13 주강의 Ch. 6 에너지 (Energy) 6.4 핵발전 / 162 6.8 전기발전기 / 170 6.9 변압기 / 172
6.4 핵발전 1. 분열 분열 (fission) 과정을통해핵발전소의반응로에서필요한열이생산된다. ex) 우라늄 (uranium)-235 와플루토늄 (plutonium)-239 같은몇원자의핵 대단히불안정하여, 핵을중성자가충돌하면핵이쪼개지면서에너지를방출한다. 핵분열 (nuclear fission) 이라함. 분열의결과생기는조각에는원래의핵과중성자들이있는데, 분열의산물 (fission products). 원래의핵과충돌하는중성자의총질량과, 분열의산물의총질량을비교해보면어느정도차이가나는데, 이차이만큼의질량이에너지로방출되는것이다. 1905 년 Albert Einstein 에너지가질량을가졌음을최초로발견. E=mc 2
2. 연쇄반응 (chain Reaction) U-235 원자하나의분열만으로는대단히미미한에너지가생겨나지만, 분열과정에서여러중성자가방출되어이들이다른 U-235 의핵분열을유도한다. 이과정을연쇄반응이라고한다 ( 그림 6.9). 핵반응로내에서대단히많은연쇄반응이동시에일어나므로엄청난양의에너지가방출된다.
3. 핵반응로 ( 화력 ) 발전소의보일러에해당. 1 연료 : 초기에는우라늄금속, 근간에는우라늄산화물을사용. 이산화가루가압축되어딱딱한알갱이를형성하면이것이약 3.7 m 길이의좁고가느다란관에실려진다. 이들을핀 (pin) 이라하며원통에장착되면서반응로의연료봉을구성한다. 우라늄 235 1 그램은석유 9 드럼과석탄 3 톤에해당하는열에너지를생산할수있다. 2 감속제 : 느리게움직이는중성자는빠른중성자보다분열을잘일으켜핵반응이더잘지속된다. 핵분열과정에서는빠른중성자가생성되므로활발한반응을위해서는그속도를늦추어야한다. 이때사용하는재료를감속제 (moderator) 라고하며, 탄소나물 ( 가장흔한감속제 ).
3 제어봉 : 반응로의안전한가동을위해중성자의흐름을제어해야한다. 제어봉은중성자를흡수하는카드뮴 (cadmium) 등으로되어있고, 제어봉을반응로에밀어넣으면중성자가흡수되어핵반응이늦추어지고, 제어봉을꺼내면반응속도는다시빨라진다. 4 냉각제 : 분열반응에서생겨나는열은뜨거운연료를지나는가스나물등의냉각제를넣어제거되어야한다. 뜨거워진이들액체는중심부에서열교환기로흘러가물을데워증기를만든다 그후이냉각제는다시반응로의중심부로흘러가열을제거하는역할을한다. 핵반응기는사용하는냉각제의종류에따라 1) 고급기체냉각반응로 (AGR; Advanced Gas-Cooled Reactor) 2) 압축수반응로 (PWR; Pressurized Water Reactor) 등. 5 방사능차단벽 : 반응과정에서생기는중성자나방사능조각이반응로에서새어나가지못하도록대단히두꺼운철근과콘크리트차단벽이필요.
6.8 전기발전기 1. 교류 (A.C: Alternating Current) 전류가흐르는도선주위에자기장이생긴다. ( 반대로 ) 자기장이변하면그주변에있던도선에전자기력이유도되며이것을확장하면교류가됨. 전자기력은자기장의변화에따라서그부호도달라진다. 교류의원리. 자기장의변화때문에부호가항상달라진다. 교류에서자기장 ( 자속의변화 ) 은 cosine 그래프 이자기장의변화율이전자기력이기때문에 cosine 그래프를미분하여 sine 그래프를얻는다. 그래서부호가계속 +,- 로변화. 계속전류의방향이바뀌다보니불안정. 에너지를저장할수가없다. 교류의최대장점 전압을자유자재로변경가능. 직류는굉장히안정적이고에너지를저장할수있다. 직류의단점이라면그거대한에너지를저장할만한기술이아직까지없다. 대용량의전기를사용할수가없음.
