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[한수원 지식Q] 핵연료는 얼마큼의 에너지를 가지고 있는지 궁금합니다.

  • 2015.03.13.
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지식Q_핵연료

 

원자력발전의 기본이 되는 핵원료에 대해 많은 분들이 궁금해하시는 것 같은데요.

오늘은 원자력의 핵심이 되는 핵연료에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

핵연료 가공과정

 

◆ 핵연료의 힘

원자력발전 연료인 핵연료는 우라늄으로 만들어지게 되는데요.

광산에서 채굴한 우라늄 광석 1톤에는 불순물 등이 포함되어 있어 이를 제거해야 합니다.
정련 과정을 거치면 순수 우라늄은 약 1kg 정도만 남게 되는데,
이를 우라늄 정광이라고 합니다.

노란색이나 연한 갈색을 띄기 때문에 Yellow Cake라고도 부르는데 자연상태와 동일하게 99.3%의 우라늄-238과 0.7%의 우라늄 -235로 구성되어 있습니다.

농축과정은 광석에서 분리해낸 순수 우라늄을 우라늄화합물 중에서 유일하게 기체인 육불화우라늄으로 변환시킨 후, 우라늄-235와 우라늄-238의 무게 차이를 이용한 원심분리법이나 기체의 속도차를 이용한 기체확산법 등을 활용하게 됩니다.

그러나 농축을 반복하면 핵무기로 사용할 수 있는 90%의 농도의 우라늄-235가 만들어질 수 있어 국제사회에서는 농축기술 확산 방지를 위해 노력하고 있습니다.

이때문에 농축되어 있는 겔(gel) 상태의 우라늄을 해외에서 수입하여 국내에서 산화우라늄으로 변환한 후 가공해 핵연료인 직경 8mm, 높이 1cm의 원기둥형태의 펠렛으로 만들게 됩니다.

 

핵 연료봉

 

펠렛 한 개에서는 4인 가족이 8개월간 사용할 수 있는 양인 1,600kWh의 전력을 생산할 수 있게 됩니다.

이 펠렛을 385개 넣은 봉을 ‘연료봉‘이라고 합니다.

또 이 연료봉을 236개 묶은 것을 ‘연료집합체‘라고 합니다.

1,000MWe급 원자로에는 이 집합체 177(펠렛 약 1,600만 개)가 장착되어 인구 100만명이 충분히 쓸 수 있을 만큼의 에너지를 생산하게 됩니다.

그렇다면 핵연료를 어떻게 전기에너지로 변환시킬까요?

 

전기생산과정

 

◆ 전기 생산 과정

원자력발전은 핵분열 반응으로 생겨난 열에너지로 증기를 만들고, 그 증기로 발전기를 돌려 전기에너지를 만들게 됩니다.
그렇다면 핵분열 반응을 통해 어떻게 증기를 만들고, 어떻게 발전기를 돌릴 수 있을까요?

먼저 핵연료의 핵분열 반응으로 열에너지를 전달받는 것은 냉각재(물)입니다.
물은 100도에서 끓어 증기로 변하지만 1차 계통에 있는 가압기에 의해 압력이 대기압의 150배로 유지되기 때문에 물은 330도 정도의 온도에서도 끓지 않고 물의 형태를 유지하게 됩니다.

고온. 고압의 냉각제는 증기발생기를 통해 열을 전달해주고 다시 핵연료가 있는 곳으로 되돌아가게 됩니다.

이러한 냉각재의 순환은 바로 원자로냉각재 펌프에 의해 이루어지게 됩니다.
증기발생기에서 열에너지를 전달받는 2차 계통의 물은 압력이 높지 않기 때문에 끓어올라 증기가 되고, 이 증기는 발전기에 연결된 터빈을 회전시켜 전기를 만들게 되는 구조입니다.

전기를 생산하는 방법이 간단하지는 않은데요. 우리의 기술이 얼마나 높은지 알 수 있는 대목입니다.
그렇다면 핵연료는 무제한일까요?

 

◆ 핵연료의 안전한 교체

핵연료가 원자로에 장전되면 얼마간 에너지를 발생할까요?
천연우라늄이 원료인 중수로형 발전소는 매일 교체가 가능합니다.
그러나 농축된 핵연료를 사용하는 경수로형 발전소는 다발 형태인 연료집합체가 들어가기 때문에 한번 장전된 후 3~5년간 연소가 가능합니다.

원자력발전소에서도 핵연료 교체를 한꺼번에 하지 않고 3분의 1 가량의 사용중인 연료를 원자로에서 빼낸 후 남아있는 연료를 외곽으로 옮기고 중앙에 새로운 연료를 장전하게 됩니다.

이러한 교체 과정을 핵연료재장전이라고 합니다.

