Chemistry/생활 속 화학

핵화학 | 원자로

곰뚱 2021. 3. 16.

석탄 또는 석유와 같은 연료가 타서 열을 생산하는 재래식 발전소에서는 열로 물을 끓여 터빈을 회전시킨다. 그리고 회전하는 터빈의 축은 큰 코일로 된 전선에 연결되어 있는데 이 전선이 자기장 내에서 회전하여 전기 에너지를 생산한다. 원자력 발전소는 U-235와 같은 핵연료의 분열로부터 방출되는 에너지에 의해 물이 가열되는 것만을 제외하고는 재래식 발전소와 똑같은 방식으로 가동되고 있다. 일반 발전소와 같이 원자력 발전소도 열역학 제 2법칙이 적용된 효율의 제약을 받는다. 열이 일로 전환되는 이론적 효율성은 발전소가 가동되는 최고온도와 최저온도에 의존한다. 이 열역학적 효율은 보통 55～65%이며 이 효율은 다른 기계적, 열적, 그리고 전기적 비효율성에 의해 상당히 줄어든다.

원자력 발전소는 반응로와 비핵 부분의 두 분야로 구성된다. 비핵 부분은 터빈과 전기 발전기를 포함한다. 핵 반응로는 발전소의 심장부이다. 핵 반응로는 분리된 보강 콘크리트 돔 형태의 억제 건물 내의 특수 스틸 용기 안에 놓여 있다. 우라늄 연료는 펠렛 모양의 이산화 우라늄으로 되어 있고 각 펠렛은 연필 지우개 정도의 크기이다. 이 펠렛들은 특수 금속 합금으로 만들어진 관 안에 연이어 놓여 있고 이 관들은 스테인레스-스틸 금속 다발 안에 차례로 합쳐져 있다(그림 1 참조).

그림 1 핵 반응로의 중심을 이루는 연료 펠렛, 연료봉 그리고 연료봉 조립체

핵연료의 분열속도와 이때 발생되는 열의 양은 최초로 조절된 핵분열 반응에 적용되었던 원칙을 적용하여 조절한다. 이 핵 분열 반응을 조절하기 위하여 중성자의 흡수제인 카드뮴 원소로 구성된 제어봉이 연료 속에 흩어져 있다. 현대 제어봉은 카드뮴 이외에도 은과 인디늄을 포함한다. 이 봉들이 제 위치에 있는 한 충분한 중성자가 활용될 수 없기 때문에 핵반응을 유지할 수 없다. 제어봉이 제거될 때 반응로는 위험하게 되지만 다시 제어봉을 급히 넣어주면 응급 사태에서 연쇄 반응이 멈출 수 있다.

연료 다발과 제어봉들은 1차 냉각수라고 불리는 용액에 잠겨져 있다. 많은 반응로에서 사용되는 1차 냉각수는 붕산(H₃BO₃)의 수용액이다. 붕산의 붕소는 중성자를 흡수하므로 분열 속도와 온도를 조절하는 작용을 한다. 수용액은 반응로의 감속제로 작용하며 중성자의 속도를 늦추고 분열 초기에 중성자들이 더 효력을 가지게 한다. 물론 1차 냉각수의 주요 기능은 핵반응으로 발생되는 열을 흡수하는 것이다. 용액은 150기압 이상의 압력하에 놓여 있기 때문에 용액은 끓지 않으나 정상 끓는점보다 훨씬 높은 온도로 가열된다. 냉각수는 폐회로 안에서 반응 용기로부터 증기 발생기로 순환되고 다시 돌아간다. 따라서 이 봉인된 용액은 반응로와 원자력 발전소의 나머지 부분을 연결한다. [그림 2]은 전체 발전소의 일반적인 개요를 보여주고 있다.

[그림 2]을 보면 1차 냉각수의 열은 증기 발생기 내의 2차 냉각수로 이동된다. 그리고 이 뜨겁고 압력이 큰 기체의 에너지는 회전하는 터빈의 날개와 터빈에 부착된 발전기로 이동된다. 열 순환을 지속하기 위해 증기 발생기로 돌아가기 전에 수증기는 냉각되어 액체 상태로 응축되어야 한다. 많은 핵시설에서 이 과정이 커다란 냉각탑에서 실행되고 이것이 원자력 발전소의 상징물인 반응로로 착각되기도 한다. 실제로 반응로는 비교적 작은 돔 형태의 건물내에 위치하고 있다.

1차 냉각수는 스틸로 싸여진 연료와 접촉하기 때문에 냉각수가 방사성을 띨 수 있다. 그러나 붕산 용액은 밀폐된 순환계 안에 격리되어 있어서 증기 발생기 내의 2차 냉각수로 방사능이 전달될 가능성은 거의 없다. 마찬가지로 3차 냉각수는 2차 시스템과 직접 접촉하지 않아서 냉각수로 바닷물을 이용할 경우 해수는 방사성 오염으로부터 안전하다. 원자력 발전소에서 발전되는 전기는 석탄 혹은 석유를 사용하는 재래식 발전소에서 발전되는 전기와 동일하다. 전기는 방사성이 아니며 방사성일 수도 없다.