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[원자력 탐험대 12화] 열을 조절해 전기를 얻는 원자로의 구조

  • 2014.12.15.
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핵분열 때 중성자 수 조절은 ‘제어봉’…‘감속재’, 속도 느리게

러시아의 전통 인형 마트로시카를 닮은 원자력 발전소의 핵심 시설은 바로 ‘원자로’ 다. 추운 겨울날 집안을 따뜻하게 해주는 보일러처럼, 원자로도 간단히 말하면 물을 뜨겁게 데우는역할을 한다. 그리고 그 열을 이용해 발전기를 돌려 전기를 얻는다. ‘핵’ 이란 말 때문에 왠지 더 복잡하고 무시무시해 보이는 원자로의 구조를 좀 더 알기쉽게 만나보자.

 

△ 연쇄 반응을 조절해 일정한 온도를 유지하라

뜨거운 불로 물을 데우려면? 답은 간단하다. 물이 담긴 냄비를 불 위에 올려놓으면 된다. 급한 나머지 물을 직접 불에 붓는다면 당연히 불은 꺼지고 만다.

원자로 안의 연료(우라늄)는 핵분열을 반복하면서 2000℃ 이상의 높은 열을 낸다. 일종의 불인 셈이므로, 원자로 안에서 물을 데우려면 냄비 역할을 할 그릇이 필요하다.
그런데 조금만 더 생각해 보자. 냄비 대신 물이 흐르는 긴 관을 불 위에 올려놓으면 어떨까. 냄비를 들어 뜨거워진 물을 다른 그릇에 담고, 다시 찬물을 부어야 하는 번거로움이 줄어든다. 그래서 둥근 원통형의 원자로 안에는 냄비 대신 물이 흐르는 긴 관이 지난다.
원자로의 구조를 이해하기 위해선 물을 데우는 원리와 함께 열을 일정하게 유지시켜야 하는 이유도 알아야 한다.
원자로 안에서는 핵분열의 반복 즉, 연쇄 반응으로 열이 생긴다. 이때 연쇄 반응의 빠르기나 크기를 제대로 조절하지 않으면 열이 너무 높아질 수 있다.

시골집 아궁이에 땔감을 계속 넣으면 방바닥이 너무 뜨거워 앉을 수도 없는 것과 같다. 그래서 예전엔 어머니들이 잠시도 아궁이를 떠나지 않고 땔감을 더하거나 빼면서 불길을 일정하게 유지했다. 연쇄반응을 조절해 주는 특별한 장치가 필요한 이유도 이와 같다.

원자로의 구조
– 1차 계통, 원자로와 냉각재 통로 포함/ – 2차 계통, 증기로 터빈 돌려 전기 생산

△ 원자로 안의 열을 낮추는 장치

이제 원자로 안에서 물을 끓이고, 온도를 일정하게 유지해 주는 장치를 이름과 함께 살펴보자.

핵분열의 연쇄 반응을 적당한 수준으로 낮추는 방법은 크게 두가지로 나뉜다. 핵과 부딪쳐 분열을 일으키는 중성자의 수와 충돌 속도를 조절하는 것이다.
이 가운데 중성자 수를 조절하는 역할은 기다란 봉과 같은 ‘제어봉’이 맡는다. 그리고 중성자의 속도를 느리게 해주는 일은 속력을 줄인다는 뜻을 가진 ‘감속재’가 담당한다.

또 핵분열로 생긴 열은 찬물을 통과시켜 식힌다.
원자로를 지나는 긴 관을 흐르는 ‘냉각재’(물)다. 특히 냉각재는 단순히 원자로 안의 열을 낮추는 것뿐 아니라 전기를 만드는데 결정적인 구실을 한다.

△ 냉각재가 지나는길, 1차 계통

원자로의 구조를 말할 때, 냉각재가 흐르는 길(관)은 흔히‘1차 계통’이라고 부른다. 1차 계통은 원자로와 원자로 냉각재 펌프, 증기 발생기, 가압기 등으로 구성된다. 원자로 안에서 데워진 냉각재가 이 길을 통해 증기 발생기로 가서 차가운 물을 끓여 증기를 만든다. 이때 나오는 증기의 압력으로 발전기와 연결된 터빈을 돌리는 것이다.

△ 증기의 힘으로 전기를 만드는 2차 계통

1차 계통이 냉각재가 다니는 길이라면, 증기 발생기에서 생겨난 뜨거운 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 부분은 ‘2차 계통’이라고 한다. 2차 계통은 또 냉각재가 절대로 갈 수 없는 길이기도 하다.

2차 계통의 시작 지점은 증기 발생기로, 1차 계통과 서로 맞닿아 열을 주고 받는다. 그렇기에 1차 계통안의 방사능 물질이 2차 계통으로 옮겨가는 것을 막기 위한 벽이 설치돼 있다. 방사성 물질의 유출을 철저히 막기 위한 원자력 발전소의 구조를 잘 보여 주는 부분이기도 하다.

 

140820원자력탐험대12회

 

– 작성 : 소년한국일보 윤석빈 기자 binys@snhk.co.kr

– 원문보기 : 소년한국일보 http://ka.do/hTpX

 

 

 

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