원자력 발전의 구조

원자력발전은 원자로에서 우라늄이 핵분열할 때 나오는 열로 물을 끓여 증기를 만들고, 그 증기의 힘으로 터빈을 돌려 연결되어 있는 발전기에서 전기를 일으킵니다. 터빈을 돌린 증기는 응축기로 식혀 물로 돌아가 다시 원자로로 보내집니다. 물을 끓여 증기로 바꾸고, 증기의 힘으로 터빈을 돌려 발전한다는 구조는 원자력 발전도 화력 발전도 같습니다. 핵분열의 구조 원자력 발전의 연료는 우라늄입니다. 우라늄에는 종류가 있으며 핵분열하기 쉬운 것(우라늄 235)과 어려운 것(우라늄 238)이 있습니다. 천연 우라늄에는 핵분열하기 쉬운 우라늄 235는 단 0.7%밖에 포함되어 있지 않습니다. 모든 물질은 많은 원자로 구성되어 있습니다. 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있으며, 태양과 주변의 화성이 돌고 있는 것처럼 전자가 원자핵의 주위를 돌고 있습니다. 또한 원자핵은 많은 양성자와 중성자로 구성되어 있습니다. 우라늄 235의 핵에 중성자가 닿으면 양성자와 중성자를 연결하는 힘이 불안정해져 핵분열이 일어난다. 이때 방대한 열에너지가 발생하여 동시에 2~3개의 중성자가 방출됩니다. 이 중성자가 또 다른 우라늄 235를 핵분열시키는 것입니다. 차례차례 반복되는 이 반응을 핵분열의 연쇄 반응이라고 합니다. 원자력발전은 핵분열의 연쇄반응을 이용하여 증기를 만들어 발전하고 있습니다. 이 연쇄반응을 지속적으로 일으켜 발전에 적합한 양의 열에너지를 얻기 위해 원자로에서는 다음과 같이 핵분열의 속도와 열에너지의 발생을 컨트롤하고 있습니다. 핵분열로 발생한 중성자의 속도를 떨어뜨려 다음 핵분열을 일으키기 쉽게 하는「감속재」핵분열이 필요 이상으로 일어나지 않도록 여분의 중성자를 흡수하는 "제어봉" 핵분열로 발생한 열을 꺼내는 「냉각재」(냉각재가 물인 경우, 꺼낸 열이 수증기의 형태로 발전기의 터빈을 돌리는 힘이 된다) 원자폭탄과 원자력발전의 차이 원자폭탄과 원자력발전은 모두 우라늄을 이용하고 있다. 하지만 이 두 가지에는 큰 차이가 있습니다. 원자폭탄은 한 번에 대량의 에너지를 발생시키기 때문에 핵분열하기 쉬운 우라늄 235의 비율을 100% 가까이까지 농축하여 순식간에 핵분열시켜 폭발시킵니다. 원자력발전은 조금씩 장기간에 걸쳐 에너지를 꺼내기 때문에 핵분열하기 쉬운 우라늄 235의 비율을 3~5%로 농축하여 핵분열을 연쇄반응시킵니다. 또한 중성자를 흡수하는 제어봉으로 핵분열을 조정합니다. 자기 제어성 일본의 원자력발전의 원자로(경수로)는 보통의 물(경수)을 넣고 있습니다. 물은 핵분열에 의해 발생한 열을 꺼내는 냉각재로서 뿐만 아니라, 감속재로서의 기능도 있습니다. 핵분열에 의해 발생하는 중성자의 속도는 매우 빠르기 때문에 속도를 느리게 하면 다음 핵분열이 일어나기 쉬워집니다. 이 속도를 늦추는 역할을 감속재인 물이 담당합니다. 원자로의 출력이 상승하면 물이 끓어 증기가 되어 기포(아와)가 되어, 중성자는 감속되기 어려워집니다. 그 결과 핵분열을 일으키는 속도가 느린 중성자가 감소하므로 핵분열의 연쇄반응이 자연스럽게 억제되어 출력의 상승을 억제할 수 있습니다. 만일 무언가의 원인으로 핵분열의 양이 갑자기 증가해도, 연료의 특질을 이용해, 자연스럽게 핵분열이 억제되어, 설정한 일정한 출력에 안정하는 것 같은 성질이 갖추어져 있습니다. 다중 보호 우라늄 연료는 운전 중뿐만 아니라 운전을 멈추고 있을 때에도 방사선과 열을 계속 내기 위해 철저한 안전 확보 노력이 필요합니다. 이 때문에 원자력발전소에서는 「다중방호」의 사고방식을 도입하여 몇 단계의 안전대책을 강구하고 있습니다.