물의 맛

2007 세계 15% 전기 원자력으로부터 출력
2008 세계의 원자력 발전소 430개
프랑스 – 국가 전기 77% 에너지 원자력으로 공급
리티아니아 Lithuania – 국가 전기 65% 에너지 원자력으로 공급
미국 – 원자력 발전소 104개, 국가 전기 20% 에너지 원자력으로 공급

원자력 추출의 원리는 coal-burning power plant 와 크게 다르지 않음. 물에 압력을 가하여 수증기로 전환, 이 것으로 turbine generator 가동. 가장 큰 차이점은 물에 열을 가하는 방법. 옛 발전소들은 fossil fuel 을 태우는 반면, 원자력 발전소는 nuclear fission 에서 일어나는 열을 사용. Nuclear fission 이란 하나의 원자를 둘로 조각나는 과정.

이해해야 할 중점은 이 nuclear fission 의 과정.

보편적 인식과는 달리, 원자는 자연적으로도 둘로 쪼개질 수 있음. 예를 들어, Uranium 우라늄은 느린 속도로 spontaneous fission – 자발적 fission 의 과정을 겪는다. 이것이 우라늄이 radiation을 뿜는 이유. 따라서 Uranium은 원자력 발전소들에서 induced fission 을 이루어 내기 위하여 사용되기도 함.

Uranium 은 지구의 자연적 원소. Uranium 238은 매우 긴 half life (원자의 반이 decay 되기까지의 시간)를 가지고 있음 – 4.5billion years. 따라서 꽤 많은 양의 Uranium을 지구에서 찾을 수 있음. 지구의 모든 Uranium 중 Uranium 238이 99%. 0.7%는 자연적으로 발생하는 Uranium 235. 가장 드믄 Uranium 234는 U238이 decay 하여 생성됨.

Uranium 235는 Uranium 238처럼 자연적으로 decay 하기도 함. 이 decay 과정은 alpha radiation (알파 방사선)을 사용.

Uranium-235 has an interesting property that makes it handy for the production of both nuclear power and nuclear bombs. U-235 decays naturally, just as U-238 does, by alpha radiation: It throws off an alpha particle, or two neutrons and two protons bound together. U-235 also undergoes spontaneous fission a small percentage of the time. However, U-235 is one of the few materials that can undergo induced fission. If a free neutron runs into a U-235 nucleus, the nucleus will absorb the neutron, become unstable and split immediately. See How Nuclear Radiation Works for complete details

Uranium 235의 neutron을 가지고 있는 nucleus 는 원자에 부딪쳐, 매우 빠른 속도로 원자를 둘로 쪼갬. 이 과정에서 많은 gamma radiation 가마 방사선이 분출 됨. Gamma Radiation은 높은 에너지의 photon들로 이루어져있음. 둘로 쪼개진 원자들은 Beta Radiation (매우 빠른 음성자) 베타 방사선과 gamma radiation을 뿜음.

Fission 이 일어나는 이유는 fission 의 produce 결과물과 neutrons 중성자들의 합은, 원래의 U 235 원자보다 가볍다. 따라서 이 두 무게의 차이는 에너지로 즉시 변환되고, 이에 사용되는 공식은 E=mc².

이 모든 것이 일어나려면, Uranium의 샘플은 2-3% 이상의 U235을 포함하도록 enrich 되어야 함. 2-3%의 Enriched Uranium은 원자력 발전소에서 사용하기 충분하다. 원자력 폭탄의 Uranium은 90% Uranium 235 로 enriched 되어있다.

Uranium 245 원자가 쪼개지면, 2,3개의 중성자가 날아간다. 주위에 다른 Uranium 235가 없다면, 그 중성자들은 neutron rays 가 되어 날아다님. 그러나 U235 원자는 Uranium 덩어리의 일부분. 그렇다면 주위에 충분히 많은 다른 U235들이 있을 것이고, 날아간 중성자는 이들과 부딫칠 수 있는 가능성이 생김. 중성자들은 다른 U235를 칠 것인가? Nuclear Reactor’s Status 에 따라 다르다.

