전력공학›발·변전 일반

원자력발전

Nuclear Power Generation

핵분열 에너지의 본질

🔍 왜 원자력인가

①우라늄-235 원자핵에 중성자 충돌 → 핵분열 → 막대한 열에너지 방출

②U-235 1g 완전 분열 ≈ 석탄 3톤 연소 열량 → 압도적 에너지 밀도

③분열 시 2~3개의 새 중성자 방출 → 연쇄반응으로 지속적 에너지 공급

④이 연쇄반응 속도를 제어봉으로 조절하는 것이 원자력발전의 핵심

증배계수 k와 연쇄반응 제어

증배계수 k1

증배계수 k에 따른 세대별 중성자 수 변화 연쇄반응 시뮬레이션

🔑 핵심 관찰

①k = 1 (임계): 한 세대의 중성자가 다음 세대에 동일 수 유지 → 정상 운전 상태

②k < 1 (미임계): 중성자 수 감소 → 반응 소멸, 원자로 정지 시

③k > 1 (초임계): 중성자 수 증가 → 출력 상승, 원자로 기동 시 일시적 사용

④실제 운전: k ≈ 1.000 부근에서 제어봉으로 미세 조정

핵분열 에너지 계산

질량-에너지 등가

E = mc²

m: 질량결손[kg], c: 광속 3×10⁸ m/s

U-235 1회 분열

≈ 200 MeV ≈ 3.2 × 10⁻¹¹ J

대부분이 분열 파편의 운동에너지 → 열로 전환

핵연료 발생열량

U-235 1g ≈ 8.2 × 10⁷ kJ

석탄 약 3톤, 석유 약 2000ℓ에 해당

💡 실기 연계

①"U-235 1kg 완전연소 시 발생 에너지는 석탄 몇 톤에 해당하는가?" → 약 3,000톤

②질량결손 문제: 분열 전후 질량 차이 Δm → E = Δm × c² 계산

③1 MeV = 1.6 × 10⁻¹³ J 환산 반드시 암기

원자로 구성요소와 제어

제어봉 삽입률50%

제어봉 삽입률에 따른 원자로 내부 구성(연료봉·제어봉·감속재·냉각재) 다이어그램

4인자 공식

k∞ = η · ε · p · f

η: 핵분열당 중성자수, ε: 고속핵분열인자, p: 공명이탈확률, f: 열중성자이용률

💡 구성요소 역할 비교

①연료: UO₂(농축 U-235 3~5%) — 핵분열 열원

②감속재: 고속중성자→열중성자 감속 (경수/중수/흑연)

③냉각재: 노심 열 제거·증기발생기로 전달 (경수/중수/CO₂/Na)

④제어봉: 중성자 흡수 물질(B₄C, Hf, Cd) — 삽입↑→출력↓

시험 총정리

증배계수

k∞ = η·ε·p·f

4인자 공식(무한체계)

유효증배계수

k_eff = k∞ · L_th · L_f

6인자 공식(유한체계)

감속비

ξΣ_sΣ_a

감속능력/흡수 비율

전환비

C = 생성 핵분열물질소비 핵분열물질

C > 1: 증식로

🎯 시험 포인트

①k = 1 임계, k < 1 미임계, k > 1 초임계 — 정의 정확히 구분

②원자로 종류: PWR(가압경수로)·BWR(비등경수로)·PHWR(가압중수로) 구분

③PWR: 감속재=냉각재=경수, 연료=저농축UO₂ — 한국 표준형(APR1400)

④제어봉 삽입 → 중성자 흡수 ↑ → k_eff ↓ → 출력 감소

⑤실기: 핵연료 소비량·에너지 환산 계산 + 원자로 종류별 특성 비교표 출제

📝 대표 기출문제

①[기출유형] 4인자 공식 k∞ = η·ε·p·f 에서 각 인자의 명칭과 의미를 쓰시오.

②[기출유형] PWR과 BWR의 차이점을 3가지 이상 서술하시오. (증기발생기 유무, 냉각재 계통 수, 격납건물 크기 등)

③[기출유형] 제어봉의 재료 3가지와 역할을 쓰시오. (답: B₄C, Hf, Cd — 중성자 흡수로 반응도 제어)