원자력이란?
원자력발전은 원자의 핵(뉴클레우스)에 내재된 에너지를 이용하는 것을 말합니다. 특히 원자핵의 분열(핵분열) 또는 융합(핵융합)을 통해 얻어진 에너지를 원자력이라고 합니다.
핵분열
특정 무거운 원자핵이 중성자에 의해 분열되면서 다수의 중성자와 함께 두 개의 작은 원자핵과 많은 에너지를 방출하는 현상입니다.
이러한 분열 반응은 연쇄반응을 일으키며, 그 결과로 발생하는 열에너지를 이용해 물을 가열하고, 스팀을 만들어 발전기를 구동시키는 방식으로 전기를 생산합니다.
이 방식을 이용한 발전소를 원자력 발전소라고 합니다.
우라늄, 플루토늄과 같은 원소들이 핵분열을 일으키는 물질로 사용됩니다.
핵융합
가벼운 원자핵이 고온 고압 상태에서 서로 결합하여 더 무거운 원자핵을 만들며 에너지를 방출하는 현상입니다.
핵융합은 태양 내부에서 일어나는 반응으로, 태양의 에너지는 이러한 핵융합 반응으로 생성됩니다.
수소를 융합하여 헬륨을 만드는 것이 대표적인 예입니다.
핵융합을 이용한 에너지 생산 방법은 아직 상업적으로 활용되지 않고 연구 개발 단계에 있습니다.
원자력은 대량의 에너지를 생산할 수 있는 장점이 있지만, 방사성 물질을 다루기 때문에 방사능 누출 위험, 핵폐기물 처리 문제, 핵재해 위험 등의 위험 요소가 존재합니다.
원자력 발전소에서 에너지를 만드는 단계
원자력 발전소에서 에너지를 만드는 단계는 크게 다음과 같습니다.
핵분열
원자력 발전소의 핵심 부분은 원자로(Reactor)입니다. 원자로 내부에서는 핵분열이 일어납니다.
특정 무거운 원자핵(예: 우라늄-235)이 중성자에 의해 분열되면서 두 개의 작은 원자핵과 많은 에너지, 그리고 다수의 중성자를 방출합니다.
이 방출된 중성자가 다른 핵을 분열시키면서 연쇄반응이 일어납니다.
열 에너지 전환
핵분열로 발생한 열 에너지는 원자로의 냉각제(보통 물)를 가열하여 스팀(증기)을 생성합니다.
이 스팀은 높은 압력과 온도에서 파이프를 통해 발전기로 전달됩니다.
기계 에너지 전환
발전기에서, 스팀이 터빈을 구동시킵니다. 터빈이 회전하면서 기계적 에너지가 생겨납니다.
전기 에너지 전환
터빈이 연결된 발전기의 발전기 도관(Generators Rotor)이 회전하면서, 발전기 도관 주변의 스테이터(Stator)와의 상대적인 운동에서 전기 에너지가 생성됩니다.
이렇게 생성된 전기 에너지는 변압기를 통해 전압이 증폭된 후 전력 그리드에 공급됩니다.
냉각과 순환
사용된 스팀은 다시 물로 변환되어 원자로로 돌아가게 되고, 이 과정이 반복되면서 에너지가 생산됩니다.
이러한 방식으로 원자력 발전소에서는 핵분열을 통해 발생한 열 에너지를 기계 에너지로, 그리고 전기 에너지로 변환하여 생산하게 됩니다.
핵 폐기물 처리
핵 폐기물은 매우 위험하고 오랜 시간동안 방사능을 방출하므로, 안전하게 처리해야 합니다.
전 세계적으로 핵 폐기물을 처리하는 방법은 여러 가지가 있지만, 일반적으로 다음과 같은 방법들이 사용됩니다.
임시 저장
핵 폐기물은 처음에 임시 저장 시설에 보관됩니다.
이곳에서 폐기물의 온도와 방사능 수준이 감소하도록 시간을 두는 것입니다.
임시 저장 시설은 대체로 발전소 내부나 인근에 위치하며, 폐기물이 안전하게 관리되는 것이 중요합니다.
재처리
재처리 공정에서는 사용된 핵 연료에서 아직 에너지가 남아 있는 우라늄과 플루토늄을 분리하여, 새로운 핵 연료로 다시 사용하거나, 다른 목적으로 활용합니다.
이 과정에서 발생하는 고준위 핵 폐기물은 감쇄 처리를 위해 다시 유리화나 세라믹화 과정을 거쳐 최종 처리됩니다.
최종 처분
재처리 과정에서 분리되지 않은 나머지 폐기물과 함께 발전소 운영 중에 발생한 중저준위 폐기물은 최종적으로 안전하게 처리되어야 합니다.
이러한 폐기물은 특별히 설계된 용기에 담겨서 깊은 지하에 위치한 지하 저장소에 안전하게 보관됩니다.
이러한 저장소는 지진이나 다른 자연재해에도 안전하게 설계되어야 하며, 방사성 물질이 환경에 유출되지 않도록 막아야 합니다.
핵 폐기물 처리는 매우 복잡하고 위험한 작업으로, 각 국가마다 다양한 방법으로 처리하고 있습니다.
그리고 여전히 완벽한 해결책이 없어서, 많은 연구와 논의가 진행되고 있습니다.