Critical mass – 평균적으로 fission으로 만들어진 중성자들 중, 정확히 1개의 자유로운 중성자가 다른 U235와 부딫힘. 그 부딫힌 U235는 쪼개지고, 그 Uranium 덩어리는 ‘critical’이라고 불려짐. 덩어리는 일정한 온도에서 존재 할 수 있음.

Subcritical mass – 평균적으로 fission으로 만들어진 중성자들 중, 1개 이하의 자유로운 중성자가 다른 U235 원자와 부딫힌다면, 그 Uranium 덩어리는 ‘subcritical’이라고 불려짐. 결과적으로, induced fission은 이러한 상황으로 지속되고 끝을 맺을 것이며, 에너지의 공급소 – 자원이 된다.

Supercritical mass – 평균적으로 fission으로 만들어진 중성자들 중 1개 이상의 자유로운 중성자가 다른 U235 원자를 부딫치면, 그 Uranium 덩어리는 ‘supercritical’이라고 불려짐. 이것은 reactor 에 열을 공급함.

핵폭탄을 엔지니어들은 Uranium 이 매우 supercritical 하도록, 모든 U235원자들이 순간적으로 모두 폭발 할 수 있도록, 디자인을 함. 비유하자면, 봉투 안의 팝콘이 하나씩 터지는 것이 아니라, 한 순간에 동시다발적으로 터질 수 있도록 디자인을 하는 것.

하지만 원자력 reactor 에서 있어서는 안될 일이 모든 원자가 동시다발적으로 폭발하는 것 – 지구의 모든 인구가 이를 바랄 것. 하지만 reactor 의 중심은 약간 supercritical 해야 원자력 발전소의 reactor 의 낮은 온도를 올릴 수 있다. Control rod 조절기는, 자유로운 중성자를 흡수 할 수 있도록 하여, reactor를 critical 한 정도에 유지 할 수 있도록 함.

원자력 발전소

A Containment structure - 보호막
B Control Rods – 자유로운 중성자를 흡수 할 수 있음. 이를 조절함에 따라 critical level 을 조절. 위 아래로 이동 가능. 원자 reatction 의 rate 조절.
C Reactor
D Stream Generator – 수증기 생성 기
E Steam Line – 수증기 이동기
F Pump
G Generator
H Turbine – 수증기로 가동됨. Generator를 가동시킴.
I Cooling Water Condensor
J Cooling Tower

원자력을 전기로 전환하는 방법. Uranium이 쪼개지며 생산되는 에너지를 조절하고 그것으로 물을 데움.

콩크리트는 원자력 발전소의 중요한 부분. 발전소를 감쌈으로써 방사선의 외부 분출을 막음.

원자력의 장점 – fossil fuel 을 태우지 않아도 됨. Coal 과 자연가스 원자력 발전소는 대기로 많은 이산화탄소를 배출하여, climate change에 기여. 원자력 발전소의 이산화탄소 배출량은 비교적 매우 적음. 또한 fossil fuel에 의존하지 않기 때문에, 원자력의 값은 기름과 가스값의 변동과 무관.

원자력의 단점 – Uranium 탄광과 purification의 과정은 깔끔하지 않음. Nuclear fuel을 이동하고, 발전소를 세우는 것 또한 오염의 위험이 따름. 또한 Nuclear fuel을 한 번 사용 한 후에, 그것의 처리는 쉽지 않음. 그것은 여전히 radioactive 하고, 주의하여 다루지 않으면 위험의 가능성이 있음.

평균적으로 지구의 모든 원자력 발전소를 고려 할 때에, 매 년 2000 metric 톤의 high-level radioactive waste 배출. 이 것은 전파와 열을 방출. 따라서 이것을 보관하는 용기를 부패시키고, 주위 환경으로 방출되어 생명의 환경에 해를 끼칠 수 있음.

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자료 출처 http://science.howstuffworks.com/nuclear-power1.htm