원자력 핵 에너지 기술 -...

원자력(핵)에너지 이용 기술

원자력 에너지(발전)의 필요성

• 전력공급의 안정화 – 화석 연료 매장량 한계(석유 30년, 석탄 200년) – 70년 두 차례 석유파동, 걸프전 등 에너지 자원의 무기화

• 발전원가 저렴 산업의 국제 경쟁력 제고와 경제 안정에 기여

• 무공해 에너지원으로서의 역할 – 방사성 폐기물 문제 안전관리 가능

• 입지소요가 적어 국토 이용상 유리 • 연료비가 적게 들고 비축 수송이 용이

구 분 원자력 석 탄 석 유 LNG복합 수 력

2003년 40.05 42.31 75.61 81.79 57.48

2004년 39.51 41.86 80.06 76.90 62.01

(발전원별 판매단가, 원/Kwh)

원자력 개발의 역사

• 1905 아인슈타인 특수상대성 이론 발표 – 질량에너지 등가 법칙 E = mc2

• 1932 채드윅 중성자 발견으로 핵반응 가능함을 알게 됨 • 1938 독일 과학자 한, 슈트라스만 연쇄 핵분열 반응 실험 • 1939 -아인슈타인 미국 루즈벨트 대통령에게 서한 발송 전쟁을 막기 위한 핵무기 개발 제의 -루즈벨트 만하탄 계획 재가 Cal 공대 오펜하이머 교수 책임자로 임명 • 1942 페르미 세계 최초의 원자로 CP-1 연쇄반응 제어 성공 • 1945.7 미국 핵실험 성공(뉴 멕시코 로스 알라모스 근방 사막지대) • 1945.8. 6 히로시마 little boy(우라니움 탄) 투하 • 1945.8. 9 나가사끼 fat man(플루토니움 탄) 투하 • 1953.12 미국 아이젠하우어 대통령 원자력의 평화적 이용과 IAEA 창설 제안 • 1956.5 영국 세계 최초의 상업용 원전 Calder Hall #1 가동(60MWe, 가스냉각로) • 1957.12 미국 Shlppingport 원전(100MWe) 상업운전 개시 • 1960.9 미국 세계 최초의 원자력 항공모함 엔터프라이즈 호 진수 • 1978.4 우리나라 고리원전 1호기 상업운전 개시( 세계 21번째 원전 보유국 ) • 2005.8 울진 원전 5,6호기 준공 (총 20기 운전 중) • MWe : MegaWatte Electrical

세계 각국의 원자력 발전 이용 현황과 추세 순위 국명 운영중 건설중 이용율

(%) 설비용량(만kW) 기수 발전량(백만kWh) 점유율(%) 설비용량(만kW) 기수

1 미국 10,259.0 103 823,776 19.9 - - 89.58

2 프랑스 6,613.0 59 448,241 78.1 - - 76.52

3 일본 4,574.2 52 281,959 29.3 503.0 5 69.92

4 러시아 2,255.6 30 142,908 15.6 300.0 3 67.69

5 독일 2,172.8 18 167,059 32.1 - - 87.15

6 한국 1,671.6 19 130,715 37.9 100.0 1 91.82

7 영국 1,279.3 23 77,230 19.4 - - 62.83

8 캐나다 1,276.7 17 90,990 15.0 - - 64.19

9 우크라이나 1,183.5 13 85,362 51.1 400.0 4 75.66

10 스웨덴 982.6 11 77,312 51.8 - - 89.12

11 스페인 788.7 9 63,676 22.9 - - 91.93

12 중국 695.8 9 12,432 2.2 200.0 2 78.57

13 벨기에 599.5 7 47,312 55.1 - - 87.68

14 대만 514.4 6 39,490 - 270.0 2 87.93

15 체코 372.2 6 26,232 31.2 - - 82.69

16 스위스 337.2 5 26,769 40.0 - - 91.58

17 불가리아 288.0 4 16,815 41.6 - - 69.43

18 인도 277.0 14 16,912 2.8 446.0 9 68.32

19 핀란드 276.0 4 22,716 26.6 - - 93.02

기타(13)

계 37,920.7 434 2,696,233 - 2,805.2 33 78.81

(2004년말 기준)

