원자력발전소는 어떻게 전기를 생산해낼까. 그 과정을 단순화하면 이렇다.

원자로에서 우라늄의 핵분열 반응을 이용해 물(냉각재)을 아주 뜨겁게 데운다. 고온고압의 냉각재를 증기발생기라는 설비로 이동시킨다. 무더기로 피어오른 증기가 터빈을 돌리면서 전기가 생산된다.

◇원자로 핵분열로 열을 만들고= 자연 물질의 기본단위인 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있고 원자핵은 다시 중성자와 양성자로 구성된다.

우라늄과 플루토늄 같이 질량수가 큰 원자핵이 중성자와 충돌하면 핵이 분열하여 2개로 쪼개지고 또 다른 2∼3개의 중성자를 배출하면서 많은 열이 발생한다. 핵분열에 의해 발생한 중성자는 주변 원자핵과 충돌하고 핵분열이 발생하면서 또 중성자가 나와 부차적으로 핵분열을 연쇄적으로 발생하는데 이것을 연쇄반응이라고 한다.

◇핵분열 조절은 이렇게=중성자를 흡수하는 제어봉으로 원자로 내의 중성자 수를 조절하면 핵분열이 서서히 일어나서 열도 천천히 발생하겠지만 연쇄반응으로 급격하게 핵분열이 일어나면 그만큼 열이 폭주할 수 있다.

순간 연쇄반응이 일어나면 핵폭탄처럼 폭발을 야기하므로 핵연료가 스스로 연쇄반응이 발생할 수 있는 임계질량이 되지 않도록 관리한다. 핵연료는 이를 위해 5% 이내의 저 농축 우라늄을 사용한다.

이 핵반응을 조절하는 것은 결국 중성자의 밀도를 조절하는 것인데, 마치 구공탄이 들어가 있는 아궁이에 불어넣는 공기(산소) 양으로 연소를 조절하듯이 중성자의 밀도를 조절하기 위해 원자로 상부에서 내려오는 제어봉으로 조절한다. 이 제어봉은 원자로 상부의 구동 메커니즘으로 원자로 내에서 수직 상하로 움직이며 중성자를 흡수(쉽게 말해 잡아먹는다는 표현을 쓴다)하는 물질로 은, 인듐, 카드뮴, 보론, 하프늄 등을 사용한다.

◇원전은 어떻게 구성됐나=원자로계통(1차 계통·방사성물질이 흐르는 공간)을 구성하는 기기로 핵연료가 붕괴열을 발생시키는 원자로, 원자로 냉각재를 순환시키는 원자로냉각재펌프, 터빈구동에 필요한 증기를 생산하는 증기발생기, 원자로 압력을 유지하는 가압기 등으로 구성된다.

즉, 1차계통은 원자로에서 핵연료 붕괴열을 냉각재로 식혀 순환시키고 2차계통은 증기를 생산하여 터빈을 돌려 전기를 생산하는 기기로 구성된다. 폐쇄계통으로 구성된 1차계통과 2차계통이 상호 열교환이 이루어지는 곳이 증기발생기이다. 이 열교환기는 가느다란 세관 수천개로 구성되어 있는데 세관의 안쪽엔 원자로냉각재가 흐르고 외부는 터빈을 구동하는 증기가 생산된다. 이 세관은 누설되는 경우 발전소 외부로 방사능이 누출될 수 있는 취약한 구조인데 간혹 누설되어 발전소가 정지되는 사례도 있다. 이로 인하여 원전지역 주변을 환경 기준치 이상 오염시킨 사례는 없지만 취약한 부위이므로 안전을 고려하여 법적 요건이 매우 까다롭고 엄격한 관리가 이루어지고 있다.



이정윤대표 약력

기계기술사(한국·미국), 한전KPS, 한국원자력연구원, 한전기술에서 원자로 정비·연구·설계. 한빛원전안전성검증단, 대전시원자력시설안전성검증단 전문가 활동.