원자력 발전소 어떤 원리로 에너지를 생산하나요?

Question

요즘 에너지 문제로 시끄러운데요.

사실 원자력 발전소를 없애야 한다고 하더니 요즘은 다시 원자력 발전소를 통해 에너지를 생산하는거에 긍정적인 분위기입니다.

원자력 발전소에서 어떤 과학적 원리로 에너지를 만드는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 유재경 과학전문가입니다.

원자력발전소의 기본원리부터 볼 필요가 있습니다. 기본적으로 물을 끓여 생성되는 수증기를 이용해서 터빈을 돌려 전기를

생산한다... 이는 화력발전소와 비슷하지만... 화력발전소는 석탄, 가스, 석유 등의 화석연료를 태워서 물을 끓입니다.

원자력 발전은 핵분열에서 나오는 에너지를 이용해 물을 끓이는 발전방식이 다르며, 온실가스의 배출이 거의 없어 친환경

에너지라고도 합니다. 참고로 1g의 우라늄으로 석탄 3톤, 석유 9드럼에 해당하는 열량을 낼 수 있다 합니다.

추가적으로 온실 기체를 배출하지 않으니 지구온난화에 미치는 영향은 적은 반면 원전사고의 경우 피해가 다른 발전소와

비교했을 시 차원이 다르기 때문에 사회적 불안감이 매우 크죠.(과거 스리마일, 체르노빌, 후쿠시마 원전사고를 참조하세요)

또한 사고가 없더라도 폐기물처리나 수명을 다한 원전에 대한 철거비용, 냉각방식(現 바닷물)은 지속되는 문제이기도 합니다.

과학적 원리로는 원자에서 발생하는 핵분열과 핵융합을 이해해야 합니다.

이세상 모든 것은 원자로 구성되어 있죠. 하지만 눈으로 볼수없고 만질수도 없습니다. 따라서 이해하기가 쉽지 않죠.

원자에 대해서 생각해보면 동그라미 안에 조그만 동그라미 바로 핵이 있고 주변에는 전자들이 있지요?

원자의 핵은 양성자와 중성자가 단단히 얽혀진 덩어리인데 양성자는 원자의 특성을 결정짓습니다.

양성자는 양전하를 띠고 있어 양성자의 수가 원자의 전기적 특성을 결정하는데 반면 중성자는 질량이 양성자와 비슷하지만 전하를 가지고

있지는 않습니다. 하지만 핵은 덩어리로 뭉쳐있게 하는데는 중요한 역할을 하는 것이죠.

작은 부피안에 질량이 밀집되어 있기 때문에 핵 안에 갇혀 있는 에너지는 우리가 상상 할 수 없을 정도로 큽니다. 핵에 갇혀 있는 에너지를 아주 조금만 사용하더라도 핵은 질량 변화를 통해 많은 에너지를 발생시키는데 아인슈타인이 이 에너지가 핵의 질량 변화에 있어 빛의 속도의

제곱을 곱한 값과 같다는 것을 밝혔습니다. 빛의 속도는 1초에 약 30만km인데 이를 제곱했으니 천문학적인 숫자이죠.

원자핵의 질량 변화는 핵분열 또는 핵윰합을 통해 이뤄지는데 분열은 중성자를 핵에 충돌시켜 여러조각으로 깨문에 이뤄집니다.

이때 특정 원소는 쪼개지면 이전의 질량보다 작아지면서 에너지를 발생시킵니다. 가장 널리 알려진 핵은 92개의 양성자와 143개의

중성자를 가진 우라늄-235입니다. 원자력 발전기는 이 우라늄-235의 성질을 이용합니다.

원자로는 우라늄-235로 구성된 수백 개의 연료봉이 들어있는 커다란 금속단지와 같습니다. 이를 노심이라 하는데 노심안에 각 연료봉은

물에 의해 서로 분리되어 있습니다. 한 개의 연료봉에서 중성자와 충돌을 통해 핵 분열이 일어나면 두 개 또는 세개의 중성자가 나오는데 이

중성자들이 다른 연료봉으로 들어가서 연쇄적인 핵분열을 일으킵니다. 이 연쇄반응의 속도를 중성자를 흡수하는 제어봉을 연료봉 사이에

넣어 조절합니다. 핵분열에서 나오는 열에너지로 물을 데우고 데워진 물은 펌프에 의해 노심 밖으로 나가는데 고온의 물은 수증기로

변해서 발전기를 돌려 전력을 만드는 것이죠.

