원자력(原子力)

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원자력(原子力)

“에너지 손자병법(孫子兵法) 될까?”

신한대학교 에너지환경공학과 교 수 황 재 석

제 9 강

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목 차

1. 세계를 지탱하는 무한 에너지

1) 원자력의 발전사 2) 현황

3) 핵분열과 핵융합

4) 원자력 발전소의 분륜 5) 경수로와 중수로

6) 우리나라 원자력 발전소의 형태

2. 꿈의 차세대 원자로

[참고문헌] 과학동아/㈜ 동아사이언스

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① 고유가 위협으로 부터 free

② 에너지 안보 확보

③ 지구온난화로 부터 자유

원자력의 장점

① 체르노빌 원전사고(1986년)

② 2011년 3월 11일 후쿠시마 원전사고

③ 핵폐기물 처리장 부지 선정 어려움.

• 굴업도(인천)

• 위도(충남 부안)

• 경주(경북 월성)

원자력의 문제점

체르노빌 원전사고

후쿠시마 원전사고

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세계를 지탱하는 무한 에너지

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(1)원자력의 발전史

① 1895년 독일의 물리학자 뢴트겐(Rontgen)의 X-선 발견.

② 아인슈타인(1879-1955)이 E=mc² (독일/미국).

③ 영국의 물리학자 채드윅(1891-19740)은 중성자 발견.

④ 1942년 Fermi는 자신이 설계한 CP-1실험용 원자로에서 우라늄을 이용 핵 분열 연쇄반응 실험에 성공.

⑤ 1945년 일본 히로시마, 나가사키 원자 폭탄 투하.

⑥ 1956년 영국의 Colder Hall 원자력 발전소가 상업적 운전 (사실플루 토늄생산 목적이 있으므로 순수상업적 아님).

⑦ 최초상업은 1957년 미국 Shippingport가 운전한 60MW 가압경수형 발전소가 최초.

“우라늄 1g은 석탄 3ton”

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(2) 현황

① 세계는 가동수 443기, 62기는 건설 中, 158기 기획 중, 324기가 건설 추진 중

② 우리나라는 1978년 4월 29일 고리 1호(60만kW)를 시작으로 세계 21번째 원자력 발전소 보유국 이며, 2015년 현재는 영광(한빛)에 6기, 고리(신고리 포함)에 6기, 울진(한울)에 6기, 월성에 5기 합 23기 가동 中 발전량의 36.6%차지(총 56.6GW 중 20.7GW)이고 9기가 건설중임.

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(3) 핵분열과 핵융합

① 핵분열

• 원자는 양성자+중성자로 이루어진 원자핵과 그 주변의 전자로 구성

• 우라늄과 같은 무거운 원자핵이 중성자를 흡입 시 원자핵이 쪼 개지고 2~3개의 중성자가 방출 되는데 이를 핵분열이라고 함.

• 이 과정이 지속되면 연쇄 핵분열 반응이라 함.

• 이 때 발생하는 에너지를 원자력이라고 함.

• 1g의 우라늄 = 9드럼의 석유 = 3ton의 석탄

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② 핵융합

• 가벼운 원자핵이 융합해 무거운 원자핵으로 변환 시 발생하는 에너지

• 수소 넷이 융합해서 헬륨 전자 핵이 되면 수소 1g당 1억 6000만kcal 발생

• 이는 연료도 무한하고 방사성 낙진도 없으며 유해 방사능도 적다

• 그러나 2100년이 되야 상업화 가능

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(4) 원자력 발전소의 분류

① 핵분열로: 핵분열 반응을 이용하는 것으로 현재 상용화된 모든 원자력 발전소

② 핵 융합로; 핵 융합반응을 이용하는 것으로 아직은 기초 연구 개발 단계이며 2100년 쯤에 상용화 될 예정이다.

(5) 경수로와 중수로

• 핵분열 시 연로로부터 방출되는 중성자를 감속시키는 재질에 따라 경수로 (輕水爐), 중수로(重水爐) 그리고 흑연로 (黑煙爐) 로 나뉜다

• 경수로는 일반적인 수소와 산소로 된 경수인 물을 사용, 중수로는 중수소와 산소로 된 무거운 물인 중수(重水)(D₂O)를 사용, 흑연로는 흑연을 사용

• 이 핵분열 반응으로 뜨거워진 원자로를 식히는 냉각제가 끓는지에 따라 가 압형 원자로, 비등형 원자로로 구분

(6) 우리나라 원자력 발전소의 형태

• 가압 경수로 : 우라늄 235가 2~5%(저농축) 150atm을 사용 끊지못하게

• 가압 중수로 : 우라늄 235가 0.7%(천연우라늄)

• 월성4기 : 가압중수로(케나다가 개발한 CANDU:Canada Deuterium Uranium Reactor)

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“자동차 연료 생산에서 담수 조성까지”

① 원자력 발전소의 문제점

• 방사성 폐기물 처리

- 고준위 : 핵 연로로 사용 후

- 중·저준위 : 작업 시 사용한 장갑, 부품 등

• 배출처로 병원, 산업체, 대관 등

• 반감기 : 방사능이 반으로 줄어드는데 걸리는 시간1/100,000,000초

~ 몇 백 년 이상

• 위험하고 더럽다.

