원자력 발전소 Nuclear power plant

원자력 발전소는 핵분열이나 핵융합 같은 원자력 에너지를 이용하여 전기를 생산해내는 발전소이다.

원자력 발전과 화력 발전의 가장 큰 차이점은 에너지원이다. 산업혁명 이후 전세계 전기 생산량의 대부분을 차지하고 있던 화력 발전은 석유나 석탄 등을 태워 발생하는 열로 물 등을 증발시켜 생기는 수증기의 압력을 통해 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 원자력 발전도 수증기의 압력을 통해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 원리는 같지만 원자로를 이용하여 열을 발생시킨다는 차이점이 있다. 원자로는 천연 우라늄을 가공하여 얻은 농축 우라늄의 핵분열 연쇄반응으로부터 열에너지를 얻는 장치를 말한다. 이 때 방출되는 중성자의 속력과 수를 통제하는 것이 기술적으로 중요하다.

그림 1. 연쇄 반응의 기본적인 모식도 (출처)
그림 1은 핵분열 연쇄반응의 대략적인 모식도이다. 1942년 미국의 과학자 페르미(Enrico Fermi ; 1901 ~ 1954)가 처음으로 고안하였다. 핵분열 연쇄 반응을 억제시켜 적절한 에너지원으로 사용하면 원자로로 이용이 가능하고, 연쇄 반응을 고속으로 증가시키면 거대한 에너지를 일순간에 방출시키는 원자 폭탄이 될 수 있다. 핵분열 시 얻어지는 에너지는 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리를 통해서 다음과 같이 계산될 수 있다.



한 개의 (우라늄-235)가 핵분열 할 때에는 2개의 X, Y딸핵과 k개(2~3개)의 중성자(n) 그리고 200MeV에 달하는 에너지를 방출한다. 따라서 농축 우라늄을 핵분열시키게 되면 막대한 에너지를 얻을 수 있다. 이는 기존의 화석 연료에 비해 수백만 배 높은 에너지 효율을 보이기 때문에 핵분열이 최초로 발견된 이후, 이를 에너지원으로 이용하고자 하는 노력이 계속되어왔다. 그 결과 전 세계 전기 생산량의 30% 이상을 원자력 발전이 차지하고 있다. 2017년 한국수력원자력에서 발표한 자료에 따르면 대한민국은 원자력 발전소를 통해 148,427GWh의 발전량을 발전하며 이는 전체 발전량의 26.8%에 이르는 수치이다.

현재 전 세계에서 가동되고 있는 원자력 발전소는 모두 핵분열 반응을 이용한 원자로로부터 동력을 공급받고 있다. 원자로에 주로 사용되는 연료는 의 함유율을 약 2 ~ 5% 정도로 증가시킨 저농축 우라늄이다. (보통의 천연 우라늄은 (우라늄-238)의 함유율이 약 99.27%이다. 은 핵분열시 방출되는 열중성자를 흡수해 버리기 때문에 천연우라늄은 연쇄반응을 일으키기에 적합하지 않다. 따라서 원심 분리법이나 기체 확산법, 레이저 농축법 등을 이용하여 의 함유율을 높여 연쇄반응을 일으키기 용이하게 만든 것이 바로 농축 우라늄이다.) 핵연료로 사용되는 농축 우라늄은 원통형태의 펠릿(pellet)형태로 가공되어 사용되며 교체주기는 약 4~6년 사이이다.

그림 2. 기본적인 원자력 발전소의 원리 (출처)
그림 2는 대표적인 원자력 발전소의 원리를 보여주고 있다. 원자력 발전소는 크게, 핵연료의 핵분열로부터 얻은 열로 냉각재를 가열하는 원자로와 냉각재가 끓지 않도록 압력을 조절해주는 가압기, 그리고 고온 고압의 물로부터 증기를 생성하는 증기발생기와 이러한 증기압으로부터 전기를 생성해 내는 터빈/발전기로 이루어져 있다. 기본적으로 연료로부터 발생한 열로 물을 데워 생성된 증기압으로 터빈을 돌리는 구조는 화력 발전과 같지만 화석연료 대신 원자로에서 생성된 열로 증기압을 발생시킨다는 차이가 있다. 따라서 원자력 발전은 에너지 효율이 좋을 뿐만 아니라 온실가스와 같은 환경오염물질을 거의 배출하지 않는다는 장점이 있다. 하지만 핵반응 후에 부산물로 배출되는 방사능 폐기물을 처리해야 한다는 단점도 존재한다. 방사능 폐기물은 고준위 폐기물과 저준위 폐기물로 나뉘는데 고준위 폐기물은 95% 이상이 재활용이 가능한데 비해 저준위 폐기물은 재활용이 불가능하므로 보통 드럼에 폐기물을 시멘트로 고정시켜 지하 깊숙한 곳 폐기물 처리장에 저장하여 보관한다.

원자력 발전 방식은 냉각재와 핵연료로 사용되는 물질에 따라 그 종류가 나뉜다. 핵연료로 저농축 우라늄과 냉각재로 경수를 사용하는 가압 경수로(PWR : Pressurized Water Reactor)가 세계 원전의 60% 가량을 차지하고 있다. 이 외에 냉각재로 중수를 사용하는 가압 중수로(PHWR : Pressurized Heavy Water Reactor), 냉각재로 헬륨가스와 핵연료로 고농축 우라늄을 사용하는 고온 가스 냉각로(HTGR : High Temperature Gas-cooled Reactor), 플루토늄을 원료로 사용하는 고속 증식로(FBR : Fast Breeder Reactor) 등이 있다.

핵분열 뿐 아니라 핵융합 발전에 관한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 핵융합 발전은 원자들이 핵융합할 때 방출되는 질량 결손 에너지를 이용하여 발전을 하는 것을 말한다. 현재 연구되고 있는 핵융합로에서는 중수소보다는 삼중수소의 핵융합 반응을 이용한다. 이는 중수소와 중수소 사이의 핵융합 반응인에서 방출되는 에너지보다 중수소와 삼중수소의 반응인 에서 방출되는 에너지가 높고 반응 단면적도 더 커서 효율이 더 높기 때문이다.

핵융합 반응은 태양의 내부와 같이 고온, 고밀도의 플라즈마 환경에서 발생한다. 따라서 인공적으로 핵융합 반응을 이끌어내기 위해서는 고온, 고밀도 상태의 플라즈마를 유지시켜야 한다. 현재 플라즈마를 가두기 위해 가장 적합한 형태는 그림 3.과 같은 토카막(tokamak)이라는 도넛 형태의 관인데, 하전입자로 구성되어 있는 플라즈마를 전자기장을 이용해서 가두는 장치이다. 핵융합에 필요한 만큼 플라즈마를 완벽하게 통제하는 것은 공학적으로 매우 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 7개국(미국, 러시아, EU, 일본, 중국, 한국, 인도)이 참여하여 국제핵융합실험로(ITER)를 만들고 2025년부터 다양한 실험을 진행할 계획이다.

그림 3. 핵융합로에 사용되는 토카막의 모형 (출처)
핵융합로는 핵분열 원자로보다 에너지 효율이 좋을 뿐만 아니라 방사능 폐기물을 생성하지도 않고 안정성도 매우 높다. 또한 그 원료인 중수소와 삼중수소를 얻을 수 있는 물이나 리튬도 우라늄에 비해 풍부하기 때문에 차세대 에너지원으로 각광받고 있다.