.

- 양성자 개수가 많아질수록 같은 극성으로 인한 반반력이 심해지고 안정성이 약해짐

 

ㅇ 핵력

- 양성자간의 반반력을 잡아줌

- 양성자 중성자간의 결합을 통해 발생

 

ㅇ 무거운 원소가 된다는 것

- 양성자가의 개수가 늘어날수록 핵을 안정시키기 위해 중성자도 늘어남

 

ㅇ 우라늄 238

- 146개의 중성자가 92개의 양성자와 결합하여 안정화된 원자핵 구성

 

ㅇ 방사성 동위원소의 붕괴의 시기와 방식은 정확히 알수 없음

- 양자역학의 세계이므로 확률로만 추정가능

- 원자력 안전은 방사성 붕괴를 잘 냉각시키는데 있음

 

ㅇ 방사선

- 원자핵이 안정한 상태로 돌아가는 과정에서 방출되는 에너지

- 엑스선, 감마선 : 빛 에너지로 방출

- 알파선 : 헬륨원자 방출

 

ㅇ 알파붕괴

- 원자핵에서 큰 덩어리의 입자가 방출됨으로써 안정화

 

ㅇ 베타붕괴

- 원자핵에서 전자를 방출

 

ㅇ 감마선이 엑스선보다 에너지가 높다

 

ㅇ 알파, 베타, 감마 외에 중성자, 양성자도 방출됨

 

ㅇ 방사선에 민감한 줄기세포

- 새롭게 인체를 구성하는 줄기세포가 변형되어 암과 같은 질병이 발생

 

ㅇ 철(FE)

- 핵자당 가장 높은 결합에너지

- 우리가 알고 있는 가장 안정적인 원자

- 별이 핵융합을 마친 뒤 남아 있는 원자

- 철이 된 이후 더 이상의 핵융합은 없음

 

ㅇ 가장 무거운 원자인 우라늄의 핵자당 결합에너지는 철보다 낮음.

- 핵분열을 통해 불안정한 에너지를 방출하고 철과 같이 높은 수준의 결합에너지를 가진 원자핵으로 바뀜

 

ㅇ 핵융합

- 가벼운 원소가 원자간 융합을 통해 무거워지는 현상 (안정화)

 

ㅇ 핵분열

- 무거운 원소가 핵반응 통해 가벼워지는 현상 (안정화)

 

ㅇ 핵분열 에너지가 훨씬 크고 반응시키기 쉬워 발전에 주로 이용됨

- 핵분열 반응 하나당 에너지 : 200MeV

- 핵융합 반응 하나당 에너지 : 20Mev

 

ㅇ 일반 원소를 전기적으로 핵분열 시키기 위해서는 매우 높은 에너지가 필요함

- 하지만 중성자는 전기적으로 중성이기에 충돌 또는 흡수를 통해 반응

 

ㅇ 반응의 종류

- 탄성 충돌

- 비탄성 출돌

- 중성자가 원자핵에 흡수되어 원자핵 스스로 붕괴

 

ㅇ 원자력 발전

- 고속의 중성자를 저속의 중성자로 감속하여 중성자가 우라늄에 흡수되는 흡수률을 조정

 

ㅇ 열중성자

- 에너지가 낮은 중성자

- 현재 물질을 구성하고 있는 온도와 유사한 열적 평형 상태

 

ㅇ 고속중성자

- 핵분열에서 나온 중성자

- 반응 확률이 낮음

- 핵폭탄에서 고속중성자를 이용하기 위해 고농축 우라늄을 사용해야함

 

ㅇ 원자력 발전소

- 감속재를 사용하여 열중성자를 만들고 반응확률을 높이는 방식

- 저농축 우라늄 또는 플루토늄 사용

- 연료를 반응시킬 수 있는 중성자의 개수를 원자로에서 제어하여 출력을 조정

 

ㅇ 감속재는 고온에서 사라짐

- 따라서 원자력 발전소는 핵폭탄이 될 수 없음

 

ㅇ 우라늄 238

- 자연 우라늄의 99% 이상

- 중성자와 매우 낮은 확률로 핵분열 반응

- 핵연료로 사용 불가

 

ㅇ 우라늄 235

- 고속중성자를 흡수하는 확률은 낮음

- 대신 흡수했을 때 추가로 발생하는 중성자 개수가 매우 높음

 

ㅇ 핵발전과 핵폭탄의 차이

- 중성자 개수를 일정하게 유지하면 핵발전

- 중성자 개수가 점점 늘어나면 핵폭탄

 

ㅇ 핵발전의 반응과정

- 고체상태 우라늄과 중성자가 반응하여 핵분열이 발생

- 핵분열로 인해 발생한 중성자가 핵연료 밖으로 나가 감속재(물, 흑연 등)를 만나 운동에너지를 잃음(저속화)

