앞서 포스팅한 내용에서 우리나라가 주로 사용하는 가압 경수로인 PWR의 경우는 원자로가 포함된 1차계통과 발전을 하는 2차계통으로 분리되어 운영이 된다고 소개를 했었습니다.
오늘부터 여기서 1차계통에 해당하는 원자로냉각재계통과 관련되는 설비 및 주요 기능들을 소개하고자 합니다.

설명에 앞서 제가 소개하는 원자로는 한국형 표준원전인 OPR-1000을 기준으로 소개하며 참고서적은 (“원자력 발전소 계통”-김재근 저)입니다.
여기서 소개하는 OPR-1000이 최초의 한국형 원자로이며 미국 TMI사고의 후속 조치요건을 모두 반영한 모델입니다.
그리고 OPR-1000보다 뒤에 나온 APR-1400이나 APR+도 전체적인 방식들은 유사하고 스펙이 조금씩 차이가 있습니다. 뒤에 나온 원자로는 더 차세대 개량형이며 제가 소개하는 원자로보다 더 높은 잣대를 적용한 설계를 한다고 생각하시면 되겠습니다.
하지만 한국에서 운전중인 원전중에 10기 정도는 이 OPR-1000으로 운전이 되고 있는 만큼 OPR-1000의 설계기준으로 설명한다고 해도 기준으로 잡을 수 있다고 생각합니다.

원자로냉각재계통

앞서 소개한 원자력 발전소에는 물이 왜 필요할까? 에서 소개하였듯이 원자로 냉각 및 감속을 위해 필수적으로 존재해야 하는 계통입니다.

다시 한번 주요기능에 관해서 이야기하자면
1)원자로의 열을 제거하고 2차측에 증기를 발생시킵니다.

2)노심에서 발생하는 핵분열성물질의 누출을 대기로 방출되는 것을 방지하는 역할을 합니다.

3)발전소의 정상운전시 혹은 과도 상태시에 핵연료가 손상되지 않도록 냉각재를 지속적으로 공급합니다.

4)화학 및 붕산농도 제어를 위해 냉각재를 유출 및 충수시킵니다.

5)설계기준을 초과하는 사고 시에 냉각재의 충수 및 방출운전을 하여 압력을 낮추는 역할을 합니다.
화학 및 붕산농도와 같은 말들은 이해가 안되실 겁니다. 나중에 이 일을 하는 계통이 있는데 그때 설명하도록 하겠습니다. 지금은 아 5개 정도 이런 역할을 하는구나 정도만 짚고 넘어가도록 하겠습니다.

이 계통에 포함된 주요 설비들은 다음과 같습니다.

• 원자로용기
  

• 증기발생기(1차계통측)
  

  

• 냉각재 순환 폐쇠회로(배관)
  

  

• 원자로냉각재펌프
  

  

• 가압기
  

  

그럼 계통의 개략도를 살펴보겠습니다.
원자로용기를 기준으로 냉각수가 유입되는 배관이 4개 배출되는 배관이 2개이며 하나의 원자로 용기에 두 개의 증기발생기가 연결이 되며 통과된 냉각수는 펌프를 통해 다시 원자로에 유입됩니다. 이때 두개의 순환계통이 있는 반면 가압기는 하나만 존재합니다.
그리고 각각의 배관들에 여러 공학적안전설비들과 화학 및 체적제어계통들이 연결되어 있습니다.

이 냉각재계통의 핵심은 원자로의 열을 제거하고 2차계통으로 열을 전달하는데 있습니다. 그렇기에 각각의 설비들의 역할을 다시 적어 보겠습니다.

• 원자로용기 : 2차측으로 전달하는 열을 생산한다.
• 증기발생기(1차계통측) : 보일러와 같은 역할로 발전에 필요한 증기를 생산한다.
• 냉각재 순환 폐쇄회로(배관) : 냉각수를 이동시키고 외부로 유출을 막고 외부와 압력경계를 형성한다. 여기서 압력경계라는 것은 압력의 경계를 이룸을 말합니다. 내부의 압력은 매우 높기 때문에 배관이 이 압력차를 버티지 못한다면 터져버리게 될 것이고 끔찍한 사고가 발생합니다. 그렇기에 설계기준의 압력을 견디도록 설계가 되어 있습니다.
• 원자로냉각재펌프 : 증기발생기를 통과하여 열을 빼앗긴 냉각수를 다시 원자로에 공급하는 역할을 합니다. 여기서 하나 명심해야 하는 것이 증기가 아닌 물이라는 점입니다. 1차계통은 증기가 발생하지않도록 설계가 되어 있습니다.
• 가압기 : 바로 위에서 설명했듯이 증기가 발생하지 않도록 설계가 되어 있다고 했습니다. 그 기능을 수행하는 설비입니다. 압력을 설계기준에 맞추어 보다 높으면 낮게 보다 낮으면 높일 수 있도록 하는 기능을 수행합니다.
• 추가적으로 연결된 설비들… : 원자로에 연결된 설비들은 아주 많습니다.
  이 많은 설비들은 모두 원자로의 안전성을 유지하기 위한 설비들입니다. 앞으로 소개하겠지만 우선 원자로가 돌아가는데 필요한 핵심설비들을 먼저 소개하고 안전을 위한 장치에 대해서 소개하겠습니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

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. 

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오늘부터 우리나라 원자력 발전의 시스템에 대해서 자세히 알아보는 포스팅을 올리도록 하겠습니다. 하지만 시스템을 이야기하기 전에 기본적으로 알고 가야 하는 것이 몇 가지 있습니다.

• 왜 우라늄을 사용하는가?
• 물의 역할은 뭘까?
• 랭킨사이클에 대한 이해

이 정도만 소개를 하고 바로 시스템에 대해 알아보겠습니다.

그럼 오늘의 주제인 우라늄을 사용하는 이유를 생각해보겠습니다.
왜 우라늄을 사용할까요? 방사성동위원소는 많습니다.
그런데 굳이 우라늄인 이유가 있을까요?
사실 우라늄만 가능한 것은 아닙니다. 플루토늄으로도 가능하고 토륨으로도 가능은 합니다.
하지만 우리가 고려해야 할 점이 있습니다.

발전하는데 적합한가? 입니다.

발전하는데 적합하기 위해서는 연속적인 핵분열이 가능해야합니다.
또한 발전에 사용할 만큼 충분한 에너지가 발생해야합니다.
그리고 구하기가 용이해야 합니다.
여기에 가장 적합한 원료는 U-235입니다.

왜 그럴까요?

우선 연속적으로 핵분열이 가능한 물질은 핵분열성 물질과 직접적인 핵분열 물질은 아니지만 중성자와의 반응으로 생기는 생성물이 핵분열성 물질인 핵분열 원료물질이 있습니다.
여기에는 우라늄과 토륨 그리고 플루토늄이 있습니다.
이 물질들은 중성자를 하나 받게 되면 불안정해져서 붕괴를 하는데 일반 방사성 붕괴로 방출하는 감마선, 알파선, 베타선만 방출하는 것이 아니라 두 개로 쪼개어지는 반응을 하게 됩니다.
즉, 원자력 발전에 쓰이기 위해서는 쪼개어지는 반응을 하는 물질이어야 합니다.

여기서 연속적인 핵분열이 가능해야 한다고 했죠?