• 핵 무기로 돌변가능

• 초기비용 과다와 공기가 길다.

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② 방사성 폐기물의 형태별 처리법

• 고체 : 초고압으로 압축 후 철제 드럼 속에 보관

• 액체 : 수분증발 후 시멘트와 굳혀 밀봉 후 저장소에 보관

• 기체 : 밀폐탱크에 넣었다가 기준치 이하로 떨어지면 고성능 여과 후 대기 방출

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③ 처분장

• 단단한 암반, 지질학적으로 안전 한 지역

④ 전력으로의 전환

• 사용이 간편

• 대기오염이 없다

• 경제적

⑤ 직접화 소규모화 개발 필요

• 공업용 또는 가정용으로 이용 가 능한 이른바 “헬륨냉각로＂등의 개발이 필요하나 조절이 가능해 야 한다는 것이 과제

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⑥ 수소로의 전환

• 기존 원자로로부터 잉여 에너지를 이용 물을 전기 분해하여 수소로 만들었다가 연료로 사용하는 방법을 개발 중

• 열량 가치가 높고, 연소 후 오염 물질이 없다

⑦ 수송 분야에 도입

• 해상, 해중 수송에 이용

수소

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① 차세대 원자로의 목표

a. 보다 경제적(공기포함) b. 보다 안전하고 클린

c. 핵 폐기물 발생의 최소화 d. 핵 무기 제조 불가능

② 원자로 국재포럼(GIF)

• 2000. 08 : 서울에서 첫 공식모임(9개국)

• 2001. 07 : GIF창립

• 2004. 09 : 제주에서 14차 정책 그룹회의 – 11개 국으로 확대

꿈의 차세대 원자로

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“수소 에너지 만들고 핵 연료도 재활용”

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③ 현재 개발된 미래 원자로

a. 수소생산로(초 고온 가스로, VHTR)

b. 액체 금속로(나트륨 냉각 고속로, SFR)(일본)

c. 가스냉각 고속로(GFR) d. 납 냉각 고속로(LFR) e. 용융열 원자로(MSR)

f. 초임계 담수 원자로(SCWR)

액체에 금속로를 이용한 일본 몬주 원자력 전경. 액체 금속로는 핵연료 를 재생산해 에너지효율을 높인다.

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① 수소 생산로의 그 동안 문제점

a. 과도한 에너지가 들어가 비 경제적 b. 아직 연료전지의 상용화가 불투명

② 장점

a. 원자력에서 그 동안 전기만 생산하였으나 이제는 모든 에너지원이 될 수 있 는 수소를 만들어 자동차에 휘발유대신 수소를 휴대폰에 수소배터리 가정 은 수소연료전지로 전기를 만들어 사용하는 시대가

b. 석유매장량 감소와 중동국가의 치안문제로 지속되는 석유값인상에 안성맞 춤(대체에너지)

③ 기술

a. 경수로(물)로는 320℃까지만 가능 → 헬륨, 질소 등으로 900~1000℃로 상승가능 b. 액체 금속로는 한 번 쓴 우라늄 235를 한 번 쓰고 버리지 않고 계속 사용(60배)

c. 기본연료를 플루토늄, 우라늄 238을 씀으로 99.27%를 버리지 않고 사용 (원석 그대로, 235는 0.73% 밖에 없음)

“수소 에너지 만드는 수소 생산로”

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“안전하고 핵 폐기물도 줄이는 차세대 원자로”

원자로 세대 변천 과정

• 1세대 : 원자력 발전 1954년 6월 처음 성공 이후 1950년대 상업적으로 개발된 원자로

• 2세대 : 대형 상용 원전, 안전도 상승. 경수로, 중수로

• 3세대 : 경제성 안전성 높인 개량형. 신형 경수로 영광 5,6기 울진3,4호기

• 3세대 + : 대형 사고 예방(기존의 1/10), 곧 운영될 계획

• 4세대 : 2020 ~ 2030년 이후, 수소 생산로, 액체 금속로

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『 End of Document 』