13주 강의

Ch. 6 에너지(Energy)

6.4 핵 발전 / 162

6.8 전기 발전기 / 170 6.9 변압기 / 172

13주 강의

6.4 핵 발전

1. 분열

분열(fission) 과정을 통해 핵 발전소의 반응로에서 필요한 열이 생산된다.

ex) 우라늄(uranium)-235와 플루토늄(plutonium)-239 같은 몇 원자의 핵

 대단히 불안정하여,

핵을 중성자가 충돌하면 핵이 쪼개지면서 에너지 를 방출한다.  핵분열(nuclear fission)이라 함.

 분열의 결과 생기는 조각에는 원래의 핵과 중성자들이 있는데,

 분열의 산물(fission products)

원래의 핵과 충돌하는 중성자의 총 질량과, 분열의 산물의 총 질량을 비교해 보면

어느 정도 차이가 나는데, 이 차이 만큼의 질량이 에너지로 방출되는 것이다.



에너지가 질량을 가졌음을 최초로 발견.

 E=mc²

2. 연쇄 반응

(chain Reaction)

U-235 원자 하나의 분열만으로는 대단히 미미한 에너지가 생겨나지 만, 분열 과정에서 여러 중성자가 방출되어 이들이 다른 U-235의 핵 분열을 유도한다. 이 과정을 연쇄 반응이라고 한다(그림 6.9).

핵 반응로 내에서 대단히 많은

연쇄 반응이 동시에 일어나므로

엄청난 양의 에너지가 방출된다.

3. 핵 반응로

(화력)발전소의 보일러에 해당.

① 연료:

이들을 핀 (pin)이라 하며 원통에 장착되면서 반응로 의 연료봉을 구성한다. 우라늄 235 1그램 은 석유 9드럼과 석탄 3톤에 해당하는 열 에너지를 생산할 수 있다.

② 감속제: 느리게 움직이는 중성자는 빠른 중성자보다 분열을 잘 일으켜

핵분열 과정에서는 빠른 중성자가 생성 되므로 활발한 반응을 위해서는 그 속도를 늦추어야 한다. 이 때 사용하는 재료를 감 속제(moderator)라고 하며,

 탄소나 물(가장 흔한 감속제).

③ 제어봉:

 제어봉은 중성자를 흡수하는 카드뮴(cadmium) 등으로 되어 있고, 제어봉을 반응로에 밀어 넣으면 중성자가 흡수 되어 핵반응이 늦추어지고, 제어봉을 꺼내면 반응 속도는 다시 빨라진다.

④ 냉각제:

그 후 이 냉각제는 다시 반응로의 중심부로 흘러가 열을 제거하는 역할을 한다.

핵반응기는 사용하는 냉각제의 종류에 따라 1)고급 기 체 냉각 반응로(AGR; Advanced Gas-Cooled Reactor) 2) 압축수 반응로(PWR; Pressurized Water Reactor) 등.

⑤ 방사능 차단벽:

6.8 전기 발전기

1. 교류(A.C: Alternating Current)

전류가 흐르는 도선 주위에 자기장이 생긴다.

(반대로) 자기장이 변하면 그 주변에 있던 도선에 전자기력이 유도되며 이것을 확장하면 교류가 됨.

 전자기력은 자기장의 변화에 따라서 그 부호도 달라진다.

교류의 원리.

자기장의 변화 때문에 부호가 항상 달라진다

.

교류에서 자기장(자속의 변화)은 cosine 그래프

이 자기장의 변화율이 전자기력이기 때문에 cosine 그래프를 미분하여 sine 그래 프를 얻는다. 그래서 부호가 계속 +,-로 변화.

계속 전류의 방향이 바뀌다 보니 불안정.

 에너지를 저장 할 수가 없다.

교류의 최대장점 전압을 자유자재로 변경 가능.

직류는 굉장히 안정적이고 에너지를 저장 할 수 있다.

직류의 단점이라면 그 거대한 에너지를 저장할만한 기술이 아직까지 없다.

대용량의 전기를 사용 할 수가 없음.

자전거의 발전기

자전거의 페달을 저어서도 교류를 생산할 수 있다.

 영구 자석이 도선 근처에서 회전하 여 도선에 교류를 생성시킨다. 이 때 전류는 약하지만 자전거의 전조등으로 사용하기에는 충분.(그림)

상용 교류 발전기

회전 자석이 직류를 공급받는 전자 석으로 되어 있다.

교류는 여러 개의 고정된 도선, 즉

고정자 코일에서 생산된다.