이를 위해서는 핵분열시 중성자가 무조건 같이 나와야 합니다.
두개로 쪼개질 때 말이죠. 이것이 가능한 물질이 핵분열성 물질입니다.
이런점에서 토륨은 원전에서 사용되는데 까다롭습니다. 우라늄보다 4배나 많은데 말이죠.
핵분열원료물질이기 때문에 연속적인 핵분열을 만들어 내기가 힘들기 때문이죠. 하지만 이를 가능하게 하기 위해서 연구는 진행중인 것으로 알고 있습니다.

그리고 발전을 위해서는 에너지가 많이 나와야 하는데 보통 한 번의 붕괴당 200MeV라는 에너지가 방출됩니다.
아인슈타인의 질량등가공식에 의해 이 값을 구할 수 있습니다. 알파선 하나당 4MeV 정도인 것에 비교하면 매우 큰 에너지임을 알 수 있습니다. 그렇기에 이 핵분열성 물질을 사용하는 것입니다.

마지막으로 구하기 용이해야 합니다. 그런데 플루토늄은 어떻게 구할까요?
아쉽게도 플루토늄은 구하기가 까다롭습니다. 왜냐하면 자연계에 존재하지 않기 때문입니다.
자연계에 존재하는 물질 중에 가장 무거운 물질은 우라늄입니다. 플루토늄은 우라늄보다 양성자가 두 개 더 많은 원소이죠. 그래서 플루토늄은 인공적으로 만들어 냅니다.
하지만 우라늄보다 가벼운 물질이 있기는 있습니다. 바로 토륨입니다.
그런데 이 토륨은 잘 사용되지 않습니다.

그렇기 때문에 남은 물질은 핵분열성 물질이며 구하기가 비교적 쉬운 U-235입니다.
비교적 구하기 쉬운 이유는 반감기가 방사성동위원소임에도 불구하고 7억년정도 이기 때문입니다. 보통 7번 이상의 반감기가 지나야 방사능이 거의 없다고 간주하는데 아직 7번 정도면 4억년정도 더 남아있습니다.
그래도 6번반감한뒤인만큼 소량인 우라늄중에 0.72%차지하는 양만큼 현재 존재합니다.
이 0.72%만큼의 U-235 존재로 우리는 현재 원자력 발전을 하고 있습니다.

사실, 토륨이나 플루토늄을 사용하는 응용된 원자로는 연구중입니다. 전문가들은 꿈의 원자로라고 합니다. 상용화만 된다면 말입니다. 나중에 PWR 시스템에 대해서 소개가 끝난뒤에 간략하게 소개하도록 하겠습니다.
오늘은 왜 우라늄을 사용하는가에 대해서 알아보았습니다. 다음 시간에는 물을 사용하는 이유에 대해서 알아보겠습니다. 여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!

 

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이번에는 전 세계적으로 탈원전을 추진하는 나라가 생기게 만든 주원인인 후쿠시마 원자력 발전소의 사고에 대해서 다루어 보려고 합니다. 특히, 우리나라에 큰 영향을 주었죠.
다들 사고가 발생한 것은 알고 있겠지만 정확히 어떻게 사고가 발생했는지 알고 계시는가요?
저도 원자력을 배우기 전까지는 잘 몰랐는데요. 오늘 한번 다 같이 알아보죠.

2011년 일본에 동일본대지진이 강타합니다. 이 지진은 태평양 해역지대에 발생했고 대형 쓰나미를 발생시켰습니다. 이 지진 및 해일로 15,894명 사망, 2562명이 실종되었다고 합니다.
엄청난 대형 재난이죠.
이때 후쿠시마 원자력 발전소는 지진 발생과 동시에 원자력 발전 가동을 중지시킵니다.
그러나 원자력 발전소에서 생산되는 전기를 송전하기 위한 송전탑들은 무너져 내리며 외부전원이 차단되는 상황이 발생합니다. 그래서 이를 대비해서 존재하는 비상 발전기들이 가동을 시작했습니다.

하지만 지진이 만들어낸 거대한 해일이 후쿠시마 원자력 발전소에도 들이닥쳤습니다. 쓰나미를 위해 제방을 쌓아둔 이 발전소는 이 대형 쓰나미에는 속수무책이었습니다. 쓰나미는 제방을 넘어 발전소를 덮쳤습니다. 이에 비상용 발전기들이 작동 중이던 지하 공간에 물이 들이 닥쳤습니다. 발전기는 가동을 중단하였습니다.
이 결과로 후쿠시마 원자력 발전소 제1원전은 블랙아웃 현상이 나타나 결국 완전전원상실사고가 발생하게 됩니다. 전원이 공급이 안되면 그 수많은 공학적 안전설비들이 작동을 하지 않습니다. 이는 치명적인 결과를 불러옵니다. 냉각수 펌프가 정상작동을 하지 않으면서 원자로 내부의 온도가 상승하며 압력도 같이 증가합니다.

결국, 냉각수가 증발하며 내부온도는 1200도까지 상승하며 제 1방벽인 펠렛과 연료봉 그리고 제 2방벽인 원자로또한 녹아버립니다. 그리고 마지막 방벽인 제 3방벽또한 녹아버립니다. (여기서 이 방벽은 우리나라 원전인 PWR보다 훨씬 얇습니다.)

그리고 핵연료의 피복재는 지르코늄으로 이루어지는데 고온의 상태에서 물과 반응을 하여 수소를 발생시킵니다. 이 수소는 내부압력을 올리고 폭발을 유발하게 됩니다. 이를 통해 대기로 방사성 물질이 방출되게 됩니다.
사실 이 과정은 순식간에 일어난 과정들이 아닙니다. 사고 발생은 11일 14시 46분에 발생했고 15시 30분에 모든 전원을 상실하게 됩니다. 17시에 비상용 발전차를 보내지만 교통혼잡으로 늦게 도착합니다. 23시가 되어 현장에 도착하였지만 전력계통의 전반적인 문제로 전력공급이 12일 15시까지 연기가 됩니다. 하지만 12일 6시경 모든 원자로에서 용융이 발생한 상태였습니다. 그리고 14일까지 걸쳐1~4호기중 4호기를 제외한 원자로에서 수소폭발이 일어났고 방사능 누출이 되었습니다. 그리고 사고의 확산을 막기 위해 뒤늦게 바다의 해수를 끌어와 노심에 주입했습니다. 하지만 이미 늦은 상태였습니다.

이때 사고로 많은 방사성 물질이 누출되었고 한호기 이상의 다수 호기가 사고가 발생한 만큼 원자력 발전의 안전에 대한 우려가 많이 나왔습니다. 그래서 이 사건의 재구성 같은 느낌의 영화 ‘판도라’도 우리나라에서 개봉이 되어 많은 사람이 영화를 보고 우려를 표했습니다. 하지만 전문가들은 이러한 사고가 우리나라에서는 일어날 수 없다고 합니다. 왜 그럴까요?

우선 첫 번째로 사고가 발생한다고 하더라도 격리된 원자로 시스템에 의해 사고의 확대가 발생되기 어렵습니다. 스리마일에서처럼 말이죠. 그리고 마지막 방벽인 격납용기도 우리나라의 경우 1m가 넘는 두께를 가집니다. 반면에 이 당시 일본의 원자로는 20cm의 두께의 격납용기였습니다.
두 번째로 일본과 같은 정전사고가 발생하기 어렵습니다. 제가 이 부분에 대해서는 추후에 따로 포스팅할 계획에 있지만 간략히 말씀드리면 모든 비상 발전 시스템은 예상 범람 위치보다 높은 위치에 설치가 되어있고 이 발전기가 작동하지 않을 때 사용하기 위해 터빈 구동형 발전기라던가 비상용 발전기가 하나에서 두개정도 추가로 설치가 되어있습니다. 그래서 완전전력상실사고는 사실상 불가능합니다.