자료:nuclear power note2005, 산자부

우리나라 원자력 발전 이용 현황과 추세

자료:www.khnp.co.kr

원자력 에너지 • 질량-에너지 등가 공식

– E = mc2

• m :질량 (단위 kg) • c : 빛의 속도(3 x 108 m/sec)

– 1amu(atomic mass unit) = 1.66 x 10-27kg 를 에너지로 환산하면 • E = 1.66 x 10-27kg x (3 x 108 m/sec)2 = 14.94 x 10-11 kg m2/s2 = 14.94 x 10-11 Joule / 1.6021 x 10-19 = 931MeV *1eV = 1.6021 x 10-19 Joule

• 우라늄 핵에 중성자가 흡수되면 우라늄 핵의 분열이 일어나고 또 다른 중성자가 생겨나고 질량 결손에 의한 에너지(열) 발생 – 92U

235 + 1n 36Kr92 + 56Ba141 +2.43n + r(감마선) + 질량결손 에너지 Kr : 원자번호 36으로 이름은 크리프톤(Kryopton) Ba : 원자번호 56으로 이름은 바륨(Barium)

– 우라늄 원자 1개 반응 시 평균 0.215amu(=0.215 x 1.66x10-27kg)의 질량결손이 생김

• E = mc2 = 3.57 x 10-28 kg x (3x108m/sec)2

= 3.2 x 10-11Joules = 200MeV

원자력 에너지

• 석탄 에너지와 비교

– 1ton의 석탄에너지 = 3 x 1010Joules

– U235 원자 1개의 분열에너지 = 3.2 x 10-11Joules

– U235 1kg의 분열에너지

= 3.2 x 10-11Joules x 2.5x1024 = 8x 1013Joules

– 석탄 1ton 등가 U235의 양

= 3 x 1010Joules/ 8x 1013Joules = 0.375x10-3kg = 0.375g

– 석탄 1ton 등가 U 정광의 양

= 0.375x10-3kg /0.7x10-2 = 5.37kg

핵반응(nuclear reaction) 개요

원자의 구조

핵반응 (nuclear reaction) 개요

• 핵반응 – 핵분열반응 : 무거운 원소(우라늄,플루토늄 등)이 중성자 흡수 후

분열 -> 가벼운 원소로 쪼개짐 – 핵융합반응 : 가벼운 원소(수소, 헬륨 등)가 서로 융합 무거운 원

소로 변함

• 원자력발전 – 핵분열발전

• 92U235 주로 이용 : 현재 상업 발전소

• 92U238을 94Pu239로 변환 이용: 증식로(현재 상업화 연구 중, 기술적

어려움 많음)

– 핵융합발전 • 수소(중수소, 3중수소), 헬륨 이용 • 국제적 공동 개발연구 중 • 실용화되면 에너지 문제 해결 • 상당한 시간이 걸릴 것으로 예상


핵분열성 물질(fissile nuclides) : 92U233, 92U

235, 94Pu239, 94Pu241 등 핵분열 원료물질 (fertile nuclides) : 90Th232, 92U

234 92U238, 94Pu240 등

Pu : 원소기호 94, 플로토늄(Plutonium) Th : 원소기호 90, 토륨(Thorium)

235U 핵 분열 연쇄 반응도 및 Pu 생성도

U-238

Pu-239

핵분열생성물

U-235

핵분열생성물


• 핵분열 반응 – 92U

235 + n 핵분열생성물 + 2.43n + 에너지(~200Mev/분열) * 36종(Zn-72~Tb-158)의 핵분열생성물 생성

* 대부분의 핵분열생성물 불안정 방사선 방출로 안정된 원소로 바뀜

– 94Pu239 + n 핵분열생성물 + 2.88n + 에너지

• 92U235, 94Pu239 원자력발전 및 핵 폭탄의 원료

– 92U235 자연 우라늄광에 0.72%존재(92U

238: 99.28 %) • 농축 2~5% 원전 연료 90% 이상 핵폭탄 원료

– 94Pu239 자연에 존재하지 않고 92U238이 원자로에서 n 흡수생성

• 92U

238 + n 92U239 93Np239 94Pu239

• 화학적 분리 방법에 의해 94Pu239 회수 • Np : 원소기호 93번째, 넵투늄(Neptunium)