내용이 매우 어렵지만 우리는 원자력발전소의 장, 단점을 올바르게 이해하고 앞으로 원자력 발전소가 개발을 통해

폐기물의 처리방법이 빠르게 나와야지만 안전한 환경을 후대에 이어줄 수 있는 미래를 관심있게 보아야 할 것입니다.

답변이 도움 되셨길 바랍니다.

Answer 2

안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.

원자력 발전은 핵분열을 이용해 열 에너지를 얻게 되며, 이 열에너지를 이용해 증기를 만들어 터빈을 돌려 전기를 생산해냅니다. 이 때 알아야 할 과학적 원리는 핵분열 에너지와 발전기(전자기 유도 현상)입니다.

핵분열은 불안정한 원자(우라늄-235과 같은)에 중성자를 충돌시켜 불안정한 원자가 다른 원자로 변하며 결손되는 질량이 발생하는데, 이 결손된 질량이 에너지로 전환됨에 따라 에너지를 얻어지는 것입니다. 불안정한 원자에 중성자를 충돌 시킴으로써 붕괴를 시키는데, 이 반응이 연쇄적으로 일어나 많은 양에 에너지를 얻을 수 있습니다. 이 때 질량 손실에 의해 얻어지는 에너지는 E=mc^2에 의해 계산할 수 있습니다. 만약에 1g의 질량 결손만으로 9000만 줄(J)의 에너지가 발산됩니다.

전자기 유도 현상이란 코일(도선)이 있고, 코일 주변에 자석(또는 전자석)이 움직이거나 자기력이 변화하고 있을 때 코일(도선)에 유도 전류가 흐르는 현상을 말합니다.

발전기는 터빈에 바람이나 물살 등 외부 힘으로 인해 회전 시킴으로써 터빈 끝에 달린 자석이 코일 주변으로 회전하거나, 또는 터빈 끝에 달린 코일이 자석 주변으로 하면서 코일에서 유도 전류가 발생하는데 이를 모아 전기로 사용하는 원리입니다. 회전 방향과 상관없이 코일에 전류를 모을 수 있습니다. (원자력 발전의 경우 핵분열 에너지로 증기를 발생 시켜 이를 이용해 터빈을 회전 시킴)

궁금증이 해결되셨길 바라며, 도움이 되셨다면 추천 부탁드립니다.

Answer 3

안녕하세요. 이중건 과학전문가입니다.

원자력발전의 원리는 물을 끓여서 증기를 만들고 이 증기로서 터빈을 돌려 발전을 한다는 점에서는 일반 화력발전방식과 다를 바 없다.

화력발전에서는 물을 끓이기 위한 에너지원으로 석탄을 이용하지만 원자력발전에서는 원자로 내에서의 핵분열반응에 의존한다는 점에서 차이가 난다.

화력발전은 석탄을 미세한 분말로 만들고 이를 보일러에서 연소시키지만, 원자력발전은 우라늄 원자에 중성자를 충돌시켜 핵분열이 일어나게 하는데 이때 핵이 분열하면서 막대한 열이 발생한다.

핵연료봉에 저장된 핵연료의 분열이 일어나면서 연료봉은 뜨거워지고 이 주위로 물을 흐르게하여 뜨거운 증기를 만들어낸다.

이 증기는 터빈을 구동하여 발전기가 돌아가게 하는 원리이다.

Answer 4

안녕하세요. 박상진 과학전문가입니다.

핵은 양성자, 중성자 같은 핵자들로 구성돼 있습니다.

이들도 강하게 결합돼 있는데, 핵분열이 일어날 때 질량결손만큼의 에너지가 원자력 에너지에 해당합니다.

Answer 5

원자력 발전은 우라늄을 기반으로 시작됩니다.

원자핵 내의 반응에 따라 연쇄적으로 발생하는 현상인데,

우라늄을 충돌시키면서 우라늄이 분열하게 됩니다.

이때 고에너지가 발생되고, 감마선과 함께 방사선이 방출됩니다.

이 방사선이 다시 우라늄을 충돌시키며 연쇄적으로 일어나게 되어 더 많은 에너지가 발생되게 됩니다.