공부하고 정리하고

이번에는 원자력 발전소가 물을 사용하는 이유를 알아보겠습니다.
사실 이 부분에 대해서는 제가 체르노빌 사고에 대해서 소개할 때 간단히 언급했었습니다.
하지만 오늘 조금 더 자세히 알아보도록 하죠.
물의 용도는 3가지가 있습니다.

• 원자로의 열을 제거하여 노심 용융을 방지한다.

• 우라늄이 중성자와 반응이 잘하도록 감속시켜주는 역할을 한다.

• 원자로에서 빼앗은 열을 2차 계통으로 전달해주는 역할을 한다.

이 세 가지 기능을 알아보겠습니다.

원자로의 열 제거

원자로 안에서는 핵분열로 발생한 붕괴 열로 매우 뜨거운 상태입니다.
용광로를 생각해보면 매우 뜨거운 열을 주면 철들이 녹아서 액체처럼 흐르죠?
만약 원자로가 이렇게 녹아버리면 어떻게 될까요? 심각한 사고를 초래하게 됩니다.
그래서 이를 막아야 하죠.
그런 점에서 물은 열 제거에 효율적입니다.

생각을 해보죠. 라면을 끓이기 위해 물을 올리고 불을 켰습니다. 그런데 물이 있는 동안은 절대 냄비가 타지는 않습니다. 하지만 물이 말라버리면 순식간에 타버리죠.
이런 생각으로부터 물이 열 제거에 좋다는 점은 이해하실 겁니다.

2차 계통으로의 열전달

원자로로부터 공급받은 열을 2차 계통으로 전달합니다. 여기에는 증기발생기라는 설비를 이용합니다. 그래서 1차계통입장에서는 원자로에서 제거한 열을 버리는 곳이며 2차계통입장에서는 열을 공급받는 보일러 역할을 합니다.

감속재로의 역할

앞서 설명한 냉각수로의 역할도 중요하지만 이 감속재로의 역할로 원자로는 돌아가게 됩니다. 이 감속재가 없다면 연쇄반응은 불가능합니다.
왜냐하면 우라늄이 반응을 하는 중성자는 에너지가 낮은 영역대의 중성자를 사용하는데 핵분열시 발생하는 중성자는 속중성자라 하여 에너지가 높은 중성자입니다. 이 중성자에 대해서 조금만 더 이야기하죠.
중성자는 핵분열을 야기하는 불씨 같은 역할을 하지만 높은 에너지를 가진 중성자는 비교적 반응을 잘 하지 않습니다. 빠른 야구공일수록 잡기 힘든 것처럼 말이죠.

이렇게 잡히는 정도인 반응하는 정도를 흡수 단면적이라고 합니다. 이 개념은 핵물리, 입자물리에서 정말 중요한 개념입니다.
이 흡수 단면적이 크게 중성자의 3가지 에너지 영역에 따라 다른 특성을 나타냅니다.
높은 에너지 영역에서는 가장 작고 중간 영역에서는 중간중간 높은 흡수 단면적을 가진 공명 영역이라는 부분이 존재합니다.
그리고 가장 에너지가 낮은 열중성자 영역이 흡수 단면적이 큰 영역입니다. 그렇기 때문에 우리는 열중성자 영역으로 중성자를 감속시키기 위해 감속재를 사용합니다.
이 영역에서 우라늄이 중성자를 잘 흡수하기 때문이죠.
사실 이 부분에 대해서는 몇 개의 포스팅으로 나눠서 이야기할 만큼 긴 내용을 담고 있습니다. 그래서 다음에 시스템에 대해 포스팅을 진행한 후에 핵물리에 관한 포스팅을 할 때 더 자세히 다루도록 하겠습니다.

그리고 한 가지 더 설명하자면 1차 계통에 사용하는 물은 우리가 아는 물은 아닙니다. 즉, 순수한 물을 사용하지는 않습니다. 붕산이 함유된 붕산수를 사용하는데 붕산이 흡수 단면적이 정말 큽니다. 그렇기에 중성자를 제어하기 위한 목적으로 사용이 됩니다.

마지막으로

정리하자면, 물의 역할은 한마디로 감속재와 냉각재의 역할을 합니다. 그리고 원자로 안전성에 전적으로 기여를 합니다. 그렇기에 모든 원자력 발전소는 이 감속재이자 냉각수인 물이 유지되도록 모든 설비가 작동합니다.
따라서 물을 왜 사용하는지 이해가 되시는가요? 이 물의 중요성은 추후에 제가 포스팅하는 시스템에 대한 글을 보다 보면 더 이해가 되리라 생각됩니다. 

다음 시간에는 열기관 중 증기발전기에서 사용하는 랭킨사이클에 대해서 알아보겠습니다. 

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

저번 시간에 풍력발전에 관해서 이야기했었습니다. 오늘은 물의 떨어지는 힘을 이용한 수력 발전에 관해서 소개하겠습니다.

언젠가 한 번쯤 댐에 가본 적이 있으실 겁니다. 댐에 모아놓은 물은 어마어마한 양이죠. 물을 모아놓았다가 가뭄이 오면 농사를 위해 물을 흘려보내는 역할도 하고 비가 많이 왔을 때 물의 방류량을 조절에 물난리가 나는 것을 막는 역할도 합니다. 이런 댐이 전기도 생산합니다. 어떻게 생산하는지 한번 알아보겠습니다.

