우라늄 및 핵연료에 대한 이해

원자력발전의 연료로 우라늄이 사용된다는 것은 대부분 알고 있지만, 우라늄이 어떻게 사용되는지에 대해 알고 있는 사람은 적습니다. 우라늄, 플루토늄 등에 대해 들어봤지만, 그 차이에 대해 알고 있는 사람은 적습니다. 이번에는 핵연료 및 우라늄에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

 

우라늄 및 핵연료에 대한 이해 

우라늄이란? 

우라늄은 원자번호 92번입니다. 은색빛을 띠는 금속이며, 전도성과 연성이 큰 편입니다. 반응성이 커서 금속상태는 물론 이산화물 상태에서도 불이 쉽게 붙습니다. 발견 당시에는 위험한 물질로 여겨지지 않았습니다. 당시 여러 가지 상업용도를 가지고 있었으며, 모스 경도는 6입니다. 우라늄은 동위원소를 가지고 있습니다 우라늄 234, 235, 238입니다. 자연계에 존재하는 우라늄의 약 99.3%가 우라늄 238입니다. 실제로 연료로 사용되는 우라늄 235는 약 0.7%가 전부이며, 이는 반감기 때문입니다. 우라늄 238의 반감기는 45억 년입니다. 우라늄 235의 반감기는 7억 년입니다. 그 외에 연료로 사용될 수 있는 건 토륨과 플루토늄입니다. 토륨은 원자번호 90번이며, 플루토늄은 94번입니다. 

 

핵연료 및 원자로에서의 핵분열 

핵반응이 일어자는 기기를 원자로라고 합니다. 원자력발전에서의 핵반응은 원자핵에 중성자가 쏘여지면, 원자핵이 쪼개지면서 질량이 줄어들고 에너지가 생성됩니다. 중성자가 쏘여졌을 때, 분열할 수 있는 물질이 핵연료로 사용 가능한데, 우라늄, 플루토늄, 토륨 등이 사용 가능합니다. 분열이 잘 일어나는 원자를 가리켜서 핵분열성 물질이라고 합니다. 우라늄 235, 플루토늄 239, 우라늄 233 등이 여기에 속합니다. 우라늄 235는 자연물질로 존재합니다. 토륨 232가 중성자를 흡수하면 우라늄 233이 됩니다. 우라늄 238이 중성자를 흡수하면 플루토늄 239가 됩니다. 토륨과 우라늄 238은 원료성 물질로 말할 수 있습니다. 우라늄 238은 분열성 물질은 아니지만 핵연료의 농축도를 조절하는데 쓰입니다. 보통 4.5% Inrichment를 가지고 있다고 말하는데, 이는 우라늄 235가 4.5%이며, 우라늄 238이 95.5% 라는 의미입니다. 따라서 사용 후 연료에는 우라늄 238이 많이 남아 있게 됩니다. 열중성자로 대신 고속증식로를 사용하면 이를 해결할 수 있습니다. 4세대 원전의 경우 열중성자로 대신 고속증식로가 채택된 경우가 많습니다. 

 

2024.01.07 - [산업의이해] - 제4세대 원자로 (Gen-IV)

제4세대 원자로 (Gen-IV)

 

핵분열이 일어나는 경우 2~3개의 중성자가 방출됩니다. 방출되는 중성자가 다시 다른 원자핵에 맞아서 핵분열을 일으키는 것을 연쇄반응이라고 합니다. 중성자가 외부로 새어 나가는 것을 방지하여 최대한 많은 중성자가 핵분열을 일으키는데 참여하는 것이 원자폭탄의 원리입니다. 원자로의 경우에는 그와는 반대로 연쇄반응을 일으키는 최소한의 중성자 만을 유지하여 에너지 레벨을 조절합니다. 

 

한전원자력연료 주식회사 

우리나라에서는 한전원자력연료 주식회사에서 핵연료에 대해서 설계하고 개발하는 것을 담당하고 있습니다. 대전시 유성구에 위치하고 있습니다. 최초의 이름은 한국핵연료주식회사였습니다. 자체적으로 제조까지 가능해 우리나라는 국산화에 성공했다고 볼 수 있습니다. 원자력발전소에서 사용되는 연료봉 등을 제조할수 있습니다. 또한 핵연료 주기 동안의 서비스 및 유지보수도 담당합니다. 또한, 핵연료 주기 동안 발생하는 사용 후 원자력 폐기물 처리에 대한 기술적인 지원도 제공할 수 있습니다.

 

이상으로 우라늄 및 핵연료에 대해 알아보았습니다.