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과학자가 들려주는 원자력에너지 이야기_원자로

  • 2015.05.26.
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전문가 칼럼_원자로1

 

전문가칼럼

일반적으로 ‘에너지’라고 하면 전기나 불을 떠올리기 쉽다. 하지만 우리가 땅에서 얻을 수 있는 천연가스나 석유 같은 자원은 불이나 전기 형태로 에너지가 저장되어 있지 않다. 그렇기에 여러 과정을 거쳐 자원에 잠재되어 있는 에너지를 우리에게 필요한 열에너지 형태(=불)로 바꾼다. 이렇게 얻은 열에너지로 물을 끓이거나 공기를 데우고, 터빈과 발전기를 이용해 전기를 생산하는 것이 발전소의 원리다.

+ 우라늄이 전기로 생산되기까지

원자력에너지도 앞서 말한 유사한 과정을 거쳐 전기로 만들어진다. 다만 가스나 석유와 다른 차이가 하나 있다면 에너지가 원자와 원자 사이에 잠들어 있지 않고 원자 내부, 더 정확하게는 원자핵 내부에 잠들어 있다는 것이다.

원자핵은 머리카락 수억 분의 일 크기로 아주 작은데, 그 안에 같은 극성을 띤 양성자가 함께 모여 있다(우라늄에는 무려 92개나!). 같은 극성을 띤 물질은 서로 밀어내려는 성질이 있어 좁은 공간 안에 함께 있기 어렵다. 이런 엄청난 반발력을 누르고 원자를 안정적으로 만들어주는 힘이 바로 원자력에너지다. 만약 원자핵에 원자력에너지가 없다면 우리가 알고 있는 모든 물질은 당장이라도 분해되고, 온 우주에는 수소 가스만 남아 있을 것이다.
평소 경험으로 알 수 있듯 제아무리 휘발성이 강한 가스나 석유라고 해도 가만히 존재할 때는 불을 만들지 못한다. 불씨와 산소가 있어야 스스로 타면서 불이 붙는다. 마찬가지로 원전의 연료인 우라늄도 그 자체로는 어떤 반응도 일으키지 못한다. 불씨 역할을 하는 ‘중성자’가 있어야만 우라늄이 핵분열반응을 연쇄적으로 일으키면서 고온의 열을 발산하고, 그 열에너지로 물을 데워 증기터빈을 돌리고 전기를 만든다.

전문가 칼럼_원자로(2)
[신한울 2호기 원자로/ 신고리 1호기 터빈]

+ 원자력에너지가 만들어지는 곳, 원자로

우라늄이 전기로 만들어지려면 원자로에서 핵분열반응이 일어나야 한다. 핵분열반응은 원자핵이 두 개 이상으로 쪼개지는 반응이다. 주로 우라늄이나 플루토늄과 같이 양성자 수가 많은 원자핵에서만 이러한 반응이 일어난다. 핵분열반응이 한 번 일어나면 우라늄은 두 개 이상의 중성자를 방출하는데, 중성자 하나를 소모하더라도 이보다 더 많은 중성자가 새로 생긴다.
재미있는 사실은 핵분열반응으로 생성된 중성자는 매우 움직임이 빠른데, 이런 고속 중성자는 느리게 움직이는 중성자보다 오히려 핵분열반응을 더 잘 일으키지 못한다는 점이다. 따라서 속도를 늦추는 감속재(물이나 흑연)를 사용해 중성자가 천천히 움직이게 하면 핵분열반응이 더 잘 일어난다. 느려진 중성자는 다시 우라늄 원자핵과 반응해 원자핵에 잠들어 있는 막대한 양의 원자력에너지를 열에너지로 바꾼다. 이러한 반응이 연쇄적으로 일어나는 장소가 바로 ‘원자로’다.

원자로는 우리나라 전통 부엌의 아궁이와 같다고 보면 된다. 땔감 역할을 하는 우라늄, 불씨와 산소 역할을 하는 중성자, 그리고 풀무 역할을 하는 감속재 등을 이용해 원자력에너지를 열에너지로, 그리고 최종적으로 전기로 바꾸고 있다. 그 과정에서 우라늄이 핵분열반응이 과도하게 일어나거나 부족하게 일어나지 않도록, 일정하게 조절하는 핵심 기술이 바로 ‘원자로’에 집중되어 있다.

– 글 : 이정익(KAIST 원자력 양자공학과 교수)  / 사진 : 박정규(홍보실)

– 원본글보기 : 수차와 원자로 2015년 4월호

 

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