미국은 세계에서 가장 많은 원자력 발전소를 보유하고 있다. 그러나 그럼에도 불구하고 사람들이 동등하게 받아들이거나 피하는 것처럼 보이는 것은 분열적인 주제로 남아 있습니다. 여기서는 이 논쟁을 다루지 않겠지만, 우리가 할 일은 원자로 뒤에 있는 상대적으로 단순한 과학, 작동 방식, 용도 등을 분석하는 것입니다.
이를 시작하는 좋은 방법은 세계에서 가장 유명한 방정식인 E=mc²를 살펴보는 것입니다. 이 방정식은 원자로가 상대적으로 적은 연료로 그렇게 많은 전력을 생산할 수 있는 이유를 설명합니다. 이 방정식에서 E는 에너지, m은 질량, c는 빛의 속도를 나타냅니다. 빛의 속도의 제곱은 엄청난 숫자이기 때문에 아주 작은 질량이라도 엄청난 양의 에너지를 담고 있습니다. 원자로는 원자를 쪼개고 질량 내부에 갇힌 에너지를 방출함으로써 그 에너지를 활용합니다.
그것은 (상대적으로 말하면) 과학의 간단한 부분입니다. 그러나 통제되고 예측 가능한 방식으로 모든 에너지를 방출하는 것은 상황이 까다로워지기 시작하는 곳입니다. 이것이 어떻게 작동하는지, 그리고 다양한 유형의 원자로가 그 에너지를 어떻게 활용하는지 나중에 더 자세히 논의할 것입니다. 하지만 기본적으로 원자로는 핵분열이라는 연쇄 반응 과정을 사용합니다. 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)의 방정식에 따르면 이는 원자로의 연료봉에 있는 원자를 분리하고 그 안에 저장된 에너지를 방출합니다. 방출된 열 에너지는 터빈을 회전시켜 전기를 생성하는 증기를 생성하고 궁극적으로 휴대폰을 충전할 수 있습니다.
원자로의 작동 원리
동일한 물리학이 모든 원자로의 기초가 됩니다. 원자로 노심 내부에는 연료 알갱이(주로 우라늄)가 연료봉에 배열되어 있습니다. 에너지 방출의 핵심은 핵분열 연쇄 반응입니다. 핵분열은 아원자 중성자 입자가 우라늄 원자와 충돌할 때 발생합니다. 중성자가 충돌하면 원자가 두 개의 더 작은 원자로 분할되고 추가 중성자를 방출합니다. 차례로, 이들은 다른 우라늄 원자에 영향을 주어 연쇄 반응을 일으킵니다. 원자가 분할될 때 생성되는 물질에 대한 세부 사항은 다양할 수 있지만 일반적인 반응에서는 우라늄-235 원자를 바륨과 크립톤 핵으로 분할하면서 2~3개의 중성자를 추가로 방출할 수 있습니다.
자, 우리가 이 단계에서 원하지 않는 것은 이러한 반응이 확인되지 않은 채 계속되는 것입니다. 이를 제어하는 두 가지 주요 방법이 있습니다. 첫 번째는 제어봉을 사용하는 것입니다. 이는 과도한 중성자를 흡수하는 물질로 만들어지며, 핵에 노출되는 양에 따라 반응 속도를 높이거나 늦추거나 심지어 멈추는 데 사용할 수 있습니다. 사용되는 일반적인 재료에는 붕소와 은이 포함됩니다. 물은 또한 과도한 열을 운반하여 감속재 및 냉각제 역할을 합니다.
이러한 기본 사항은 모든 원자로에 적용됩니다. 미국에서 사용되는 상업용 원자로의 두 가지 주요 유형을 정의하는 것은 워터 루프를 처리하는 방법입니다. 이에 대해서는 다음에 자세히 설명합니다. 그러나 종류에 관계없이 공정에서 논쟁의 여지가 있는 부분 중 하나는 사용후 연료봉 처리와 관련된 문제입니다. 이러한 물질은 방사능이 매우 높으며 안전하게 보관하는 것은 해당 분야가 직면한 가장 큰 과제 중 하나입니다.
다양한 유형의 원자로
상업용 원자로 설계에는 가압수형 원자로(PWR)와 끓는수형 원자로(BWR)의 두 가지 주요 원자로 설계가 있습니다. 이들 사이의 결정적인 차이점은 원자로와 증기 루프 내에서 물을 처리하는 방법에 있습니다.
이들 중 가장 흔한 것은 미국 상업용 원자로의 약 65%를 차지하는 PWR이다. 이름에서 알 수 있듯이 이러한 유형의 원자로에서는 물이 끓는 것을 방지하기 위해 폐쇄 루프 내에서 고압으로 유지됩니다. 물은 핵반응에 의해 가열된 후 열교환기를 통해 순환됩니다. 열 교환기는 열을 보조 물 루프로 전달하며, 이 루프의 증기는 터빈을 구동하고 전기를 생성하는 데 사용됩니다.
BWR은 또한 가열된 물을 사용하여 터빈을 구동합니다. 그러나 두 개의 별도 “물 루프” 대신 BWR은 물을 원자로 노심으로 직접 펌핑하고 파이프 시스템을 사용하여 물의 증기를 터빈에 직접 공급합니다. 남은 증기는 응축되어 코어로 다시 펌핑됩니다.
또한 이들 원자로와 미 해군의 핵 선박에 전력을 공급하는 원자로 유형의 차이점을 살펴볼 가치가 있습니다. 세계 최대 항공모함인 USS Gerald R. Ford와 같은 선박은 전력 공급을 위해 축소된 PWR을 사용합니다. 하지만 저농축우라늄(LEU)을 사용하는 상업용 원자로와 달리, 항공모함과 잠수함은 고농축우라늄(HEU)을 사용한다. 후자는 LEU보다 에너지 밀도가 훨씬 높기 때문에 미국의 원자력 선박은 재급유 없이 수십 년 동안 항해할 수 있습니다. 따라서 원자력 추진 항공모함에 연료를 재급유하는 데는 수년이 걸릴 수 있지만 이는 일반적으로 선박의 작동 수명 중 단 한 번만 발생하는 과정입니다.