β,γ β,γ

방사선(radiation)

• 협의(좁은 의미) : 방사성 핵종의 붕괴 과정에서 방출 – 알파(α), 베타(β), 감마(γ) 선

• 광의(넓은 의미) : 각종 핵반응, 원자반응에 의한 입자선, 전자기파 포함 – 중성자(n), X선, 뉴트리노(neutrino, 중성미자, 中性微子) 등

• 알파입자 (α) – 헬리움(2H

4 : helium)의 원자핵이며, +2의 양전하를 가짐

– 에너지는 강하나 투과력 약함(사람 피부 통과 못함)

• 베타입자(β) – 전자로 -1의 음전하

– 에너지는 중간, 투과력은 피부는 관통하나 얇은 알루미늄으로

차단

- 질량변화는 없고, 원자번호가 1개 증가하게 된다.

방사선(radiation)

• X선, 감마선 (γ) 선

– 파장이 짧은 전자파로 질량을 가지고 있지 않음

– 에너지는 상대적으로 낮으나(γ : 1~5MeV)투과력 강함

– 납(Pb)이나 상당한 두께의 콘크리트로 차단

– X선은 감마선에 비해 에너지 낮고 투과력도 약함

– 감마선은 일정 시간 노출되면 위험

• 중성자(n)

– 강한 투과력과 에너지를 가짐

– 콘크리트로 차폐

방사능(radioactivity)의 단위

• 방사능 : 방사성 물질의 방사선 방출 능력

• 방사능의 단위 – 1Ci(curie) = 3.7x1010 Bq(=dps => decay/sec) Ci의 뜻 : 매초에 원자가 한 개씩 붕괴하는 원자의 수

– 라듐(Ra226) 1g의 초당 붕괴수

– SI단위(국제표준단위): Bq(becquerel, 베크렐)

– 1Bq = 1dps

• 조사선량의 단위 : 공기기준 – 1R(뢴트겐, Roentgen) = 100erg/g = 0.01Joules/kg

– SI단위(국제표준단위): C/kg (C : coulomb)

*1R = 2.58 x10-4 C/kg 뢴트겐(Roentgen) : 독일의 물리하자로 X선을 발견함, 1901년 노벨물리학상을 받음, 가난한 삶, 로열티를

받을 수 있었지만, X선은 이미 자연에 존재하고 있는 것이므로 그럴 생각이 없다고 함.

방사능(radioactivity)의 단위

• 흡수선량의 단위 : 흡수물질 기준 – 1rad(radiation absorbed dose) = 100erg/g =

0.01Joules/kg

– SI단위(국제표준단위): Gy (gray, 그레이)

– 1Gy = 1Joules/kg = 100rad

• 등가선량의 단위 : 생물학적 효과 고려 – 선질계수(quality factor): X, γ, β =1, n = 5~10, α

= 20

– 1rem (rad equivalent in man) = 103 mrem

– SI단위(국제표준단위): SV (Sivert, 시버트)

– 1SV = 100rem

원자로 개요

• 원자로(nuclear reactor): 핵분열 연쇄반응을 안전하게 제어하면서 지속적으로 일으켜 에너지를 유효하게 사용할 수 있도록 고안한 장치 • 열중성자로(Thermal nuclear reactor):주로 열중성자를 이용 핵분열 을 일으키는 원자로

– 핵연료 • 대부분의 상업로 U235 2~5% 농축사용하나 천연우라늄 사용 경우도 있으며

실험로인 경우 훨씬 높은 농축 연료 사용 • 연료봉, 동력로의 경우 연료집합체 형태로 제작 사용

– 감속재 • 핵분열시 생성된 고속중성자(~2MeV) 를 핵분열물질의 분열에 필요한 열중

성자(저속중성자,`0.025eV)로 바꾸어 줌 • 주로 가벼운 원소로 이루어진 경수, 중수, 흑연, 산화 베릴륨 등 사용

원자로 개요

– 냉각재 • 핵연료의 핵분열에 의한 에너지를 핵연료로부터 제거하여 연료의 보호 및

에너지 활용 매체 • 경수, 중수, 액체금속(Na 등), 가스 (He, CO2 등)