그리고 이 후쿠시마 발전은 문제점이 있었던 게 국제 원자력 기구인 IAEA에서도 감찰시 이 비상용 발전기가 지하에 있는 것은 사고 시 침수가 된다면 정전을 유발할 수 있으니 높은 위치로 옮기라는 권고가 있었다고 합니다. 하지만 후쿠시마 원자력 발전소는 그렇게 하기 전에 사고가 발생한 것인지는 모르지만 이를 시행하지 않았습니다. 그리고 제방의 높이 또한 마찬가집니다. 제방의 높이가 충분하지 않았기에 쓰나미를 막지 못했습니다.
반면에 진앙지와 더 가까웠던 발전소가 하나 더 있었습니다. 바로 오나가와 원자력 발전소인데 이 발전소는 지대가 높아 쓰나미가 들어오지 못했고 안전하게 정지한 상태로 대기하고 있었습니다. 이 발전소는 그래서 피해가 없었습니다. 오히려 주변 주민들은 높은 지대임을 인지하고 이 발전소 근처로 피했다고 합니다.
결론적으로 말씀드리면 원자력 발전소에서 사고가 난 가장 큰 이유는 발전소의 비상 발전기가 제대로 작동하지 못한점이었고 이는 사실 PWR, BWR을 떠나서 지하에 설치한 잘못이 컸습니다. 굳이 PWR이 아니라 BWR이었어도 전력상실만 안당했다면 큰 사고로 번지지는 않았을지도 모릅니다. 그리고 이 사고에서는 후처리에서도 많은 문제가 있었습니다. 정부의 많은 불신을 일으켰고 주민들은 제대로 된 상황 설명을 들을 수 없었습니다.
이는 원자력에 대한 불신과 공포를 키우는 원인이었습니다. 투명하게 방사능 누출양을 알려주고 오염된 정도를 실시간으로 모니터링을 해주고 자연방사능과 비교 및 한계 방사능을 알려주었다면 좋았을 거라고 생각합니다. 만약 우리나라도 비슷한 상황에 있다면 꼭 이런 정부의 대처가 필요하다고 생각합니다.

오늘까지 해서 큰 사고들을 다루었습니다. 어떠하신가요? 원자력 발전소는 위험하다는 생각이 드시나요. 저 또한 위험하다는 생각이 드는군요. 하지만 이러한 생각도 듭니다. 제가 이때까지 설명한 모든 사고들은 모두 인간에 의한 사고입니다. 사람의 실수 잘못 오판에 의한 결과들이었습니다. 그렇기에 더더욱 믿지 못합니다.

하지만 현재 사용하는 우리나라의 PWR은 사람과 별개로 수많은 기계들이 각자의 역할을 맡아 다양한 방향에서 원자로를 안정시키기 위해 여러 설비들을 사용됩니다. 

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이번에는 평상시에 원자력에 관심이 없다면 잘 모를 수도 있는 대형사고를 소개하려고 합니다. 이 사고는 어떻게 보면 최초의 대형사고이자 피해가 거의 없는 사고이기도 합니다. 또한 체르노빌보다 먼저 발생한 사고입니다. 그리고 왜 PWR이 안전한 설비라고 하는지 알 수 있는 사고이기도 합니다. 그럼 왜 어떻게 사고가 발생했고 어떠한 결과가 나왔는지 한번 알아보도록 하겠습니다.

사용 노형

현재 우리나라가 사용하고 있는 가압 경수로와 동일하게 PWR 타입의 노형을 사용하였고 이 스리마일 섬이라는 지역은 미국 펜실베이니아 주의 해리스버그시에서 떨어진 서스쿼해나 강 가운데 있는 섬입니다. 이 PWR이라는 노형은 미국이 개발한 노형이고 우리나라가 미국으로부터 배워온 모델입니다.
어쨌든, 저번 시간에 설명한 거처럼 PWR은 원자로와 원자로 냉각수 계통이 격리된 안전망이 하나 더 있다고 말씀드렸었습니다. 이 안전망의 존재로 PWR은 원자로 건물 밖으로 사고가 확대가 되지 않습니다. 그럼 어떻게 사고가 발생했고 막았는지 알아보겠습니다.

(가압기)

사건 경과

1979년도에 상업운전 중이던 TMI-2(스리마일 섬 원자력 발전소 2호기)에 문제가 발생합니다.
(우선 원자로와 냉각수계통은 1차 계통 그리고 이 계통으로부터 열을 빼앗아 터빈을 돌리는 주증기 계통을 2차계통이라 하겠습니다. )
2차 계통에서 복수의 탈염기장치에서 막힘 현상이 발생합니다. 여러 필터가 장착되어 있다 보니 이런 막힘 현상은 간혹가다 발생하기도 합니다. 이를 확인한 운전원은 압축공기를 주입해 물을 강제로 주입하였습니다.
이때 배관에는 역지밸브라는게 있는데 보통 비상시의 우회 배관에 설치되며 물이 거꾸로 흐르는것을 방지하는 밸브입니다. 그런데 이때 이 압축공기의 힘으로 개방이 되었고 계측공기배관으로 물이 밀려들어갔습니다. 이러한 원인으로 급수승압펌프와 주급수펌프 모두가 정지하게 됩니다.
주급수가 돌지않자 1차계통의 증기발생기에서 열을 원활하게 빼앗지 못합니다. 그래서 보조급수계통이 자동으로 작동이 되야합니다. 하지만 이 TMI-2호기는 보수점검을 위해 밸브를 잠가두어 이 보조급수계통이 작동을 하지 못하게 됩니다. 이는 정말 있을 수 없는 일이고 현대에 와서는 운전중에는 절대로 정지하지 못하도록 규정하고 있습니다. 하지만 이때는 어떻게 되었을까요? 다행스럽게도 이 보조급수계통이 작동하지 않을 경우를 대비해 1차계통의 압력을 조정하는 가압기에서는 상부에 가압기 방출밸브라는 것이 존재하여 압력이 컨트롤되지 않으면 자동으로 방출밸브가 열려서 원자로배수탱크(RDT)에 방출하는 장치입니다. 다행히도 이 장치는 작동을 하게 됩니다.
그런데 이 방출밸브는 압력이 어느정도 떨어지면 닫히게 됩니다. 하지만 실제로 닫히는데 이게 덜 닫히게 됩니다. 그래서 밸브를 통해 원자로의 냉각수가 지속적으로 빠지게 됩니다. 이러한 사고를 LOCA(냉각수 상실 사고)라고 하는데 정말 큰 사고입니다. 앞서 설명한 체르노빌사고와는 다른 유형의 사고지요.
이때의 사고에 가장 큰 문제는 운전원이 이 방출밸브가 열린 것을 수동으로 다시 닫았다면 사고는 커지지 않았을 겁니다. 하지만 닫지 않았습니다. 왜일까요?
몰랐습니다… 왜냐하면 밸브는 닫히기는 했지만 불완전하게 닫힌 거였고 운전원의 계기판에는 닫힘으로 표시가 되니 운전원은 알 길이 없었던 것이지요. 그래서 LOCA시 안전을 위해 작동하는 안전주입계통이 있습니다. 이것이 정상작동하면 밸브의 고장을 찾을때까지 시간을 벌어주었을지도 모릅니다. 하지만 운전원은 냉각수가 부족해서 압력이 떨어진다고는 생각을 못 해서 이 안전주입계통을 수동으로 정지시켜 버립니다.
핵연료봉의 온도는 점점 상승합니다. 냉각수가 부족했기 때문이죠. 그래서 녹아내리기 시작합니다. 운전원들은 당황합니다. 하지만 이 밸브에 대해서 꿈에도 몰랐죠. 사고 발생 16시간이나 지나서 원인을 찾고 냉각펌프로 온도를 낮추기 시작했지만 이미 핵연료봉은 손상되버렸습니다. 그리고 건물로 누출되었습니다.

