원자로란? - 작동원리, 연료

원자로란?

이전에 원자 더미로 알려진 원자로는 핵분열 핵 연쇄 반응 또는 핵 융합 반응을 시작하고 제어하는 데 사용되는 장치입니다. 원자력 발전소는 발전용 원자력 발전소 및 해상 원자력 추진에 사용됩니다.

핵분열의 열은 작동 유체(물 또는 가스)로 전달되고, 작동 유체는 차례로 증기 터빈을 통과합니다. 이들은 선박의 프로펠러를 구동하거나 발전기의 샤프트를 돌립니다. 원자력 발전 증기는 원칙적으로 산업 공정 열 또는 지역 난방에 사용할 수 있습니다.

일부 원자로는 의료 및 산업용 동위원소를 생산하거나 무기급 플루토늄을 생산하는 데 사용됩니다.

 

원자로는 작동원리

원자로는 기본적으로 엄청난 양의 저탄소 전기를 생산하기 위해 물을 가열하는 데 사용되는 대형 주전자입니다. 그것들은 다양한 크기와 모양으로 제공되며 다양한 연료로 구동될 수 있습니다.

원자로는 원자가 쪼개지는 과정, 즉 핵분열이라고 하는 과정에 의해 구동됩니다. 이 과정에서 입자('중성자')가 원자에 발사되고, 이 과정에서 원자는 두 개의 더 작은 원자와 몇 개의 추가 중성자로 분열합니다. 방출된 중성자 중 일부는 다른 원자와 충돌하여 핵분열을 일으키고 더 많은 중성자를 방출합니다. 이것을 연쇄반응이라고 합니다.

연쇄 반응에서 원자의 분열은 또한 많은 양의 에너지를 열로 방출합니다. 생성된 열은 순환 유체, 일반적으로 물에 의해 반응기에서 제거됩니다. 이 열은 전기 생산을 위한 터빈을 구동하는 증기를 생성하는 데 사용될 수 있습니다.
 
적절한 속도로 핵 반응이 일어나도록 하기 위해 원자로는 핵 반응과 핵 반응이 생성하는 열을 가속, 감속 또는 차단하는 시스템을 갖추고 있습니다. 이것은 일반적으로 은 및 붕소와 같은 중성자 흡수 물질로 만들어진 제어봉으로 수행됩니다.

원자로는 모양과 크기가 다양합니다. 일부 원자로는 노심을 냉각하기 위해 물을 사용하고 다른 원자로는 가스 또는 액체 금속을 사용합니다. 가장 일반적인 발전용 원자로 유형은 물을 사용하며 전 세계 원자로의 90% 이상이 수성입니다.

전 세계의 다양한 유형의 원자로에 대한 추가 정보는 정보 라이브러리의 원자력 원자로 섹션에서 찾을 수 있습니다. 원자로는 전기를 생산하는 데 매우 안정적이며 날씨나 계절에 관계없이 중단 없이 몇 개월 또는 몇 개월 동안 하루 24시간 가동할 수 있습니다.

또한 대부분의 원자로는 매우 오랜 기간(많은 경우 60년 이상) 동안 작동할 수 있습니다. 2019년 플로리다에 있는 터키 포인트(Turkey Point) 공장의 3,4호기는 80년 동안 운영 허가를 받은 세계 최초의 원자로였습니다.

 

 

원자로의 연료

원자로에 연료를 공급하기 위해 다양한 재료를 사용할 수 있지만 가장 일반적으로 우라늄이 사용됩니다. 우라늄은 풍부하며 바다를 포함하여 전 세계의 여러 곳에서 발견할 수 있습니다. 플루토늄 및 토륨과 같은 다른 연료도 사용할 수 있습니다.

오늘날 대부분의 원자로는 수백 개의 연료 집합체를 포함하고 있으며, 각각에는 수천 개의 작은 우라늄 연료 펠릿이 있습니다. 단일 펠릿에는 석탄 1톤의 에너지가 포함되어 있습니다. 일반적인 원자로는 매년 약 27톤의 새로운 연료가 필요합니다. 대조적으로, 비슷한 규모의 석탄 발전소는 같은 양의 전기를 생산하기 위해 250만 톤 이상의 석탄이 필요합니다.