– 제어봉

• 원자로 내 중성자 수를 조절하여 연쇄반응을 제어하고 출력조절을 가능케 함

• 중성자를 잘 흡수하는 물질로 카드뮴, 붕소, 하프늄 등

– 반사체 • 중성자의 원자로 외부 누설 방지 • 경수, 중수, 흑연 베릴륨 등 •

– 차폐재 • 열차폐 : 중성자, 감마선에 의한 원자로 열화 방지, 철판, 보론강과 같은 열

전도도가 좋은 물질 • 생체 차폐재 : 운전원 등 생체의 방사선으로부터 보호, 콘크리트, 납, 물 등

원자로 개요

자료:최신발전공학(송길승)

원자로 개요

• 원자로 분류 – 목적에 따른 분류

• 연구개발용 원자로 : 훈련, 각종시험 동위원소 생산 등 • 연료 생산용 원자로 : 핵분열 연료 물질(Th232, 92U

238)을 핵분열 물질로 변환

• 동력로: 핵분열에너지를 동력으로 이용하기 위한 원자로(발전로, 원자력 잠수함, 선박 등)

– 중성자 에너지에 따른 분류 • 열중성자로 : 저속 열중성자 이용 핵분열(대부분의 원자로 여기에

속함) • 고속중성자로 :고속중성자 이용 핵분열(고속 증식로, 20~25% 농축

연료사용)

– 냉각재에 따른 분류 • 경수로(가압, 비등) • 중수로 • 가스냉각로 등

발전용 원자로

원자로의 종류 연 료 감속재 냉각재 비고

가스냉각로(GCR) 천연우라늄 흑연 탄산가스 영국

경 비등수형(BWR)

수

로 가압수형(PWR)

농축우라늄 경수 경수 미국GE

농축우라늄 경수 경수 미국W

개량형가스냉각로(ACR)

농축우라늄

흑연 탄산가스 영국, 프랑스

중수로(CANDU) 천연, 농축 중수

탄산가스, 경수, 중수

캐나다

신형전환로(ATR) 천연, 농축, Pu 중수 경수 일본

고온가스냉각로(HTGR)

농축, Th 흑연 헬리움 미국, 서독

고속증식로(FBR) 농축, Pu -

나트륨, 나트륨 칼륨 합금

프랑스, 소련, 일본

흑연 감속 가스 냉각로

• Callder Hall 발전소(1956. 영국 상업운전 성공 세계 최초 원전) : 70MWe – 금속 우라늄 연료로 사용

– 동해 발전소(일본 1호 상업 원전 상기 노형 수입) : 160MWe

• 개량형 가스 냉각로(AGR) – 스테인리스강 피복 UO2 연료 사용 원자로 온도 650℃ 까지 올릴

수 있어 열효율 좋아 경제성 안전성이 향상된 원자로 임

• 고온가스로 – 미국에서 경수로와 함께 개발

– 냉각재 헬륨 , 고농축 우라늄 연료 사용

– 냉각재 출구 온도 높여 효율 향상

흑연 감속 가스 냉각로


경수 감속 냉각형 원자로 • 가압수형 원자로(PWR : Pressurized Water Reactor)

– 미국 Westing house사가 잠수함용으로 최초 개발

– 현재 전세계 원전의 60%이상 점유

– 지르칼로이(Zircalloy) 피복 2~5%의 농축 UO2(이산화 우라늄)를 연료로 사용

지르칼로이 : 원자로 노심의 구조재로 주석, 철, 니켈, 크롬 등을 소량 함유한 지르코늄의 합금, 연료봉의 피복관에 사용, 고온 수중에서 내식성 우수, 중성자 흡수 단면적 작음, 수소 흡수시 취화됨

– 원자로심의 연료는 12~18개월에 전체의 1/3씩 교체

– 1차측 고압(160kg/cm2) 유지 두꺼운 재료 사용

– 증기발생기를 중심으로 1,2 계통으로 나뉘어져 계통이 다소 복잡하나 터빈에 방사능을 함유하지 않는 깨끗한 증기가 공급되어 2차 계통 보수점검이 용이

– 경수에 사용(고리, 영광, 울진에 적용)