전기 생산의 원리

물리를 공부한 적이 있는 분이시라면 누구나 위치에너지 운동에너지를 들어 보았을 것입니다. 높은 곳에 있으면 위치에너지가 올라가고 아래로 내려오면 그 위치에너지만큼 운동에너지로 변환이 됩니다. 이를 이용하게 됩니다.
댐은 산에서 흘러나오는 물을 한곳에 모아 가두어 둡니다. 즉, 밑으로 흘러내려 가려고 하는 물들을 산이라는 곳에 가두어 두는 것입니다. 그래서 물은 위치에너지를 가지고 댐에 저장이 됩니다. 위치에너지는 질량×중력가속도×높이로 구해지게 되는데 중력가속도는 지구에서는 9.8m/s2으로 일정하고 높이는 높을수록 질량은 클수록 에너지가 큽니다. 여기서 높이는 댐의 고도가 될 것이고 질량은 물을 어느 정도 저장하고 있냐인 저수량에 의해 결정이 됩니다. 그러니 결국 댐의 규모와 관련이 큽니다. 위치는 저수량과 경제적 여건을 고려하여 어느 정도 한계가 있고 저수량도 규모가 크면 커지게 됩니다. 결론적으로 가장 중요한 부분은 한 번에 내보낼 수 있는 방수량 시간당 방수량이 크면 많은 에너지를 낼 수 있습니다.

이 에너지가 나오면 아래로 흐르게 됩니다. 아래로 떨어지며 물은 위치에너지에서 운동에너지로 바뀌게 됩니다. 즉, 내려오면서 힘을 가지게 되는 것이죠. 예를 들어 생각해보면 폭포가 있는 계곡에 놀러 갔을 때 높은 폭포수 아래에 가면 물을 맞지만 아픕니다. 이것이 운동에너지로 전환이 되었기 때문이죠. 결국, 수력발전은 위치에너지에서 전환된 운동에너지로 발전기를 돌려 전기를 생산하게 됩니다.

발전 방식은?

저번 포스팅에서 풍력발전은 바람이 날개를 돌려 거기에 연결된 터빈이 돈다고 하였지요? 수력도 마찬가지의 원리입니다. 다만, 이번에는 바람이 아니라 물입니다. 높은 데서 낮은 데로 떨어진 물은 운동에너지가 높아집니다. 이 말인 즉슨 빠른 유속을 가진 물이 흐르는 것입니다. 그리고 흐르는 곳에 수차를 설치합니다. 이 수차는 물에 의해 돌아가게 됩니다. 그리고 이 수차는 발전기와 연결되어 있습니다. 이 발전기에 있는 영구자석이 돌면서 교류전원을 생산하게 됩니다.

수력발전의 장점

-친환경적으로 연료비가 없고 대기오염물질 방출이 없습니다.
-전기생산 이외에 식수공급, 자연재해 예방 등의 다양한 기능을 함께 제공합니다.

수력발전의 단점

-댐 건설을 위해서는 산의 생태계를 파괴해야 합니다.
-앞서 전기생산 원리에서 말했듯이 풍부한 수량과 높은 낙차가 필요하며 넓은 지형이 필요하므로 입지 조건이 제한적입니다.
-초기 건설비용이 높다

양수 발전?

수력 발전을 이야기하면 양수 발전이라는 말을 많이 들어보셨을 겁니다. 양수 발전은 무엇일까? 엄밀히 말하면 발전이라고 할 수는 없다고 생각합니다. 더 적절한 표현은 거대한 배터리다 라고 말하고 싶습니다. 왜냐하면, 양수 발전은 전기를 사용하여 물을 펌프로 끌어올려 댐에 다시 보내는 일을 하게 됩니다. 왜 이런 짓을 할까요?
두 가지 정도의 기능이 있습니다. 첫째는 발전 기동이 좋아 긴급한 부하변동에 신속히 대응할 수 있습니다. 두 번째는, 남는 전기를 저장하기 위해서입니다. 전기는 비교적 낮보다는 잠을 잘 시간인 밤에는 사용량이 낮아집니다. 그래서 전기 생산을 줄이기는 하지만 기저부하인 대형 발전소는 전기 생산을 중단하는 것이 큰 손실이고 원자력의 경우는 더욱더 크게 손실이 옵니다. 그래서 전기를 생산하되 저장을 하게 됩니다. 하지만 현실적으로 배터리의 저장량은 한정적이라고 할 수 있습니다. 그래서 물을 펌프로 끌어올려 댐에 저장하고 나중에 전기수요가 있을 때 수력발전을 하여 전기를 생산하는 방식이 양수 발전입니다. 이 방식은 전기를 사용하여 다시 올리는 만큼 발전 효율이 낮습니다. 하지만 전기를 버려야 하는 것을 일부 저장하게 됨으로써 전기 생산을 증진시키는 장점이 있습니다.

수력발전은 원리는 정말 간단하지만 그 규모는 엄청납니다. 이러한 댐을 보았을 때 단순히 물의저장뿐만 아니라 전기까지 생산 해준다는 것을 생각해보는 시간이었습니다.

-이미지 출처-

1. http://www.list-rooster.com
2. https://www.iaspaper.net/water/
3. http://study.zum.com/book/14575
4. http://www.placesnearpune.com
5. http://blog.kepco.co.kr/912
6. http://angeles.sierraclub.org/news/blog/2016/12/ready_set_organize
7. http://www.water-technology.net/projects/chongqing/chongqing8.html
8. http://www.asiatoday.co.kr/view.php?key=505807
9. http://www.ecoseoul.or.kr/xe/?document_srl=1875277