사건 결과

이 사고는 여러 PWR의 공학적 안전설비들이 정상작동했다면 용융은 막았을지도 모를 사건이지만 운전원들은 사고 파악을 잘 못해 일을 키웠죠. 이때 원자로 건물 내부는 평상시의 1000배가량 방사능 수치가 올라갔습니다. 하지만 원자로 격납건물의 존재로 환경으로의 누출은 경미했습니다. 누출이 안 된 것은 아니지만 치명적인 양은 아니었습니다.

실제 주변 주민들이 받은 피폭선량은 X선 가슴 촬영 2~3번 정도 받은 정도의 양이었습니다. 실제 체르노빌과 다르게 죽거나 한 사람은 없었습니다. 사람이 실수했지만, PWR의 다중 방호 설비들에 의해 사고 확대를 막은 것입니다. 만약 동일한 사고가 BWR 에서 발생했다면 후쿠시마와 같은 일이 이 스리마일에서 먼저 일어났을지도 모릅니다.

사건 이후에는 우선 이 사고 난 호기 자체가 격납을 하고 있기 때문에 이 호기를 대상으로 10년정도 제염을 실시하였습니다. 그리고 주변에 있던 1호기는 가동을 중단했습니다. 하지만 외부로 누출이 거의 없었기에 사람들은 지나다닐 수 있었습니다. 사고 직후 당시 지미 카터 대통령도 방문을 했었습니다.

그리고 사건 재발 방지를 위해 취약점들을 분석해서 안전설비를 증가시켰고 특히 기계와 인간의 연계성에 초점을 둔 설계가 추가가 되었습니다. 이때 추가된 안전설비들은 현재 우리나라 PWR에도 그대로 적용이 되어있습니다.
여담으로 제가 들은 원자로 시스템을 수업해주신 교수님께서는 20년넘게 원자력발전소를 설계하셨는데 처음 배우고 설계할때는 간단하였는데 지금은 워낙 안전설비가 많이 추가되어 복잡하다고 합니다. 그러니 그만큼 안전설비가 많아졌다는 증거겠죠?

이 사고는 전세계에서 가장 먼저 발생한 원자력발전소 사고인 만큼 사람들에게 최악의 사고라는 소리를 들었던 사고입니다. 하지만 몇 년이 지나 정말 끔찍한 체르노빌 사고가 발생하는 바람에 묻혀 버렸지만요. 이 두 사건은 자연재해로 발생한 사고는 아닙니다. 단순 운전원의 실수와 기계 오작동 등이 원인입니다. 하지만 앞선 두 사건과 다르게 사고 발생의 트리거 역할을 자연재해가 했는 사고가 있습니다. 바로 후쿠시마 원자력 발전소 사고입니다. 특히, 우리나라에서는 더 크게 다가왔죠. 가까운 나라였으니 말이죠. 

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현재 우리나라는 점진적으로 탈원전을 향해 나아가고 있습니다. 그의 배경이 된 사건은 후쿠시마 원전 사고이구요. 그리고 그 전에는 큰 사고들이 있었습니다. 오늘부터 각각의 사고들에 대해 소개해볼까 합니다.
가장 유명하고 사람들에게 방사능의 무서움을 안겨준 사고는 뭔지 아시지요?

바로 체르노빌입니다. 체르노빌부터 알아보죠.

체르노빌 원자력 발전소 사고

1986년 당시 체르노빌에 4기의 원자로가 운영 중이었습니다.
이 원자로는 RBMK라는 원자로였습니다.
흑연감속 비등경수 압력관형 원자로라고 합니다. 여러분이 알만한 원자로와는 좀 많이 다릅니다. 저번시간에 설명한 PWR이나 BWR같은 경우는 감속재이자 냉각재이자 보일러를 가열하는 열원이 물이었습니다.

그런데 이 RBMK는 냉각재로는 물(경수)을 사용하지만 감속재로는 흑연을 사용하는 방식입니다. 제가 원자로의 기본 원리에 대해서는 아직 설명하지 않았기 때문에 감속재에 대해서 간단히만 말씀드리면 원자로의 출력을 제어하는 방법은 중성자를 제어하는 방법으로 정해집니다.
핵분열이라는 붕괴를 일으키려면 중성자가 필요한데요. 이 중성자가 빠르면 사용하기가 힘듭니다. 그래서 비교적 낮은 에너지 영역대의 중성자가 필요한데 이를 위해서 감속을 시켜주는 물질이 필요합니다. 이것이 감속재입니다.
어쨌든, 감속재와 냉각재를 따로 쓴 것에서도 볼 수 있듯이 원자로 자체가 비교적 복잡하다고 합니다. 그리고 다른 원자로에 비해서 안전성이 턱없이 부족합니다.
왜냐하면 사고 발생 시에 방사성 물질의 누출을 막아줄 격납시설이 BWR, PWR 원자로에 비해서는 없다고 봐도 무방할 정도의 격납 시설을 갖추었으며 중성자의 출력을 줄일 수 있는 제어봉을 삽입하는데 비교적 오랜 시간이 걸리게 됩니다.

이러한 원자로를 사용한 당시 소련은 체르노빌 원자력 발전소에서 한가지 실험을 진행중이었습니다. 이 실험은 원자로 운전의 효율을 증진시키기 위한 실험으로 생각이 되어지는데요.
원자로를 정지시키면 전기가 더 이상 발생되지않기 때문에 정지시키는데 필요한 설비들을 돌릴 전기를 비상 발전기를 사용해 가동을 하게 됩니다.
이때 당시 사용하던 비상용 디젤 발전기가 가동하는데 까지 1분 정도의 소요시간이 필요했고 체르노빌의 연구진들은 정지를 하게 된다면 즉시 냉각펌프가 정상적으로 작동하는지 확인을 하고자 했습니다. 그래서 주 전원을 끊게 되면 즉, 터빈이 받아오는 증기를 끊었을 때 원래돌던 관성 힘으로 얼마나 냉각펌프에 전기를 공급할 수 있는지 확인하고자 했습니다.
그러면 원자로를 정지시키고 하면 되지 않을까 하겠지만 정지할정도까지 기다렸다가 하면 정지하는데 까지 진행되면서 터빈 출력도 같이 줄어들어 주전원을 끊었을 때 데이터로 사용할만한 결과값을 얻지 못했다고 합니다. 그래서 출력을 기존의 20~30% 정도만 낮추고 이 실험을 진행했다고 합니다.
이때 원자로의 출력을 유지시키기 위해서 원자로 비상노심 냉각 장치를 정지시키는 짓을 하게 됩니다. 하지만 여기까지는 괜찮았습니다. 하지만 시작이었죠. 출력이 어느정도 낮아지면서 원자로에 제논이라는 것이 많이 싸이게 되는데 중성자를 정말 잘 잡아 먹습니다. 이 제논은 발전에 있어서는 독물질로 일정시간동안 원자로가 가동이 안 되게 만드는 원인입니다. 이 물질이 조금씩 싸이기 시작하였습니다. 그리고 운전원의 조작실수까지 더해져 출력이 급감하는 사고가 발생합니다.