– 가압(160kg/cm2) 이유 : 냉각재인 물이 비등을 막기 위해서

경수 감속 냉각형 원자로



• 비등수형 원수로(BWR : Boiling Water Reactor) – 개발자: 미국 GE 사 – 현재 전세계 원전의 ~22% 점유 – 원자로에서 직접 비등이 일어남 – 2~3%의 저농축 우라늄 연료로 사용 – 원자로 내 직접 비등으로 출력 제어가 쉽다 – 원자로 내 압력이 낮아(160kg/cm2) PWR에 비해 원

자로 및 배관의 두께가 얇다 – 증기발생기가 따로 없어 전체 계통은 단순하나 원자

로가 증기발생기 역할을 함으로 상대적으로 크다 – 방사능을 가진 증기가 직접 터빈을 돌리므로 터빈 점

검이 상대적으로 어렵다

중수 감속 냉각형 원자로

• 캐나다 원자력공사(AECL)가 개발 상용화한 CANDU(Canadian Deuterium Natural Uranium Reactor) 원전이 대표적

• 천연우라늄(UO2 소결체)을 연료로 사용

• 경수보다 중성자 흡수가 적고 감속능력이 좋은 중수를 감속재 및 냉각재로 사용 – 전환비가 0.8~1.0으로 크다(경수로: 0.3~0.4): Pu 생산이 용이

– 냉각재로 경수 사용시 저 농축 연료 필요

• 경수로에 비해 원자로가 크다

• 운전 중 연료 교체가 가능하게 설계

• 고가의 중수(40$/리터) 보충 필요

• 월성 원자력

중수 감속 냉각형 원자로


고속증식로(FBR : Fast Breeder Reactor)

• 92U238을 핵분열성 물질인 94Pu239로 변환 우라늄 자원의 사용 극대

화 목적의 원자로 – 전환비 R = 생산된 새로운 연료의 양/소비된 연료의 량 – 전환로: R ≤ 1 – 증식로: R > 1 * 경수로 ~0.5, 고온가스로 0.6~0.8, 고속증식로소 1.2~1.3

• 고속 중성자 이용 감속재 불필요 • 냉각재 중성자 감속성이 적고 열전달 좋은 물질 사용

– Na 많이 사용 : 물과 반응 폭발 위험

• 금속 냉각재의 기술적 어려움 해결이 난제 – 프랑스 슈퍼 피닉스 가동 중단

• 현재 경제성도 경수로에 비해 비쌈 • 기술적 문제 해결 및 경제성 향상

– 에너지 문제 어느 정도 해결 기대

고속증식로(FBR)


핵연료

• 핵연료물질

– 핵분열성 물질(fissile material) : U233, U235, Pu239, Pu241

– 핵분열 원료물질(fertile material) : Th232, U234, U238, Pu240

• 일반적 핵연료 요건

– 고온에서 견딜 것

– 열전도가 좋을 것

– 높은 중성자 조사에 견딜 것

– 밀도가 높을 것

핵연료

• 금속 연료 : 금속 우라늄, 금속 플루토늄 – 일정 온도에서 상 변화(금속 우라늄 668℃)에 의한 용적 변화로

사용 온도 제한

– 상업로의 경우 초기 소형 원전인 Callder Hall 형 원전에 사용 Callder Hall : 세계최초 건설된 원자력 발전소 1965년 영국

– 현재 대형 원전은 원자로심이 고온으로 사용 곤란

• 산화물 연료 : UO2, PuO2, ThO2 등 세라믹 형태 – 융점이 높은 장점, 열전도율이 낮고 밀도가 크지 않은 단점

– 현재 대부분의 상업로에서 UO2(이산화 우라늄)연료 사용

• 탄화물 연료 – 융점이 높고 열전도율이 산화물 연료의 4~10배로 고출력 밀도

의 원자로 연료로 적당

– 물을 냉각재로 사용하는 원자로에는 사용할 수 없어 실용성이 떨어짐

핵연료

재처리 하지 않는 경우

출처:www.naver.com

(핵연료 주기) Nuclear fuel cycle

(U3O

8) (UF

6)

