원자력 발전 — 핵분열·연쇄 반응과 원자로 구성, 경수로·중수로 | 기초 열역학 3.2.4
기초 열역학Chapter 03 열역학 사이클 › Section 02 증기 동력 기관과 사이클
3.2.4 원자력 발전
열원이 연소열에서 핵분열 열로 바뀐 것. 연쇄 반응을 다스리는 원자로의 네 요소와 경수로·중수로의 갈림.
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01태우는 대신 쪼갬 — 열을 얻는 방법만 바뀜교재 187p
- 원자력 발전(Nuclear Power Generation) — 핵분열로 막대한 열을 얻어 증기를 만들어 내는 기술.
- 바탕은 같은 랭킨 사이클 — 원자력 발전소도 증기로 터빈을 돌려 전기를 만드는 거대한 증기 동력 장치.
- 바뀐 자리는 하나 — 열을 내는 자리에 연소실 대신 원자로가 들어섬.
1화력 발전 — 연소
- 화석 연료를 태워 열을 얻음.
- 분자 사이의 결합을 바꾸는 깊이.
2원자력 발전 — 핵분열
- 무거운 원자핵을 쪼개 열을 얻음.
- 원자핵 자체를 쪼개는 깊이.
02핵분열 — 줄어든 질량이 열로 바뀜교재 187p
- 핵분열(Nuclear Fission) — 우라늄(U)처럼 무거운 원자핵이 중성자와 충돌하여 두 개 이상의 가벼운 원자핵으로 쪼개지는 현상.
- 열의 출처 — 원자핵의 일부 질량이 에너지로 변환되면서 엄청난 양의 열에너지가 발생함.
- 표적 — 쪼개지기 쉬운 우라늄-235(U-235).
03연쇄 반응 — 한 번의 분열이 다음 분열을 부름교재 187p~188p
- 충돌 → 분열 — 외부에서 쏜 중성자 하나가 U-235와 충돌, 불안정해진 원자핵이 둘로 쪼개지며 막대한 열에너지를 방출함.
- 방출 → 연쇄 — 이때 새로운 고속 중성자 2~3개가 함께 나와 주변의 다른 우라늄 원자핵과 다시 충돌함.
- 폭주 방지 — 원자로에서 제어봉과 감속재 등으로 이 되풀이를 일정한 속도로 유지함.
04열 중성자 — 느려야 잘 반응함교재 188p
- 고속 중성자 — 핵분열 순간에 튀어나오는 빠른 중성자. 우라늄-235와 잘 반응하지 않음.
- 열 중성자(Thermal Neutron) — 에너지가 낮고 속도가 느린 중성자. 핵분열 반응에 주로 이용됨.
- 감속재(Moderator)의 몫 — 고속 중성자의 속도를 늦춰 다른 원자핵과 더 쉽게 반응하게 만들어 연쇄 반응의 효율을 높임.
빠를수록 세게 부딪힐 듯한 자리
- 들어갈 때는 느린 열 중성자, 나올 때는 빠른 고속 중성자 — 이 속도 차이를 메우는 것이 감속재.
- 빠른 중성자가 유리해 보이지만 반대 — 느린 중성자라야 연쇄 반응의 효율이 올라감.
05원자로의 구성 — 네 요소가 맞물림교재 188p~189p
| 요소 | 재료 | 하는 몫 |
|---|---|---|
| ① 원전 연료 | 농축 우라늄 | 핵분열로 열을 냄. 펠릿 → 연료봉 → 연료 다발의 차례로 장전함 |
| ② 제어봉 | 붕소 · 카드뮴 | 중성자를 흡수해 반응 속도를 조절함 — 원자로의 브레이크 |
| ③ 감속재 | 물(경수) · 중수 · 흑연 | 고속 중성자를 열 중성자로 바꿈 |
| ④ 냉각재 | 물(경수) · 중수 · 탄산가스 | 노심부를 식히고 그 열을 원자로 밖으로 안전하게 전달함 |
제어봉의 깊이 하나로 원자로의 가동과 정지, 출력 조절이 이루어짐. 냉각재가 실어 낸 열이 물을 끓이는 자리부터 랭킨 사이클.
06경수로와 중수로 — 감속재가 갈라 놓음교재 189p~190p
| 구분 | 경수로(LWR) | 중수로(HWR) |
|---|---|---|
| 감속재 · 냉각재 | 보통 물, 곧 경수 | 중수 |
| 연료 | 2~5% 저농축 우라늄 | 농축하지 않은 천연 우라늄 |
| 연료 교체 | 운전을 멈추고 교체 | 운전 중에도 교체 가능 |
- 중수의 강점 — 중성자 흡수가 매우 작아 중성자 경제가 좋음. 그래서 농축하지 않은 천연 우라늄으로도 연쇄 반응이 이어짐.
- 가압 경수로(PWR) — 우리나라 원자력 발전소의 대부분. 원자로 내부의 경수를 높은 압력으로 눌러 끓지 않는 상태로 유지하고, 그 열로 증기 발생기에서 완전히 분리된 다른 계통의 물을 끓임.
- 계통 도해 — 교재 190p [그림 3.20] 가압 경수로 · [그림 3.21] 가압 중수로.
화력이든 원자력이든 열을 얻는 방법만 다를 뿐, 증기가 도는 한 바퀴는 같은 랭킨 사이클. 여기까지가 3.2 절 증기 동력 사이클이고, 다음은 3.3 절 냉동 사이클 — 3.3.1 냉동기와 열펌프.
이 절의 핵심 정리
- 원자력 발전은 핵분열 열로 증기를 만드는 랭킨 사이클 장치다.
- 핵분열은 무거운 원자핵이 중성자와 충돌해 둘 이상으로 쪼개지는 현상이다.
- 연쇄 반응은 충돌 → 분열 → 새 중성자 방출 → 다시 충돌로 이어진다.
- 원자로의 네 요소는 원전 연료·제어봉·감속재·냉각재다.
- 경수로와 중수로는 감속재로 경수를 쓰는가 중수를 쓰는가로 갈린다.
강의 자료3.2.4 원자력 발전
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