 

폐기물은 어떻게 되나?

다른 산업과 마찬가지로 원자력 산업도 폐기물을 발생시킵니다. 그러나 많은 산업과 달리 원자력은 생산량이 매우 적고 생산하는 것을 완전히 포함하고 관리합니다. 원자력 발전소에서 발생하는 대부분의 폐기물은 방사성 물질이 아니며 수십 년 동안 책임감 있게 관리 및 처리되어 왔습니다.

1년 동안 한 사람의 전기를 공급하기 위해 원자력을 사용한다면, 종이 한 장과 같은 무게인 약 5g의 고방사성 폐기물만이 생성될 것입니다. 원자로에서 나오는 사용후핵연료는 에너지 생산을 위한 재활용이나 직접 폐기 등 다양한 방법으로 관리할 수 있습니다.

사실 많은 국가에서 수십 년 동안 부분적으로 원자로에 연료를 공급하기 위해 재활용 연료를 사용해 왔습니다.

 

미국의 경수로 유형

1. 가압경수로
미국 상업 원자로의 65% 이상이 가압경수로 또는 PWR입니다. 이 원자로는 물이 끓는 것을 방지하기 위해 고압으로 물을 원자로 노심으로 펌핑합니다.
코어의 물은 핵분열에 의해 가열된 다음 열교환기 내부의 튜브로 펌핑됩니다. 이 튜브는 별도의 수원을 가열하여 증기를 생성합니다. 그런 다음 증기는 발전기를 돌려 전기를 생산합니다.

 

노심수는 재가열될 원자로로 다시 순환되고 이 과정이 반복됩니다.

2. 끓는 경수로
미국에서 가동 중인 원자로의 약 1/3이 비등수형 원자로(BWR)입니다.
BWR은 물을 가열하고 원자로 용기 내부에서 직접 증기를 생성합니다. 물은 원자로 노심을 통해 펌핑되고 핵분열에 의해 가열됩니다. 그런 다음 파이프는 증기를 터빈에 직접 공급하여 전기를 생산합니다.

 

사용하지 않은 증기는 물로 다시 응축되어 가열 과정에서 재사용됩니다.

 

새로운 원자로 기술

혁신적인 기업가와 신생 기업은 운영 면에서 보다 효율적이고 유연하며, 외딴 지역과 개발 도상국에 도달하고, 심지어 바닷물을 식수로 바꾸기 위해 새로운 유형의 원자로를 개발하고 있습니다.

▷ 첨단 원자로는 현재 개발 중인 소형 모듈식 원자로(SMR)를 포함하여 다양한 유형의 원자로를 포함합니다. 이러한 새로운 디자인 중 일부는 냉각을 위해 물을 사용하지 않습니다. 대신 액체 금속, 용융 염 또는 헬륨과 같은 다른 재료를 사용하여 별도의 물 공급 장치로 열을 전달하고 증기를 만듭니다.
▷ SMR은 300메가와트 이하의 전력을 생산하는 첨단 원자로입니다. 그들은 건설 비용이 적게 들고 공장에서 건설되어 필요한 곳으로 배송될 수 있으므로 탄소가 없는 에너지로 외딴 지역이나 개발 도상국에 전력을 공급하는 데 도움이 될 수 있습니다. SMR은 또한 전력 수요를 충족하도록 전력 출력을 확장할 수 있으므로 간헐적인 재생 에너지원을 지원하는 이상적인 파트너가 됩니다.
▷ 일부 고급 원자로는 기존 원자로보다 더 높은 온도 또는 더 낮은 압력에서 작동합니다. 그들은 또한 물 담수화 및 수소 생산과 같은 다른 응용 분야를 제공할 것입니다. 다른 원자로는 폐기물을 적게 생산하거나 연료 주기를 연장하고 10년 이상 동안 정지하고 연료를 보급할 필요가 없어 매우 연료 효율이 높습니다.