How do nuclear power plants work? - M. V. Ramana and Sajan Saini

원자력 발전의 원리는?|M.V 라마나 & 사쟌 사이니(M. V. Ramana and Sajan Saini)

번역: Gorani Park 검토: Jihyeon J. Kim

On a December afternoon in Chicago during the middle of World War II,

세계 2차 대전 중이던 12월의 어느 오후

scientists cracked open the nucleus at the center of the uranium atom

시카고에서 과학자들은 우라늄의 원자핵을 깨서

and turned nuclear mass into energy over and over again.

반복하고 반복해서 핵질량을 에너지로 변환시켰습니다.

They did this by creating for the first time

이들은 최초로

a chain reaction inside a new engineering marvel:

새로운 공학계의 경이인 원자로 안에서

the nuclear reactor.

연쇄반응을 일으켜서 했습니다.

Since then, the ability to mine great amounts of energy from uranium nuclei

그 후로 우라늄 원자핵에서 대량의 에너지를 얻을 수 있는 능력을

has led some to bill nuclear power

어떤 사람들이 풍부하고 이상적인 전기 원천으로 선전했습니다

as a plentiful utopian source of electricity.

A modern nuclear reactor generates enough electricity from one kilogram of fuel

현대 원자로는 1kg의 연료로 일반적인 미국 가정에

to power an average American household for nearly 34 years.

거의 34년 동안 공급할 수 있는 전기를 생산할 수 있습니다.

But rather than dominate the global electricity market,

하지만 원자력은 세계 전기 시장을 지배하기는 커녕

nuclear power has declined from an all-time high of 18% in 1996

최대치였던 1996년 18%의 점유율에서

to 11% today.

현재의 11%로 감소했습니다.

And it's expected to drop further in the coming decades.

그리고 앞으로 몇십 년 동안 더 감소할 예정입니다.

What happened to the great promise of this technology?

이 기술의 엄청난 가능성은 어떻게 된 것일까요?

It turns out nuclear power faces many hurdles,

원자력 발전엔 많은 어려움이 있습니다.

including high construction costs

높은 공사 비용과

and public opposition.

대중의 반대 등의 문제가 있습니다.

And behind these problems lie a series of unique engineering challenges.

그리고 그 뒤에는 여러 독특한 공학적 어려움들이 있습니다.

Nuclear power relies on the fission of uranium nuclei

원자력은 우라늄의 핵분열과

and a controlled chain reaction

더 많은 원자핵에서 이 분열이 일어나게 하는

that reproduces this splitting in many more nuclei.

통제된 연쇄반응으로 일어납니다.

The atomic nucleus is densely packed with protons and neutrons

원자핵은 강한 핵력으로 서로에게 묶인

bound by a powerful nuclear force.

양성자와 중성자로 빽빽히 채워져 있습니다.

Most uranium atoms have a total of 238 protons and neutrons,

대부분의 우라늄 원자들은 총 238개의 양성자와 중성자가 있지만

but roughly one in every 140 lacks three neutrons,

대략 140개 중 1개의 원자는 중성자가 3개 부족하고

and this lighter isotope is less tightly bound.

이 가벼운 동위원소는 덜 강하게 묶여져 있습니다.

Compared to its more abundant cousin,

무거운 동위원소와 비교하여

a strike by a neutron easily splits the U-235 nuclei

U-235 원자핵은 중성자에게 맞으면

into lighter, radioactive elements called fission products,

더 쉽게 핵분열 생성물이라고 하는 더 가벼운 방사능 원소와

in addition to two to three neutrons,

2~3개의 중성자

gamma rays,

감마선

and a few neutrinos.

그리고 중성미자 몇개로 분해됩니다.

During fission, some nuclear mass transforms into energy.

핵분열 동안 핵질량의 일부는 에너지로 바뀝니다.

A fraction of the newfound energy powers the fast-moving neutrons,

새로운 에너지 중 일부는 빠르게 움직이는 중성자에 동력을 공급해주고

and if some of them strike uranium nuclei,

그 중 몇 개가 우라늄 원자핵을 건드리면

fission results in a second larger generation of neutrons.

핵분열이 일어나 더 많은 중성자를 이차적으로 생성합니다.

If this second generation of neutrons strike more uranium nuclei,

이 중성자들이 우라늄 원자핵을 더 건드리면

more fission results in an even larger third generation, and so on.

핵분열이 더 일어나 더 많은 중성자가 삼차적으로 생성되는 현상이 반복됩니다.

