[에너지] 원자력이란?

원자력 에너지는 원자의 핵 또는 핵심에 있는 에너지입니다.
원자는 우주의 모든 물질을 구성하는 작은 단위이며, 에너지는 핵을 하나로 묶는 것입니다.
원자의 조밀한 핵에는 엄청난 양의 에너지가 있습니다.

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1. 원자력 에너지란?

원자력발전소

 

핵분열 과정에서  원자는 분열되어 그 에너지를 방출합니다. 원자로 또는 발전소는 핵분열을 제어하여 전기를 생산할 수 있는 일련의 기계입니다. 원자로가 핵분열을 일으키기 위해 사용하는 연료는 우라늄 원소의 알갱이 입니다 . 원자로에서는 우라늄 원자가 강제로 분해됩니다. 원자는 분열하면서 핵분열 생성물이라는 작은 입자를 방출합니다. 핵분열 생성물은 다른 우라늄 원자를 분열시켜 연쇄 반응을 시작하게 합니다  이 연쇄 반응에서 방출된 에너지는 열을 생성합니다. 핵분열로 생성된 열은 원자로의 냉각제를 따뜻하게 합니다. 핵분열 로 인해 가열된 냉각제는 증기를 생성합니다 . 증기는 터빈을 돌리고 터빈은 발전기, 즉 전기를 생성하는 엔진을 구동 합니다. 

2011년 기준으로 전 세계 전력의 약 15%가 원자력 발전소 에서 생산 됩니다. 미국에는 100개 이상의 원자로가 있지만 대부분의 전기는 화석 연료와 수력 에너지 에서 생산됩니다. 리투아니아, 프랑스, ​​슬로바키아와 같은 국가에서는 거의 모든 전력을 원자력 발전소 에서 생산합니다. 우라늄은 원자력 에너지 생산에 가장 널리 사용되는 연료 입니다. 그 이유는 우라늄 원자가 상대적으로 쉽게 분리되기 때문입니다. 우라늄은 또한 전 세계의 암석에서 발견되는 매우 흔한 원소입니다. 

 

 

2. 원자로의 동작원리

 

원자로란 제어된 상태에서 핵분열 연쇄반응을 일으키도록 한 장치입니다. 이때 원자로 내에서의 핵분열 반응에 참여하는 중성자의 에너지 영역이고 고 에너지인가 중 에너지인가 또는 저 에너지인가에 따라서 원자로는 각각 고속 중성자로, 중속 중성자로, 열 중성자로로 나뉩니다.

 

현재 세계적으로 운전되고 있는 원자로는 열중성자로가 가장 많고 이미 몇 가지 형식의 열중성자로를 사용한 원자력발전소가 실용화되고 있습니다. 중속 중성자로는 일찍이 연구개발된 적이 있었으나 현재는 중단된 상태이고, 고속 중성자로는 이른바 고속 증식로로서 기대를 모으면서 현재 우리나라에서 연구개발이 활발하게 추진되고 있습니다.

 

3. 원자로의 구성

 

핵분열의 연쇄반응을 안정하게 제어하면서 지속적으로 일으키게 해서 발생한 에너지를 유효하게 얻어 낼 수 있게 한 장치를 원자로라고 합니다. 노에서 발생한 에너지를 외부에 열의 형태로 끄집어내고 이 열에너지로 증기를 만들어 터빈을 구동해서 이것에 직결된 발전기로 전력을 얻는 플랜트가 곧 원자력발전소인 것입니다.

 

• 핵연료: 원자로에서 직접 핵분열을 일으키고 있는 부분을 노심이라고 하는데 이 속에 임계량 이상의 핵연료를 넣어서 연소, 즉 핵분열을 일으키고 있습니다. 핵연료로서는 천연우라늄과 농축우라늄이 있습니다. 또한 그 자체는 핵연료는 아니지만 그 어떤 형태로 변환하면 핵연료로 될 수 있는 것을 핵분열 연료물질이라고 합니다. 우라늄 등 핵연료는 원자로에 사용되는 냉각재인 물, 액체금속, 가스 등에 의해서 부식되기 쉬우므로 그것을 보호하기 위해서 다른 재료로 피복하고 있습니다.피복재로서는 보통 알루미늄을 사용합니다. 그러나 이것은 온도가 높아지면 내식성과 강도면서에 불안하기 떄문에 대개는 지르코늄을 사용하는 경우도 많습니다.
• 감속재: 감속재는 핵분열로 발생한 고속 중성자의 에너지를 떨어뜨려서 열중성자로 바꾸는 작용을 하는 것입니다. 중성자의 감속에는 중성자의 원자핵에 의한 산란으로 중성자가 에너지를 잃게 되는 것을 이용합니다.
• 냉각재: 냉각재는 연료를 냉각해서 피복계가 녹지 않도록 함과 동시에 원자로 내에서 발생한 열에너지를 외부로 끄집어내기 위한 역할을 하는 열매체입니다.
• 제어봉: 제어봉은 원자로 내에서의 위치를 변화시켜서 원자로 내의 중성자를 적당히 흡수함으로써 열중성자가 연료에 흡수되는 비율을 제어하기 위한 것입니다.
• 반사체: 반사체는 핵분열로 발생한 고속 중성자 또는 열중성자가 원자로의 외부에 누출되는 것을 방지하기 위한 것으로 통상 노심의 주위에 설치해서 중성자를 산란에 의해서 반사시키고 있습니다. 
• 차폐재: 차폐재는 원자로 내부의 방사선이 외부에 누출되는 것을 방지하기 위한 벽의 역할을 하는 것입니다. 차폐에는 중성자나 감마선이 차폐재 내에 침입해서 차폐재가 열적으로 파괴되는 것을 방지하기 위한 열차폐와 노심으로부터 감마선이나 고속 중성자가 누출해서 인체에 영향을 미치지 않도록 하는 생체차폐의 두가지가 있습니다.

4. 방사성 폐기물

방사성 폐기물은 원자로를 가동하고 남은 것입니다 . 방사성 폐기물은 대부분 작업자, 도구 및 방사성 먼지 와 접촉한 기타 물질이 착용하는 보호복입니다 . 방사성 폐기물은 오래 지속됩니다. 옷이나 도구 같은 물질은 수천 년 동안 방사능을 유지할 수 있습니다. 정부는 이러한 물질이 다른 물질을 오염시키지 않도록 처리 방법을 규제합니다. 사용된 우라늄 펠릿은 대형 수영장처럼 보이는 특수 용기에 보관해야 합니다. 물은 연료를 냉각 시키고 방사능과의 접촉으로부터 외부를 단열시킵니다 . 일부 원자력 발전소는 사용후 연료를 지상의 건조 저장 탱크 에 저장합니다. 방사성 물질은 시설 근처의 토양과 지하수를 오염시킬 수 있습니다 . 이는 해당 지역의 사람과 유기체에 심각한 건강 문제를 초래할 수 있습니다.