만약 여기서 정지를 시켰다면? 사고는 발생하지 않았을 겁니다.

하지만 발전소 측은 정상출력을 다시 찾기 위해서 제어봉을 인출하기 시작합니다.
이 제어봉이 적절히 있어야 원자로의 폭발적인 출력을 막을 수 있습니다.
그런데 최소 허용량보다 더 많이 뽑아 버립니다.
그래서 실험할 정도의 정상출력을 되찾습니다.
그리고 비상용 냉각펌프까지 작동을 하고 터빈에 들어가는 증기를 차단하는 실험을 시작합니다.
터빈의 관성력으로 발생한 전기로 돌아가던 펌프는 터빈의 출력이 줄어들면서 펌프의 펌핑질이 약해집니다.
냉각계통에 공급되는 냉각수가 감소합니다.
냉각수 공급양이 줄어들자 원자로내부온도가 더 올라가게 됩니다.
원자로 내부의 냉각수는 증기가 되어 버렸습니다.

잠깐 여기서 지금 다른 원자로들과 다르게 RBMK는 안전성이 더 안 좋다는 말씀을 드렸다는 점을 상기하시기 바랍니다. 일반의 원자로들은 온도가 상승하거나 하는 외적 요인이 작용하면 안전한 방향으로 출력이 줄어들도록 설계가 됩니다.
하지만!!!!!! RBMK는 이러한 설계가 아니라 위험한 외적요인으로 더 큰 출력이 발생하는 설계적 결함이 존재했습니다.
이를 양의 보이드 계수를 가진다 합니다.

어쨌든 이러한 이유로 원자로의 출력은 급증합니다. 핵분열이 폭발적으로 증가했기 때문이죠.
기술자들은 급하게 제어봉을 삽입하기 시작합니다.
하지만 고체 감속재인 흑연을 사용해서 감속재가 주변 흑연들과의 마찰?에 의해 삽입속도가 순식간에 일어나지 못합니다.
또한 여러가지 복잡한 원인들이 더해져 정상 출력이 100배 이상 증가해버립니다.
원자로는 더 이상 이 핵연료 물질을 가둬두지 못합니다.
결국 폭발해 버립니다.
이 폭발 당시에 냉각수 펌프 기술자는 즉사를 했고 몇몇 운전원들과 물리학자도 과피폭을 당해 사망합니다. 그리고 화재를 진압하러온 소방관들도 많은 사람이 피폭을 당했고 그중 28명이 사망에 이릅니다. 이때 공기중으로 방사능물질 700톤이 누출이 됩니다.

그리고 원자로 주변 마을은 평상시 6배의 방사능이 검출이 되어 소개령이 떨어져서 피난을 가게 되고 유령도시가 되었죠.
여기서 하나 이야기할 부분이 평상시 6배라는 항목입니다. 제가 방사선에 관한 글을 포스팅하면서 항상 말해왔지만 평상시라는 양은 극히 낮은 선량을 말합니다. 그리고 그 6배또한 높은양은 아닙니다. 방사선 작업종사자와 일반인의 연간 선량한도는 년간 최대 50배 5년간 평균 20배의 값으로 제한합니다. 그럼 50배 맞는 것이 법적으로 허용된 종사자는 무조건 죽거나 아프겠죠. 하지만 그 정도의 고선량 피폭을 대규모로 많이 당한 사례는 현재 제가 알기로는 히로시마, 나가사키 원폭 피해자 분들뿐입니다. 그래서 드리고 싶은 말씀은 안전하다고는 할 수 없지만 생각이 생각보다 과장되었다는 점을 말씀드립니다.
중간에 사건 발생 경위는 원자력을 공부하지 않았으면 잘 이해가 되지 않으실수는 있습니다.
하지만 하나는 이해가 가시는지요? 이 사건은 정확히 인재입니다. 사람의 실수로 시작이 된 사고고 뼈저리게 느끼고 반성하고 각성해야 하는 계기를 준 사건입니다. 현재 해당 사고가 발생한 원자로는 전 세계 어디에서도 더 이상 설계되고 있지 않으며 러시아를 제외한 모든 국가에서는 가동을 중단, 폐로를 한 상태로 알고 있습니다. 그리고 러시아는 사고 발생 직후 추가 안전장비를 설치하여 가동 중이던 똑같던 원자로를 가동 중에 있습니다.

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"해당포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 글입니다."

오늘은 우리나라의 원자로와 일본의 원자로를 비교 설명하는 시간을 가져보려고 합니다. 그리고 다음 시간에는 일본 후쿠시마 원전은 왜 어떻게 사고가 난 것인지 알아보도록 하겠습니다.
우선, 우리나라와 일본의 원자로 노형이 완전 다른 것은 아닙니다. 일본은 우리나라와도 같은 노형도 존재합니다. 하지만 후쿠시마 사고가 난 원전은 우리나라와 다른 노형이니깐 이 두 가지를 비교분석하려고 합니다. 우리나라가 사용하는 원전은 PWR이라 하여 가압형 경수로이고 사고가 발생한 일본의 원전은 BWR이라하여 비등형 경수로입니다. 이 두가지는 큰 차이를 가지는데요. 한번 자세히 알아보겠습니다.

BWR
Boiling-water reactor라 하여 비등수형 경수로라고 합니다. 

전세계적으로 사용하는 대표적인 원자로이며 후쿠시마 사고가 발생한 원자로입니다.

이 원자력 발전은 발전을 위해 사용하는 보일러 자체가 원자로 입니다. 즉, 원자로에 물을 공급하고 그 물이 끓어 증기가 되고 그 물이 터빈을 돌려 전기를 생산합니다. 그렇기 때문에 핵연료봉의 누설이 발생한다면 이곳을 순환하는 물 전체가 다 오염이 되버립니다. 그렇기 때문에 상대적으로 안전에 취약합니다. 하지만 그렇다고 사고가 발생할 가능성이 큰 것은 아닙니다. 일본이 안전성에 경각심이 줄어 들 만큼 안전하니깐요. 이 시설에는 사고 발생을 대비하여 원자로를 정지시키기 위한 여러 장비들이 있고 또한 정지후 원자로의 붕괴열과 잔열을 제거하기 위한 설비가 존재합니다. 하지만 사고가 발생한다면 밖으로의 누출확률이 가압형 경수로와 비교해서 매우 높습니다. 

그럼 도대체 가압형 경수로는 어떻게 설계되었길래 BWR과 다르며 안전하다고 하는 걸까요?

PWR
Pressurized-water reactor라 하여 가압수형 경수로라 합니다. 미국이 개발한 원자로이며 현재 우리나라는 원자로를 비롯한 여러 부가 설비들을 국산화에 성공해 기술을 자립한 원자로입니다.

이 원자력발전은 앞서 소개한 BWR에 비교하면 발전효율이 떨어집니다. 왜냐하면 물을 끓이기 위한 급수가 원자로에 안 들어가기 때문이죠.  