But inside a nuclear reactor,

하지만 원자로 안에서는

this spiraling chain reaction is tamed using control rods

이 상승하는 연쇄반응은 제어봉으로 조절됩니다.

made of elements that capture excess neutrons and keep their number in check.

제어봉은 초과된 중성자들을 잡고 그 수를 관리합니다.

With a controlled chain reaction,

통제된 연쇄반응으로

a reactor draws power steadily and stably for years.

원자로는 몇 년 동안 지속적이고 안정적으로 에너지를 뽑아냅니다.

The neutron-led chain reaction is a potent process driving nuclear power,

중성자가 이끈 연쇄반응은 원자력을 공급하는 강력한 과정이지만

but there's a catch that can result

필요한 연료를 생산할 때

in unique demands on the production of its fuel.

독특한 요구조건이 있다는 문제점을 갖고 있습니다.

It turns out, most of the neutrons emitted from fission have too much kinetic energy

핵분열에서 방출된 대부분의 중성자들은 우라늄 원자핵에 붙잡히기에는

to be captured by uranium nuclei.

운동에너지가 너무 많습니다.

The fission rate is too low and the chain reaction fizzles out.

핵분열 비율이 너무 낮아 연쇄 반응은 흐지부지 됩니다.

The first nuclear reactor built in Chicago used graphite as a moderator

시카고에 지어진 최초의 원자로는 흑연을 감속재로 이용해

to scatter and slow down neutrons just enough

중성자들을 충분히 흩어놓고 감속시켜

to increase their capture by uranium and raise the rate of fission.

그들이 우라늄에 붙잡혀 핵분열하는 비율을 높였습니다.

Modern reactors commonly use purified water as a moderator,

현대 원자로들은 주로 정제수를 감속재로 이용하지만

but the scattered neutrons are still a little too fast.

흩어진 중성자들은 여전히 조금 빠른 편입니다.

To compensate and keep up the chain reaction,

이를 보완하고 연쇄 반응을 지속하려면

the concentration of U-235 is enriched

U-235의 농도는 자연 존재비의

to four to seven times its natural abundance.

4~7배로 강화됩니다.

Today, enrichment is often done by passing a gaseous uranium compound

오늘날 강화는 주로 기체 우라늄 혼합물을

through centrifuges

원심 분리기에 통과시켜

to separate lighter U-235 from heavier U-238.

가벼운 U-235를 무거운 U-238로부터 분리시켜 시행합니다.

But the same process can be continued to highly enrich U-235

하지만 이 과정을 계속하면

up to 130 times its natural abundance

U-235 농도가 자연 존재비의 130배로 강화되어

and create an explosive chain reaction in a bomb.

폭발적인 연쇄 반응을 만들 수 있습니다.

Methods like centrifuge processing must be carefully regulated

원심분리 공정과 같은 방법은 폭탄급 연료가 퍼지는 것을 막기 위해

to limit the spread of bomb-grade fuel.

조심스럽게 통제되어야 합니다.

Remember, only a fraction of the released fission energy

방출된 핵분열 에너지의 일부만

goes into speeding up neutrons.

중성자의 속도를 증가시킨다는 것을 기억하세요.

Most of the nuclear power goes into the kinetic energy of the fission products.

대부분의 원자력은 핵분열 생산물의 운동 에너지에 들어갑니다.

Those are captured inside the reactor as heat by a coolant,

이들은 원자로 안에서 열의 상태로 냉각수에 잡힙니다.

usually purified water.

이 냉각수는 주로 정제수입니다.

This heat is eventually used to drive an electric turbine generator by steam

이 열은 결국 증기를 이용해 원자로 바로 밖에 있는

just outside the reactor.

전기 터빈을 돌리는데 사용됩니다.

Water flow is critical not only to create electricity,

물의 흐름은 전기를 생산하고

but also to guard against the most dreaded type of reactor accident,

가장 두려운 원자로 사고인

the meltdown.

용융을 막는데 매우 중요합니다.

If water flow stops because a pipe carrying it breaks,

물을 나르는 파이프가 부서지거나

or the pumps that push it fail,

펌프가 망가져 물의 흐름이 멈추면

the uranium heats up very quickly and melts.

우라늄이 굉장히 빠르게 가열돼 녹습니다.

During a nuclear meltdown,

융용이 일어나면

radioactive vapors escape into the reactor,

방사능 증기가 원자로로 빠져나가고

and if the reactor fails to hold them,

원자로가 이를 수용하지 못하면

a steel and concrete containment building is the last line of defense.