가압경수로

선행핵연료주기: 채광, 정련, 변환, 농축, 재변환 및 성형가공

후행핵연료주기: 사용 후 연료 임시저장, 재처리, 영구폐기저장

핵연료

• 정련 – 우라늄광석 분쇄, 용해(귀액), 찌꺼기분리, 우라늄 추

출, 침전하여 우라늄 정광(yellow cake: 70~80%의 U3O8) 생산

귀액(貴液, pregnant solution) : 습식야금공정에서 생긴 것으로, 회수하고자 하는 유용금속성분을 다량 한유한 용액

• 변환 – 정광의 불순물(보론, 카드뮴 등) 정화 후 농축을 위한

UF6(6불화 우라늄)로 변환

– 천연우라늄 연료의 경우 UO2 로 변환

• 농축 – U-235의 함유량을 원전연료가 필요로 하는 2~5%로

높힘

핵연료

• 가스 확산법 – 원리 : 열적 평형상태의 가스는 질량 차이에 의해 운동속도가 달라짐 – 세공 격막 다수단 반복(cascade 공정) 설치 UF6 기체 확산 필요한 U235

농도 얻음 – 미영 등 초기 농축은 주로 이 방법 사용 – 전기소모가 많은 단점

• 원심분리법 – 원리 : 질량 차이에 따른 원심력 차이 이용 – 중심부에 가벼운 U235F6가 상대적으로 많이 모인 UF6를 원심분리기에

반복해서 보내어 U235 농도를 높여감 – 전력 소비량이 적고 시설의 소규모화로 최근에 많이 사용하는 방법임

• 레이저법 – 우라늄증기(오븐에 가열해서 만듦)에 U235 만 에너지를 흡수하는 레이저

투과 이온화시켜 분리

핵연료


핵연료

성형가공 재변환 UF

6 UO

2 소결체 제조 핵연료봉 제조 핵연료 집합체 조립

PWR

PHWR

출처:www.knfc.co..kr

핵연료

• 재처리 – 목적

• 사용 후 핵연료 처리하여 Pu, U 분리회수

• 사용 후 핵연료 속의 방사성 핵분열 생성물질 분리

• 재처리 후의 방사성 폐기물 안정된 장기 보관 형태로 변환

– 방법 • 연료 절단

• 연료를 용매에 용해시킨다

• U, Pu, 폐기물로 분리

방사성폐기물

• 정의 – 방사성물질 혹은 그에 오염된 물질로 폐기의 대상이

되는 물질(사용 후 핵연료 포함)

• 분류 – 고준위폐기물

• 방사능 농도 : 반감기 20년 이상의 알파선 방출 핵종으로 4000Bq/g

• 열발생율 : 2kW/m3

– 중·저준위폐기물 : 고준위를 제외한 방사성폐기물 – 자체처분폐기물 : 사업자가 소각, 매립, 재활용 등으

로 자체 처분할 수 있는 폐기물 • 개인피폭 : 10μSv 미만/년 • 집단피폭 : 총피폭선량 1man-Sv/년

방사성폐기물

• 종류 및 관리 – 기체폐기물

• 원전의 방사성계통 탈기, 건물의 환기계통에서 주로 발생 • 감쇄탱크, 활성탄지연대를 통해 저감 후 배출 • 배출 전 방사능 측정 및 연속 감시장치 통해 대기 배출 • 규정치이상 신호발생시 배출 자동 중단

– 액체폐기물 • 원자로 냉각재 계통의 수질 정화 및 정비 작업등의 과정에서 발생 • 증발기, 탈염기, 여과기 등을 이용 처리 저감 후 배출 • 배출 전 방사능 측정 및 연속 감시장치 통해 대기 배출 • 규정치이상 신호발생시 배출 자동 중단

– 고체폐기물 • 시설의 정비 보수과정 발생 잡고체 폐기물(기기 부품류, 제염지, 작업복, 방호용 장갑,

신발 등) • 액체, 기체 처리과정 발생 2차 폐기물(농축 폐액, 폐수지, 폐필터 등) • 잡 고체폐기물: 압축기로 압축 일정 규격 드럼에 넣어 저장 • 농축폐액 : 건조 후 파라핀고화 드럼 저장 • 폐수지: 건조 후 고 건전성 용기 저장

– 연구시설, 핵연료 가공공장, 동위원소 이용기관, 원자력 시설 해체 시에도 방사성폐기물 생성됨으로 적절한 처리가 필요함

원자력 핵 에너지 기술 -...

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