그럼 어떻게 끓일까요? 

원자로를 도는 순환수와 발전을 위한 터빈-복수기-보일러 세트를 분리하여 증기발생기라는 열교환기를 사용하여 간접적으로 열을 전달하고 발전을 하게 됩니다. 그리고 이 원자로를 도는 순환수를 포함한 원자로를 원자로 격납건물을 사용하여 완전 격납시키게 됩니다. 이 방식으로의 발전은 여기서 BWR과 크게 다른 점입니다.
음… 뭐 분리시켜서 따로 돌린다구.. 그럼 조금 안전할 수는 있겠지… 인정! 하지만 다 터지면 끝나는데 그게 무슨 의미가 있어!! 라고 생각하실수 있습니다.
하지만 여기서 생각해야 할 것이 원자로 격납건물 하나가 차폐체라고 생각하시는 것은 잘못된 생각입니다. PWR의 경우는 3가지의 차폐체로 이루어져 있습니다. 이를 다중방호 설비라 하는데 한번 알아보겠습니다.

첫째, 핵연료 펠렛과 피복재입니다. 펠렛은 우라늄을 2~5% 정도 농축한 것을 고압으로 압축, 열처리를 통해 덩어리로 고화된 물질입니다. 그래서 방사성물질이 발생하더라도 최대한자기안에 가둬두려고 합니다. 그다음이 피복재입니다. 피복재는 엄청난 고온에도 견디도록 설계되어 있고 방사성 물질을 안에 가둬두려고 합니다.
둘째. RCS 압력경계입니다. 이는 원자로 냉각수 순환 배관과 원자로를 포함한 것을 말합니다. 마찬가지로 피복재처럼 고온 고압을 견디도록 설계되어 있습니다.
셋째, 원자로 격납건물입니다. 만약 냉각수 순환 계통에 문제가 발생해 격납건물로 누설이 된다면 마지막으로 차폐해주는 건물입니다.

실제 미국의 스리마일섬에서 사용하던 PWR 원자로는 냉각수 누설사고(LOCA)가 발생하였을 때 이 격납건물에 의해 차폐가 완전히 되었고 지금도 그 격납건물을 제외하고는 방사능 누출이 없다고 합니다.
그러니까 결국 안전망이 세 가지라는 겁니다. 그리고 사실 지금 말한 방호설비는 정말 극히 일부분에 불과합니다. 제가 앞으로 천천히 어떠한 안전설비가 있는지 소개하도록 하겠습니다.

결론적으로 PWR과 BWR은 안전망이 하나 더 있나 없나의 차이입니다. 하지만 안전한 정도는 월등히 높죠. 현재 우리나라는 단 한 개의 BWR도 없습니다. 처음부터 PWR을 도입했기 때문인데요. 정말 다행인 부분이라고 생각합니다.

해당 포스팅은 스팀잇에 작성한 개인적인 글들을 옮겨놓기 위해 작성하고 있습니다.

"해당 포스팅 원본: https://steemit.com/kr-science/@chosungyun/6gxmbk-3 "

이번에는 땅속을 들여다보려고 하는데요. 바로 지열 발전에 대한 소개입니다.

지구 내부

우선 땅의 속을 한 번 자세히 알아보죠. 지구 내부는 우리가 살고 있는 지표면으로부터 5~35km안까지가 지각 그 밑으로 2900km 안까지가 맨틀, 5100km까지가 외핵 그리고 지구의 반지름인 6400km까지가 내핵입니다. 여기서 중요하게 생각해야 할 점이 이렇게 층을 이루는 이유입니다. 태초에 지구가 탄생한 시점으로 돌아가서 보죠. 이 당시에는 지구는 매우 뜨거웠습니다. 이때 지구는 액체와도 같았습니다. 시간이 지나면 지날수록 무거운 물질들은 지구의 중심으로 이동하였고 비교적 가벼운 물질이 위에 떠 있게 됩니다. 그리고 시간이 흐르게 됩니다. 지표면부터 식어 굳기 시작합니다. 맨틀도 식어서 암석이 되었지만 온도는 높은 편이고 아래로 내려갈수록 맨틀의 점성은 증가합니다. 그래서 유체처럼 행동하기 때문에 지각을 움직이게 하고 지진이 발생하는 것이지요.
오늘의 주제는 에너지입니다. 그래서 내부는 여기까지만 들여다보겠습니다.

지구의 에너지는?

지구의 에너지는 태초에 생성되었을 때부터 있던 열에너지와 내부 구성물에 포함되어 있는 방사성 동위원소의 붕괴 열 등으로 열 에너지가 있게 됩니다. 지열 발전의 설비용량이 2015년도 기준 12.6GW에 해당하네요. 결코 작은 양은 아닙니다. 잠재 에너지는 훨씬 어마어마하게 크죠.
맨틀에서의 열 에너지가 얼마나 될까요? 최상부에서는 1000도씨정도이고 외핵과의 경계면에서는 4000도정도에 육박한다고 합니다. 그럼 지열발전은 어디에서 열을 가져올까요? 맨틀에서 가지고 올까요? 그러고 싶지만… 현실적으로 불가능 합니다. 왜냐하면 인간은 여기까지 뚫은 적이 없기 때문이죠!! 인간이 이때까지 뚫은 최대 깊이에 대한 기록은 소련이 가지고 있는데 약 12km정도를 뚫었다고 합니다. 이 길이는 지각도 다 못 뚫은 깊이지요. 사실 1000도까지는 바라지도 않습니다. 물이 끓을 수 있는 100도가 좀 넘는 온도가 필요합니다. 이 온도는 지각에서 좀 깊게 파고 들어가야 합니다. 설비의 한계도 있겠죠. 지각에서도 온도가 높은 곳을 찾아야지요. 그런 곳은 어디일까요? 바로 화산지대입니다.
화산 지대는 지열이 보통 150도 정도 되기 때문에 발전에 사용이 가능합니다.

원리

원리는 간단합니다. 물을 땅속으로 파이프를 이용해 보냅니다. 땅속에서 열을 충분히 받아 물이 증기로 바뀌면서 지상으로 분출됩니다. 이 증기를 이용해 터빈을 돌리고 발전을 합니다.

우리나라는 화산지대가 백두산, 한라산, 울릉도 등이 있지만 모두 휴화산입니다. 지열을 이용하기에는 적절한 상황이 아니지요. 하지만 화산지대가 아니더라도 지열을 이용하는 방법이 있다고 합니다

첫 번째, 바이너리 방식

우선 고온수를 지상으로 끌어올립니다. 이 고온수는 화산지대의 물에 비교하면 저온입니다. 그래서 이 고온수로는 발전을 하기에는 힘듭니다. 하지만 물이 아닌 다른 용매를 2차 계통으로 사용합니다. 고온수는 그저 열만 전달하는 것이지요. 여기서 사용하는 용매는 이 온도에서 충분히 기화하는 용매를 사용합니다. 이 방식은 제가 포스팅 하였던 해수 온도 차 발전(https://steemit.com/kr-science/@chosungyun/2tmafb-5)을 기억해보시면 이해하실 겁니다.