핵연료 재장전 시, 중성자를 흡수해 핵분열 반응을 억제하는 붕산수를 원자로에 가득 채운 뒤 핵연료 취급 계통을 활동해 연료가 붕산수에 잠긴 상태에서 이동하게 됩니다. 핵연료 재장전 기술은 정교함을 필요로 하며, 현재는 설계와 제작까지 국산화에 성공하였습니다.

 

오늘은 핵연료에 대해서 알아보았습니다.
현재 에너지 자원 중 원자력의 핵연료만큼 효율적인 에너지는 찾아보기 힘든데요.
핵연료를 안전하게 다룰 수 있는 기술이 한국수력원자력에 있다는 사실 잊지 마세요. ^^
다음 지식Q 시간에는 더 흥미로운 주제로 찾아오겠습니다.

 

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코멘트(7)

  • 이채민 2 년 전에

    안녕하십니까. 연료 재장전 과정에 대해서 궁금한 것이 있어서 여쭈어 봅니다.

    연료를 재장전 할 때에,

    1. 연료집합체를 원자로실(Reactor Containment Building) 까지 운반 한다.
    2. 원자로실 내에 설치되어있는 크레인을 통해 연료집합체를 들어올린다.
    3. 들어올린 연료집합체를 붕산수로 이미 가득 채워진 원자로에 넣어준다.
    정도로 생각이 됩니다.

    여기서 제가 궁금한 점은,

    연료 집합체를 원자로실 안으로 운반하는 과정은 어떤식으로 이루어지며, 어떠한 안전조치가 이루어 지는지 입니다.

    답변 부탁드립니다. 좋은 하루 되세요. 감사합니다.

    • 이채민 2 년 전에

      여기서 안전조치라는 것은 연료 집합체를 원자로실 안까지 운반하는 과정에서의 안전조치를 말하는 것입니다. 이 때에는 대기 중에 중성자 수가 미비하여 붕산수 처리는 필요 없는 것인지.. 옮기는 과정에서 연료 집합체에서 나오는 방사선에 대한 방호는 어떤식으로 이루어지는지.. 답변 부탁드립니다. 감사합니다.

      • 운영자

        운영자 2 년 전에

        안녕하세요? 한국수력원자력입니다.
        신연료를 제외한 모든 핵연료는 열과 방사선 차폐를 위하여 수중에서만 취급하도록 설계되어 있습니다.
        원자로 건물과 핵연료 건물은 하나의 이송관으로 연결되어 있고 재장전 수로를 통해 붕산수를 채운 상태에서 운반 및 취급을 하고 있습니다.

  • 김영준 3 년 전에

    냉각수따로 증기가 되는 물 따로일줄알았는데 같은 물이였군요…. 신기하네요
    그런데 핵연료 교체를 한꺼번에 하지 않고 중앙에 있는 3분의 1 가량을 원자로에서 빼낸 후 남아있는 연료를 중앙으로 옮기나요? 궁금하네요

    • 운영자

      운영자 3 년 전에

      일부 오기가 있어 정정합니다. 중앙에는 신연료를 배치하고 점진적으로 사용 중인 핵연료를 외곽쪽으로 이동하여 재배치하고 있습니다. 그리고 최종적으로 연료의 역할(수명)을 다한 핵연료는 사용후 연료 저장조라는 곳에 안전하게 보관하고, 빈공간(중앙쪽)에 신연료를 다시 배치하고 있습니다. 이러한 방법을 저누설 장전 모형(Low Leakage Loading Pattern)이라고 하는데 이러한 배치 방법의 장점은 다음과 같습니다.

      • 운영자

        운영자 3 년 전에

        ○ 노심내 중성자의 외부누설(일반적인 누설의 개념이 아닙니다) 감소로 중성자 이용률 증가
        → 원자력 발전소는 중성자에 의한 연쇄 핵분열 반응에서 생성되는 열을 이용해 물을 끓이고 이렇게 생성된 증기로 터빈-발전기를 돌려 전력을 생산하고 있습니다. 이런 원자력 발전소에서 중성자가 외부로 소모되면 핵분열 반응에 사용되어야 하는 중성자의 수가 줄어들게 됩니다. 이러한 중성자의 소모를 줄여 중성자의 이용률(핵분열 반응률)을 증가시켜 핵연료 이용률을 증가시키게 됩니다.

        • 운영자

          운영자 3 년 전에

          핵연료 교체를 한꺼번에 하지 않고 3분의 1 가량을 교체하는 이유는 보다 안전하고 경제적으로 핵분열 반응을 시키기 위해서입니다. 원자로 내부에서 균등하게 핵분열 반응이 일어나지 않고 어느 한쪽에 집중적으로 일어나게 되면 열적 불균형이 발생하게 되고 이것은 원자로의 안전성을 해치게 됩니다. 따라서 핵연료의 교체 시에 신연료와 사용후 연료의 배치를 위해 여러 가지의 안전해석을 하고 난 후 마지막으로 안전성을 재검토 한 후 시행하고 있습니다.

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