2. 전기 에너지의 생산



발전소에서는 고압 증기로 거대한 터빈을 회전시킨다.



증기 생성을 위한 열은 보일러나 핵 반응 로에서 얻는다.



터빈에는 일련의 날개가 부착된 바퀴가 고 정되어 있는 회전축이 있고, 다른 날개들은 증기를 이 바퀴로 인도하는 역할을 한다.

 터빈의 축은 25,000V 짜리 교류 전기 발 전기에 연결

 회전하면서 20,000A의 교류를 생산함.

 그림은 660 MW용 발전기.

 앞부분에 있는 것이 큰 회전자 이고 바퀴

모양이 증기 터빈의 날개들이다.

3. 전자기 유도

자기장 속에 있는 도체에 전류가 흐르면, 이 도체가 움직이도록 하는 힘이 생긴다.

반대로,

도체가 자기장을 가로질러 움직이게 하면 전자가 도체를 통해 흐르는데, 이 효과 를 전자기 유도(electromagnetic induction).

이 때 전류는 유도되었다고 한다.

코일을 자기장 속에서 회전시키면 그 유도 전류의 크기와 방향이 변화하여 교류 전류가 생성됨.

유도 전류의 크기를 증가시키는방법.

① 코일의 감은 수를 늘린다.

② 보다 강한 자석을 사용한다.

③ 코일을 부드러운 철심에 감는다.

④ 더 높은 속도로 코일을 회전시킨다.

4. 전력 분산

지역과 계절 및 시간에 따라 전력 수요는 수시로 변함.

 생산된 전기를 국가망으로 총괄 하여, 수요에 적절히 맞추어 공급하 는 것이 바람직.

 전력 수요가 낮을 때는 모든 발전 소를 가동할 필요가 없지만,

 수요가 집중될 때를 대비한 생산 용량은 확보해 놓아야 원활한 전력 공급이 이루어질 것이다.

 그래프는 전형적인 하루 중

의 전력 수요를 나타내는 곡선

이다.

6.9 변압기

1. 전압의 변화

 변압기(transformer)는 기본적으로 철 심과 코일의 두 부분으로 구성.

 변압 후의 전압은 이 코일의 감긴 수에 비례하여 상승 또는 하강할 수 있다.

Ex)1차 코일의 감긴 수가 1000회이고 2차 코일의 감긴 수가 100회인 변압기를 쓰면,

 인입 전압을 100/1000, 즉 1/10로 내릴 수 있다.

Input 전압이 240 V이면, 이 변압기에 의해 output 전압은 24 V 

하강 변압기 (step-down transformer).

만약, 1차 코일의 감긴 수가 2차 코일의 감 긴수 보다 작은 변압기를 쓰면 이 두 수의 비율만큼 인입 전압보다 큰 전압을 얻으며, 이렇게 인입 전압을 올리는 변압기를

상승

변압기(step-up transformer).

2. 변압기 방정식

1차 코일에 걸리는 전압과 전류를 각각 V

, I

2차 코일에 걸리는 전압과 전류를 각각 V

, I

라고 할 때,

1차 코일에 공급되는 전력은 V

x I

,

 2차 코일에 전달되는 전력은 V

x I

.

이 때의 변압기의 효율은 {(V

x I

)/(V

x I

)} x 100% 으로 정의,

 대형 상용 변압기의 효율은 거의 100%이므로

 근사적으로

라고 쓸 수 있다.

변압기의 1차 및 2차 코일에 감긴 도선의 수를 각각 N

N

라고 할 때 다음의 관계들이 성립한다.

V₁ / V₂ = N₁ / N₂ , I₁ / I_{2 =} N₂ / N₁

변압기 방정식(transformer equation).

5. 전력 송전

도선 내의 전류는 그 도선의 저항 때문에 열을 발 생시킨다. 우리가 쓰는 전기는 전력 발전소에서 나 와 철탑을 거쳐 긴 전선을 따라 수송되는데,

 그 저항 때문에 에너지가 열의 형태로 대기에 손 실되어, 다른 조치를 하지 않으면 우리에게는 극히 미미한 에너지만이 도달할 것이다.

이러한 열로의 에너지 손실(I²R)은 전류(I)를 낮 게 유지하면 상당 부분 감소시킬 수 있고,

 이를 위해 직류보다는 교류를 사용.

송전 시초 단계에서는 전압을 275,000 V나 400,000 V로 올려 전류값을 낮춘다.

 송전의 마지막 단계에서 이 전압을

다시 낮추어 전류값을 올리는 방법을

쓰면 송전 도중 손실되는 에너지를

상당히 줄일 수 있다.