강철과 콘크리트 격납용기 건물이 최후의 방어 수단입니다.

But if the radioactive gas pressure is too high,

하지만 방사능 기체의 압력이 너무 높아

containment fails and the gasses escape into the air,

격납용기가 망가지고 기체가 공중으로 빠져나가

spreading as far and wide as the wind blows.

바람이 부는 범위까지 멀리 퍼져나가면

The radioactive fission products in these vapors

기체 내 핵분열 생성물이

eventually decay into stable elements.

결국 안정된 원소로 붕괴됩니다.

While some decay in a few seconds,

몇은 몇 초만에 붕괴하지만

others take hundreds of thousands of years.

다른 생성물들은 수 십만 년이 걸립니다.

The greatest challenge for a nuclear reactor

원자로에게 가장 큰 난제는

is to safely contain these products

이 생성물을 안전히 보관하여

and keep them from harming humans or the environment.

이들이 사람과 환경을 해치는 것을 막는 것입니다.

Containment doesn't stop mattering once the fuel is used up.

보관은 연료가 다 사용된 후에도 문제가 됩니다.

In fact, it becomes an even greater storage problem.

오히려 그때는 더 큰 저장 문제를 발생시킵니다.

Every one to two years,

1~2년마다

some spent fuel is removed from reactors

사용된 연료의 일부는 원자로에서 제거되어

and stored in pools of water that cool the waste

폐기물을 냉각시키고 방사능 배출을 막는

and block its radioactive emissions.

물 안에 보관됩니다.

The irradiated fuel is a mix of uranium that failed to fission,

방사능 처리가 된 연료는 핵분열을 하지 못한 우라늄

fission products,

핵분열 생성물

and plutonium, a radioactive material not found in nature.

그리고 자연에서는 존재하지 않는 방사능 물질인 플루토늄이 혼합된 것입니다.

This mix must be isolated from the environment

이 혼합물은 모두 안전하게 붕괴될 때까지는

until it has all safely decayed.

환경에서 격리되어야 합니다.

Many countries propose deep time storage in tunnels drilled far underground,

많은 국가들은 지하 깊은 터널에 오래 보관하는 것을 제안하지만

but none have been built,

실제로 지어진 것은 없으며

and there's great uncertainty about their long-term security.

장기적 안전이 굉장히 불확실합니다.

How can a nation that has existed for only a few hundred years

겨우 몇 백 년 존재할 국가가

plan to guard plutonium through its radioactive half-life

어떻게 플로토늄을 방사성 반감기인

of 24,000 years?

24,000년 동안 지킬 수 있을까요?

Today, many nuclear power plants sit on their waste, instead,

오늘날 수많은 원자력 발전소들은 폐기물 위에 앉아 있는 채로

storing them indefinitely on site.

현장에 무기한으로 저장하고 있습니다.

Apart from radioactivity, there's an even greater danger with spent fuel.

방사능 외에도 사용이 끝난 연료는 더 큰 위험이 있습니다.

Plutonium can sustain a chain reaction

플루토늄은 연쇄 반응을 억제할 수 있고

and can be mined from the waste to make bombs.

폐기물에서 캐내어 폭탄을 만드는데 사용될 수 있습니다.

Storing spent fuel is thus not only a safety risk for the environment,

사용이 끝난 연료를 보관하는 것은 환경뿐만이 아니라

but also a security risk for nations.

국가 안보에도 위협이 됩니다.

Who should be the watchmen to guard it?

연료를 지킬 감시원은 누가 되어야 할까요?

Visionary scientists from the early years of the nuclear age

원자시대의 초창기에 예지력 있는 과학자들은

pioneered how to reliably tap the tremendous amount of energy

원자 안의 엄청난 에너지를 믿을 수 있는 방법으로

inside an atom -

이용하는 방법을 개척했습니다.

as an explosive bomb

그들은 이를 폭발물로 이용하는 법과

and as a controlled power source with incredible potential.

굉장한 가능성을 가진 통제된 동력원으로 이용하는 법을 개발했습니다.

But their successors have learned humbling insights

하지만 그 후임자들은 그리 이상적이지 못한

about the technology's not-so-utopian industrial limits.

이 기술의 산업적인 제약들을 겸손하게 바라보게 되었습니다.

Mining the subatomic realm makes for complex, expensive, and risky engineering.

원자보다 작은 영역을 탐사하는 것은 복잡하고 비싸며 위험한 공학이 필요합니다.