- 저속중성자가 다시 핵연료로 들어가 우라늄과 반응

 

ㅇ 제어봉 (control rod)

- 중성자를 흡수하는 물질

- 제어봉을 빼거나 추가하여 중성자 개수를 조절

 

ㅇ 핵분열 이후

- 핵연료는 핵분열 이후 가벼운 원소로 바뀜

- 이 가벼운 원소들은 방사성 동위원소가 될 확률이 높음

 

ㅇ 순수한 핵연료는 방사선을 방출하지 않음

- 원자로에 들어가 핵분열 하고 난뒤 방사선이 발생

 

ㅇ 냉각의 중요성

- 핵분열이 일단 시작되면 바로 멈출 수 없음

- 일단 핵분열이 시작되면 이후 중성자가 하나도 없어도 방사성 동위원소가 생김

- 원자로를 끄더라도 냉각을 계속 해야 함

- 사용한 핵연료 또한 충분히 냉각을 하지 않으면 핵연료가 녹아 방사성 동위원소가 누출될 수 있음

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■ 2차시 원자력 발전의 원리2

 

ㅇ 1차 계통

- 핵증기공급계통

- 물을 증기로 바꾸는데 필요한 열 생산

 

ㅇ 2차 계통

- 증기발전계통

- 생성된 증기를 터빈에서 돌리고 다시 물로 응축해서 순환

- 1차 계통은 방사선을 노출시키기 때문에 열만 2차 계통으로 전달

 

ㅇ APR

- Advanced Power Reactor

- 우리나라에서 최초로 개발하고 최초로 수출한 원자로

 

ㅇ NSSS

- Nuclear Steam Supply System

- 핵증기공급계통

- 1차 계통에서 물을 고압상태(155기압)로 가열하여 300도 만듬

- 2차 계통에서 69기압의 낮은 기압을 이용, 낮은 온도에 물을 끓임

 

ㅇ 핵연료봉

- 지르칼로라는 합금으로 구성

- 우라늄 옥사이드(세라믹 재질의 핵연료)를 분필조각 형태로 아주 작게 만들어 연료봉에 장전

 

ㅇ 액적

- 터빈을 돌리 때 압력이 떨어지면 증기가 액적을 만듬

- Moisture separator를 이용해 액적을 분리

- Reheater를 이용해 액적을 분리하고 가열시켜 고온 고압의 증기를 유지

 

ㅇ 최종적으로 증기를 가압에 유리한 액체로 만들기 위해 응축기를 지나감

 

ㅇ 방사능 방벽

- 1방벽 : 핵연료

- 2방벽 : 클레딩(지르코늄 합금)

- 3방벽 : 원자로

- 4방벽 : 콘크리트 격납 건물

 

ㅇ 원자력 발전소에가 멈춘다면

- 1차 : 증기발생기

- 2차 : 잔열제거계통

을 이용해 원자로에서 발생하는 붕괴열을 감소시킴

 

ㅇ 냉각제가 파괴되면

- Accumulator(고압으로 충전되어 있는 물탱크)로 긴급충전

 

ㅇ 원자로 냉각

- 외부의 물을 스프레이로 방사하여 증기를 응축 및 냉각

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■ 3차시 원자력 발전 산업의 부흥(2세대)

ㅇ 큰 용량의 발전소의 증가

- 100MW급에서 1000MW 급으로 규모 확대

- 2세대 발전소 : 500MW ~ 1400MW

 

ㅇ Combusion Engineering

- 우리나라에서 만드는 원자력 발전소 대부분의 이 회사의 기술

 

ㅇ 회사마다 원자로의 구성은 비슷 대신 냉각기술의 차이

 

ㅇ BWR (비등형 경수로)

- 가압형 경수로와 경쟁

- 전 세계 3분의 1 정도의 점유율

- 1,2차 계통 없이 원자로에서 물을 끓여 만든 증기로 터빈을 회전

- 후쿠시마 원자로

- 터빈계통과 냉각수 모두 방사화 되어있어 가동중 유지보수가 어려움

- 가압형 경수로에 비해 간단한 설계 및 계통 압력이 낮은 장점

 

ㅇ 제어봉 삽입 방향

- 가압형 경수로는 위에서

- 비등형 경수로는 아래에서 (구조적)

 

ㅇ 가압중수로

- 월성 1,2,3호기

- 경수(H2O)가 아닌 중수(H에 중성자 하나 추가, 물보다 무거움)를 이용하여 중성자 감속(물보다 뛰어남)

- 우라늄235의 농축없이 천연 우라늄 상태에서 발전이 가능

- 경제성 측면에서 뒤떨어짐