두 번째, EGS 방식

Enhanced Geothermal System이라 합니다. 땅속 깊은 곳의 고온암석에 시추를 한 후 인공 파쇄대를 구성해 고압의 물을 분사해 암석을 파쇄하여 인공 저류층을 형성합니다. 그럼 화산지대가 아니더라도 고온의 수증기를 얻을 수 있다고 합니다. 그런데 이방식은 뭔가 셰일 가스 추출방법과 또 유사하군요.( https://steemit.com/kr-science/@chosungyun/4rvocv) 역시 기술은 돌고 돕니다.

우리나라의 경우도 최초로 EGS방식을 사용하여 포항에 지하 4km를 파서 지열을 가져오는 발전을 준공 중이고 올해 완공할 예정이라고 합니다. 아시아에서는 EGS방식을 사용한 지열발전소는 최초라고 합니다. 포항에서 만든 이유는 포항지역의 깊이에 따른 지온 증가량과 지열류량이 다른 지역보다 훨씬 크기 때문에 선정이 되었다고 합니다.

하지만 최근에 이 지열발전 때문에 지진이 난 거 아니냐는 말이 나오고 있습니다.
왜냐하면 이번에 발생한 지진이 발생한 진앙 지역이 이 지역과 매우 가깝고 작년부터 올해까지 약 12,000,000L의 물을 EGS로 인공 저류층을 만들기 위해 물로 암석을 파쇄했는데요. 이 때문에 지진이 발생했다는 주장이 나왔습니다. 그래서 정밀조사 결과가 나올때까지 건설중단을 선언한 상태이고 울릉도 지역 지열발전소는 건립도 전면 재검토에 들어갔다고 합니다.
마지막으로 장점과 단점을 살펴보면
장점
-친환경적입니다.
-지속적인 열원으로 지속발전이 가능합니다.
단점
-땅을 판다는 점에서 지대 침전 논란의 여지 존재
-EGS의 경우 지진을 유발한다는 논란 존재
-입지조건이 까다롭다.
-초기 투자비용이 높다.

이번 정부에 들어서 발전사업에 많은 제동이 있는 것 같네요. 정밀조사 결과가 빨리 나와서 중단이든 다시 건설이든 빠른 결정이 나길 바랍니다.

-이미지 출처-

1. https://www.vox.com/energy-and-environment/2017/1/15/14270240/geothermal-energy
2. https://phys.org/news/2015-10-earth-core-older-previously-thought.html
3. https://archive.epa.gov/climatechange/kids/solutions/technologies/geothermal.html
4. http://www.alternative-energy-news.info/technology/heating/
5. http://blog.geoplat.org/en/2013/11/19/sistemas-egs-el-futuro-de-la-energia-geotermica/
6. http://www.energytimes.kr/news/articleView.html?idxno=16983
7. http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2017/11/16/2017111600276.html

오늘은 LNG를 이용한 발전 편입니다. 
여러분들은 기존의 발전들의 효율이 어느 정도인지 아시나요? 100%의 효율 중에 얼마나 사용할 수 있다고 생각하나요?
절반은 사용하겠죠? 라고 생각하신다면 실망하실 겁니다.. ㅠㅠ
기존의 발전들은 보통 종류에 따라 다르지만 40%대의 효율정도를 보여줍니다. 생각보다는 손실에너지와 버리는 에너지가 큰 것입니다. 그렇다면 오늘 소개할 열병합 발전의 효율은 얼마일까요? 대략 80%의 효율을 가집니다. 왜 그럴 수 있는지 한 번 알아보죠.

열병합발전이란?

두 가지의 열기관 사이클을 조합하여 발전하는 방식을 말합니다. 여기서 대표적으로 사용하는 소스가 가스인 LNG이고 사용하는 발전 사이클은 가스터빈을 활용한 사이클 증기터빈을 이용한 사이클입니다. 이렇게 하면 기존의 40%대의 전기생산 효율이 40% 정도에서 10% 정도 향상된 50%의 효율을 가집니다.
아까 80%라고 그랬는데… 네 맞습니다!!
50%는 전기 발생 효율이구요. 30%는 열로 사용합니다. 즉, 전기로 바꾸지 않고 열 그대로 지역난방에 사용하는 것이지요. 전기+열이라는 방식으로 똑같은 열량 대비 효율이 80%를 보여주게 됩니다.
그럼 여기서 사용하는 두 사이클에 관해서 알아보겠습니다!!

랭킨 사이클

증기 터빈에 해당하는 사이클입니다. 여기서 사이클이라는 것은 열에너지를 일로 사용하기 위해 순환하는 회로라고 생각하시면 됩니다.
과정은 등엔트로피 압축→등압 가열→등엔트로피 팽창→등압 방열의 과정으로 순환됩니다.
말로 풀어보겠습니다. 여기서 엔트로피는 무기력도를 나타내는 척도이므로 엔트로피가 일정하다는 것은 외부에서 들어온 열원이 없다는 말입니다. 즉 이 사이클에 새로운 열원이 없다라고 생각하시면 됩니다.

자 그럼 처음부터 따라가 보죠. 등엔트로피 압축을 하는 시점입니다. 이 시점은 위 계통도에서 펌프가 물에 압력을 가해 보일러에 집어넣는 과정입니다. 이 시점에서 펌프는 등엔트로피 압축을 합니다. 압축은 압력을 가하니까 이해가 가실거라고 생각하고 등엔트로피에 대해서 설명하겠습니다. 실제 압력을 가하면 어떻게 되나요? 내부 압력이 증가하고 유체끼리와 펌프 벽과의 충돌이 높아져서 열이 발생하겠죠? 이러한 손실로 열이 밖으로 방출되고 엔트로피는 낮아지는 것이 정상입니다. 하지만 이 과정을 순식간에 진행했다고 생각해보죠. 순식간에 열이 빠져나갈 틈도 안 주고 압축을 해서 보일러로 밀어 넣었다고 생각해보세요. 그럼 손실은 생각만큼 크지 않습니다. 따라서 약간의 감소가 있지만 등엔트로피 압축이라고 생각할 수 있습니다.
그다음 두 번째로 보일러에서 터빈으로 들어가는 과정을 집중해보겠습니다. 보일러에서 유입된 물을 끓입니다. 하지만 압력은 일정하죠. 그래서 등압 가열을 하게 됩니다.
그리고 다음 과정은 터빈을 지나는 과정입니다. 터빈을 지나면서 터빈에 있는 회전자에 부딪힌 뜨거운 증기는 에너지를 잃고 이 에너지는 회전자의 운동에너지로 바뀌게 됩니다. 이 과정에서도 등엔트로피 팽창을 하게 됩니다. 팽창하는 것은 에너지를 잃고 압력이 낮아지면서 팽창하게 됩니다.
마지막 과정은 복수기에서 열을 버려 증기에서 물로 돌아오게 됩니다. 이때는 일정한 압력을 가지고 열을 버리게 됩니다.
여기까지의 과정이 단순한 랭킨 사이클입니다.

브래이튼사이클

가스터빈에 해당하는 사이클입니다.
과정은 등엔트로피 압축→등압 가열→등엔트로피 팽창→등압 열 방출 입니다.
!!? 앞의 랭킨 사이클과 같은 느낌이죠? 네, 사이클 자체는 같지만 다른 점이 존재합니다. 바로 작동 유체가 물이 아닌 공기인 것이지요. 그래서 사이클에 차이가 존재하죠.

