원자력 발전의 원리(feat. 장단점, 역사)
원자력발전소는 원자력을 이용하여 발전을 하는 발전소입니다. 원자핵이 붕괴하거나 핵반응을 일으킬 때 방출되는 에너지를 이용, 발전기를 돌려 전력을 생산하는 시설을 갖춘 곳이죠.
원자력 발전이란
원자로에서 중성자가 우라늄같이 무거운 원자와 충돌하여 원자핵이 분열되고 2~3개의 중성자가 방출됩니다.
이 방출된 중성자들이 다른 원자들과 충돌하고 원자들의 중성자가 방출되고 그 중성자들은 다시 더 많은 원자들과 충돌합니다.
이러한 과정을 연쇄반응이라 하며 질량-에너지 동등성에 의해 우라늄 원소가 핵분열을 진행하면서 잃은 질량만큼 막대한 열에너지가 발생해 원자로가 가열됩니다.
냉각수가 엄청난 열에너지를 품으면서 고온고압의 수증기로 바뀌게 되고, 이 수증기를 이용해 터빈을 돌려서 전기를 생산합니다.
의외로 적지 않은 사람들이 착각하는 부분인데 원자력을 전기로 바로 바꾸는 것이 아닙니다.
원자력에서 열에너지를 얻고 그 열로 증기를 만들고 그 증기로 생기는 운동에너지로 터빈을 돌려 전기를 만드는 것이죠.
즉, 에너지 전환이 여러 단계 이루어지며 그 과정에서 손실되는 에너지 또한 분명히 있습니다.
열에너지를 얻는 과정 빼고는 화력 발전과 원리가 똑같습니다. 차이점이라면 열에너지원이 불이 아니라 원자력이라는 것이죠.
일반 화력발전소와 같이 열병합발전소로 운영하는 것도 가능합니다. 국가에 따라 아예 열 전용 원자로를 개발하기도 합니다.
원자력 발전의 역사
19세기 들어서면서 원소의 주기율표와 원자모형에 대한 이론이 발전하면서 물질의 구조에 대한 과학적 지식이 축적됐습니다.
이와 더불어 핵분열 전후에 발생하는 원자핵의 무게 차이, 즉 결손 된 질량만큼 에너지가 발생하게 되는 걸 발견하게 됩니다.
핵분열 에너지의 원리가 밝혀지자 원자력 관련 기술 개발에 불이 붙게 되었습니다.
핵분열 방식을 이용한 전력생산은 1948년 9월 미국 테네시주 오크리지에 설치된 X-10 흑연원자로에서 전구의 불을 밝히는 데에서 시작되었습니다.
그리고 1954년 6월에 구 소련의 오브닌스크에 건설된 흑연감속 비등경수 압력 관형 원자로 발전소는 세계 최초로 대규모 전력 생산을 목적으로 하는 원자력 발전소로 지어졌으며,
최초의 상업용 원자로를 사용한 영국 셀라필드 원자력 단지에 위치한 콜더 홀(Calder Hall) 원자력 발전소로, 1956년 10월 17일 상업 운전을 시작하였습니다.
원자력 발전의 장단점
장점
- 온실효과의 주범인 온실 기체의 배출이 거의 없으므로, 지구 온난화에 미치는 영향이 적다.
- 저렴한 연료 가격, 높은 연료 비축을 자랑한다.
- 초기 건설비용이 비싼 반면, 연료비가 굉장히 저렴하여 비용이 적게 든다.
- 화력, 태양광, 수력 등 다른 발전소에 비해 발전 비용이 저렴하다.
- 우리나라 원자력발전소의 경우 불시 정지 횟수가 연간 평균 0.3회로 세계에서 가장 낮다.
- 에너지 효율면에서도 1그램의 우라늄으로 석탄 3톤, 석유 9 드럼에 해당하는 열량을 낼 수가 있으므로 화력보다 에너지 효율이 높다.
- 1kg의 원자재 (즉, 우라늄)는 4,500t의 고급 석탄을 태우는 것만 큼 많은 에너지를 생산할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
- 이는 불충분한 석탄, 가스, 석유 공급으로 인한 격차를 해소하기 위해 원자력이 성공적으로 사용될 수 있음을 보여준다.
단점
- 하지만 발전 과정에서 불가피하게 발생하는 핵물질 및 방사성 폐기물에서는 최소한 수백 년에서 수천 년, 심지어는 수만 년 동안 위험한 방사성 물질이 뿜어져 나오기 때문에 아주 엄격하게 관리해야 한다.
- 원전사고의 경우 그 피해가 크기 때문에 충분히 주의를 기울인다 하더라도 사고에 대한 사회적 불안감이 큰 편이다.
- 스리마일이라든가 체르노빌, 후쿠시마 같은 원전사고의 경우 재앙의 위험성을 내포하고 있으며, 이와 같은 사고 발생 시 엄청난 양의 핵 물질하고 강력한 방사선이 외부로 방출될 위험이 있다. 따라서, 사고 발생 시 그 피해가 매우 치명적이다.
- 또한, 에너지를 이용하는 과정에서 발생하는 방사성폐기물은 인체 및 생태계에 심각한 위해를 끼칠 수 있다.
- 건설 비용이라든지, 운전 중 배출되는 여러 가지 방사능 폐기물의 처리, 수명이 다한 원전에 대한 철거 비용, 쓰고 난 열로 인해 주변 생태계가 영향을 받는 등의 문제가 지속적으로 제기되고 있다.
- 다행히 사고가 일어나지 않는다고 하더라도 수십만 년 동안 사라지지 않는 핵폐기물은 고스란히 미래 세대에게 또 다른 짐이 아닐 수 없다.
- 그리고 바다 수온을 상승시키는 주범일 가능성도 있다. 원자력은 열을 식히기 위해 바닷물을 사용하는데 바닷물을 사용 후 다시 바닷물에 다시 돌려보낸다. 냉각수가 있다고 해도 현재로서는 미지수다.
- 바닷물을 사용하지 않고 냉각수를 만드는 방법이 현재까지는 없기 때문에 원자력의 냉각수는 개발의 여지에 놓여있다.
- 그리고, 원자력의 문제점이 하나 더 지적되고 있는데, 그것은 원자력 폐기물이다. 원자력 폐기물은 현재의 기술로는 처리할 방법이 땅에 묻거나, 바다에 버리는 것뿐이라 원자력 폐기물의 처리방법의 모색이 절실하다.