원자력 발전1(우라늄과 핵분열)

원자력 발전1(우라늄과 핵분열)

원자력 발전은 핵분열을 이용하여 열을 발생시키고, 그 열로 터빈을 구동하는 발전 방식입니다.
일반 화력 발전 방식과 증기로 터빈을 돌려 발전을 한다는 점은 유사하지만, 증기 만드는 과정에서 차이가 납니다. 화력 발전은 석탄을 이용하여 물을 끓이지만, 원자력 발전은 원자로 내에서의 핵분열 반응으로 물을 끓입니다.

원자력 발전의 원리를 알기 위해 간단히 우라늄이 뭔지, 핵분열이 뭔지 한 번 찾아봤습니다.
이걸 알아야 원자력 발전소가 왜 그렇게 생겼는지 알 수 있을 것 같네요.

<원자력 발전의 역사>
1942년12월 페르미가 핵분열 연쇄반응을 발견한 후, 1954년6월 러시아에서 세계 최초 원자력 발전소 오브닌스크를 가동시켰습니다. 그 후 1956년10월 영국에서 CALDER HALL-1 원자력 발전소를 가동시켰고, 미국에서는 1957년12월 SHIPPINGPORT를 가동시켰습니다.
한국은 1978년4월 고리1호기를 최초로 시동시켰습니다.

<우라늄이란?>
양성자가 92개 있는 원자인 우라늄은 천연에 존재하는 방사성 원소의 하나로 광산에서 채취합니다.(최초에는 그냥 광석-돌맹이입니다.) 중성자 수에 따라 우라늄 234, 우라늄 235, 우라늄 238로 지칭하는데, 이들을 동위원소라고 합니다. 이 중 우라늄 235는 중성자와 충돌해 쉽게 핵분열을 일으키기 때문에 핵연료로 사용됩니다.

<우라늄 농축>
우라늄 농축은 우라늄 235와 우라늄 238의 질량 차이를 이용해 둘을 분리합니다. 먼저, 우라늄에 불순물을 제거합니다. 그 다음 육플루오르화우라늄(235UF6) 기체로 전환합니다. 이 기체에서 기체 확산, 열확산, 전자기적 분리법을 이용해 235UF6을 분리합니다. 우라늄 농도가 4~20%인 1차 저농축 우라늄이 되는데, 이 것이 원자로의 연료가 됩니다. 이를 계속 반복하면 우라늄 농도가 90% 이상인 고농축우라늄이 되어 핵폭탄이 됩니다.
(예전 미국에서 사용되던 기체 확산법이고,이외에도 열확산법, 원심분리법, 노즐분리법 등 방법이 많습니다. 기체 확산법이 많이 쓰인다고하니, 기체확산법만 썼습니다.)

<농축 우라늄>
천연 우라늄에 우라늄 235의 함유율을 인위적으로 높인 우라늄입니다. 고농축 우라늄 235를 천연 우라늄에 가하거나, 처음부터 필요한 농도까지 농축하여 만듭니다. 우라늄 235를 백분율로 나타내어 몇 %농축 우라늄 또는 몇 %EU라고 표기합니다.
원자력 발전에서 사용되는 우라늄 235의 농도는 약 2~5%의 저농축 우라늄이며, 우라늄 235의 농도가 90% 이상 농축되면 고농축 우라늄, 즉 핵폭탄(!)이 됩니다.

<우라늄 238>
92번 원소 우라늄의 방사성 동위 원소의 하나로, 천연 우라늄의 99.28%를 차지하는 핵종입니다. 질량수 238, 물리적 원자량 238.1249입니다. 천연 우라늄에서 우라늄 235 및 우라늄 234를 분리하면 얻을 수 있습니다. 자체로는 핵연료로 되지 않으나, 핵반응에 의해 생기는 플루토늄 239가 핵연료가 되어, 이 원료를 사용합니다.

<우라늄 235>

92번 원소 우라늄의 방사성 동이 원소의 하나로, 우라늄 238에서 분리합니다. 질량수 235, 물리적 원자량 235.1170입니다. 천연 우라늄 중에 0.715%만이 포함되어 있습니다. 미량입니다. 원자로에 바로 사용합니다.

<핵분열>
핵분열은 큰 원자의 원자핵이 두 개 이상의 다른 원자핵으로 쪼개지는 현상입니다.
인공적인 핵분열에서는 대체로 중성자가 원자핵에 충돌하는 것이 원인인데, 핵분열의 결과로 2~3개의 중성자가 다시 생깁니다. 이렇게 생성된 중성자로 인해 또 다른 핵분열을 일으켜 핵 연쇄 반응을 일으킵니다. 우라늄이 한 번 분열할 때 나오는 에너지는 200MeV입니다.
1Kg의 우라늄은 250만Kg의 석탄과 같은 효과가 있습니다.

**MeV(Mega Electron Volt)는 100만 전자볼트
**1eV=1.602×10-19J

1Kg 우라늄의 내는 에너지를 찾아보려고 하는데 찾지를 못하겠네요 ㅠㅠ
화력과 비교하여 대략 추정해보았습니다.
1Kg의 우라늄은 50TJ 정도가 되나보네요. 아님 말고요.

1Kg 무연탄 4500Kcal = 18.837MJ
1Kg 유연탄 6600Kcal = 27.627MJ
**1Kcal = 4,186J

이게 연쇄 반응을 일으키면 이렇게 됩니다.