이 부분은 터빈을 보면 이해가 쉽습니다. 가스터빈의 경우 공기를 압축시켜 유입시킵니다. 이 과정이 등엔트로피 압축입니다. 그리고 가스를 이용해 압축된 공기와 만나게 하여 연소시킵니다. 이 과정이 등압 가열입니다. 이 연소시킨 공기는 터빈으로가 터빈을 돌리게 됩니다. 등엔트로피 팽창입니다. 그리고 사용한 공기는 방출 시킵니다. 등압 열방출입니다.
조금 더 자세히 설명하고 싶은데 점점 길어지는군요. 단순 사이클을 넘어서 효율을 높인 사이클에 관해서는 나중에 기회가 되면 조금 더 자세히 각각의 주제에 대해서 다루는 시간을 가지겠습니다.

어쨌든!! 여기서 알아본 두 사이클 중에 브래이튼사이클이 상부 사이클이라 하여 먼저 가스가 연소해서 전기를 생산합니다. 그리고 여기서 버리는 열을 받아 보일러를 끓입니다. 여기서부터는 랭킨사이클인 하부사이클이라고 합니다. 여기서 열병합을 위해서는 랭킨사이클에서 복수기가 있는 부분에서 열기를 일부 받아서 지역난방을 위해 사용합니다.
효율을 극대화한 발전이죠. 여기서 열을 사용하는 방식은 정말 칭찬할만한 아이디어입니다. 화력발전은 공해문제와 석탄의 용이한 공급을 위해 주거단지와 떨어져 있죠. 이 발전소는 그래서 열은 난방으로 사용하지 못하고 버리게 됩니다. 원자력발전도 마찬가지 이유와 사람들의 인식문제가 있지요.
이런 점에서 열병합 발전은 장점을 충분히 가진 것이지요.
오늘은 열병합 발전에 대해서 알아보았습니다. 이런 효율이 높은 발전이 있다는 점도 알아두시면 좋을 것 같습니다. 앞으로 탈석탄 탈원전이 지속되는 한 이런 발전 방식은 증가하지 않을까 생각합니다. 

-이미지 출처-

1. https://mechanical-engg.com/profile/67774-ronauk-maharana/?status=11890&type=status
2. http://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017091814242889985
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Rankine_cycle
4. http://www.thermopedia.com/content/1072/
5. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/brayton.html
6. http://www.turbinetechnologies.com/
7. http://www.skcareersjournal.com/365

안녕하세요!!
@chosungyun입니다. 오늘은 누구나 사용하고 누구나 알고 있을 것 같은 LNG에 대해서 알아보겠습니다.

LNG?

LNG란 Liquefied Natural Gas로 액화된 천연가스를 말합니다. 주성분은 메탄으로 70~90%를 이루게 됩니다. 이때 천연가스는 기체이기 때문에 부피가 큰 것을 수송과 저장이 용이하게 하기 위해서 -162도로 냉각하여 부피를 600분에 1로 줄여 액체로 만든 상태를 말합니다. 여기에는 전통가스와 비전통가스가 있는데 이번에는 전통가스만 다루고 비전통가스는 따로 이야기하도록 하겠습니다.

다른 가스들

LNG 말고 들어본 여러 가스들이 있지 않나요? 아마도 PNG, CNP, LPG 등이 있을 겁니다.
PNG는 액화시키지 않고 파이프라인을 통해 공급되는 천연가스를 말합니다.
CNG는 운반해온 LNG를 상온에서 기화시키고 200기압 이상으로 압축시키게 됩니다. 그렇게 되면 LNG보다 3배 정도의 부피가 큰 가스가 됩니다. LNG는 초저온을 유지해주어야 되는 반면 CNG는 그런 장비는 필요 없기 때문에 차량용으로 적합합니다.

LPG는 원유 채취 시나 정제 시에 나오는 탄화수소가스를 6~7기압으로 압축시켜 액화시킨 것을 말합니다. 부피는 250분에 1로 줄어들며 프로판과 부탄으로 나누어집니다. 즉, 메탄이 주성분인 LNG와는 다른 점이 있는 것이지요.

이렇게 기본적인 내용을 알아보았습니다. 그럼 LNG가 어떻게 우리의 삶에 쓰이게 되는지 과정을 살펴보겠습니다.

Upstream

Upstream은 탐사부터 개발 생산단계를 말합니다. 이때는 막대한 투자금을 사용하는 자원개발 사업이 탐사했을 때 실제 상업생산까지 성공하지 못할 확률도 있어 자본금이 풍부한 에너지기업이 참여하는 영역입니다.
천연가스는 보통 석유와 함께 수심 200m 미만의 얕고 완만한 해저지형인 대륙붕에 서 많이 발견되므로 이런 지대를 위주로 지질학자, 자원공학자들이 탐사를 하여 부존 가능성을 확인합니다. 그다음 시험 시추를 하여 실제 부존을 확인하고 물리검층 법을 사용하여 유전의 규모와 구조를 확인합니다. 여기서 물리검층 법은 전기, 초음파, 방사선 등을 이용하여 확인합니다. 즉, 제가 소개하고 있는 RI의 이용의 한 분야가 되기도 합니다.^^
이렇게 확인을 하고 유전을 평가하여 경제적으로 가치가 있다면 시추를 하게 됩니다.
시추하여 나온 천연가스를 우선 불순물을 걸러내는 정제를 하고 LNG로 만들게 됩니다.
여기까지의 가정이 Upstream 과정이라고 합니다.

Midstream

Midstream은 수송 및 저장단계를 말합니다. 수송은 완전한 단열과 저온, 누설방지 등의 특수설비를 갖춘 특수선박을 이용하게 됩니다. 또한 저장도 특수시설을 갖춘 시설에 저장을 하여 필요할 때 꺼내쓸 수 있도록 설비를 갖춥니다.

Downstream

Downstream은 사용단계라고 보시면 됩니다. 주 사용 원은 도시가스와 발전입니다. 도시가스=천연가스는 아닙니다. 하지만 도시가스로 사용되는 가스 중 95% 이상이 천연가스이기 때문에 도시가스로 주로 사용된다고 생각하시면 됩니다. 그리고 사용되는 분야는 발전 분야입니다. 얼마 전에 탈원전으로 떠들썩 할 때도 이 LNG를 이용한 열 복합발전에 대한 언급이 많이 나왔었습니다. 이 열 복합 발전은 LNG를 연소하여 가스터빈을 돌리고 나온 폐열로 증기를 끓여 증기터빈을 또 돌리고 또한 나오는 열을 주변 지역난방에 사용하는 효율이 높은 발전입니다. 이 발전에 대해서는 좀 더 상세히 나중에 설명하도록 하겠습니다.

LNG는 석유에 비해서 공해물질을 덜 방출하는 친환경적인 열원입니다. 다만, 초기 탐사비용부터 시추, 수송 등 초기 비용이 높은 관계로 발전단가로 보았을 때 기존의 석탄, 원자력보다 훨씬 비싼 단가를 가집니다. 하지만 결국 탈원전을 한다면 무조건 사용해야 하는 LNG입니다.

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1. https://www.linkedin.com/pulse/story-lng-south-pars-gas-field-development-pasha-pouryousefi
2. http://miracleon58st.tistory.com/m/638
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Liquefied_petroleum_gas
4. http://www.petrolmalaysia.com/2016/09/upstream-midstream-downstream.html
5. http://worldmaritimenews.com/archives/
6. http://www.wjgarosu.com/sisagw/index.php?idx=6920&board_idx=785&page=7
7. http://elctricpower.tistory.com/category/