자전거의발전기 자전거의페달을저어서도교류를생산할수있다. 영구자석이도선근처에서회전하여도선에교류를생성시킨다. 이때전류는약하지만자전거의전조등으로사용하기에는충분.( 그림 ) 상용교류발전기 회전자석이직류를공급받는전자석으로되어있다. 교류는여러개의고정된도선, 즉고정자코일에서생산된다.
2. 전기에너지의생산 발전소에서는고압증기로거대한터빈을회전시킨다. 증기생성을위한열은보일러나핵반응로에서얻는다. 터빈에는일련의날개가부착된바퀴가고정되어있는회전축이있고, 다른날개들은증기를이바퀴로인도하는역할을한다. 터빈의축은 25,000V 짜리교류전기발전기에연결 회전하면서 20,000A 의교류를생산함. 그림은 660 MW 용발전기. 앞부분에있는것이큰회전자이고바퀴모양이증기터빈의날개들이다.
3. 전자기유도자기장속에있는도체에전류가흐르면, 이도체가움직이도록하는힘이생긴다. 반대로, 도체가자기장을가로질러움직이게하면전자가도체를통해흐르는데, 이효과를전자기유도 (electromagnetic induction). 이때전류는유도되었다고한다. 코일을자기장속에서회전시키면그유도전류의크기와방향이변화하여교류전류가생성됨. 유도전류의크기를증가시키는방법. 1 코일의감은수를늘린다. 2 보다강한자석을사용한다. 3 코일을부드러운철심에감는다. 4 더높은속도로코일을회전시킨다.
4. 전력분산 지역과계절및시간에따라전력수요는수시로변함. 생산된전기를국가망으로총괄하여, 수요에적절히맞추어공급하는것이바람직. 전력수요가낮을때는모든발전소를가동할필요가없지만, 수요가집중될때를대비한생산용량은확보해놓아야원활한전력공급이이루어질것이다. 그래프는전형적인하루중의전력수요를나타내는곡선이다.
6.9 변압기 1. 전압의변화 변압기 (transformer) 는기본적으로철심과코일의두부분으로구성. 변압후의전압은이코일의감긴수에비례하여상승또는하강할수있다. Ex)1 차코일의감긴수가 1000 회이고 2 차코일의감긴수가 100 회인변압기를쓰면, 인입전압을 100/1000, 즉 1/10 로내릴수있다. Input 전압이 240 V 이면, 이변압기에의해 output 전압은 24 V 하강변압기 (step-down transformer). 만약, 1 차코일의감긴수가 2 차코일의감긴수보다작은변압기를쓰면이두수의비율만큼인입전압보다큰전압을얻으며, 이렇게인입전압을올리는변압기를상승변압기 (step-up transformer).
2. 변압기방정식 1 차코일에걸리는전압과전류를각각 V 1, I 1 2 차코일에걸리는전압과전류를각각 V 2, I 2 라고할때, 1 차코일에공급되는전력은 V 1 x I 1, 2 차코일에전달되는전력은 V 2 x I 2. 이때의변압기의효율은 {(V 2 x I 2 )/(V 1 x I 1 )} x 100% 으로정의, 대형상용변압기의효율은거의 100% 이므로 근사적으로 V 1 x I 1 = V 2 x I 2 라고쓸수있다. 변압기의 1 차및 2 차코일에감긴도선의수를각각 N 1, N 2 라고할때다음의관계들이성립한다. V 1 / V 2 = N 1 / N 2, I 1 / I 2 = N 2 / N 1 변압기방정식 (transformer equation).
5. 전력송전 도선내의전류는그도선의저항때문에열을발생시킨다. 우리가쓰는전기는전력발전소에서나와철탑을거쳐긴전선을따라수송되는데, 그저항때문에에너지가열의형태로대기에손실되어, 다른조치를하지않으면우리에게는극히미미한에너지만이도달할것이다. 이러한열로의에너지손실 (I 2 R) 은전류 (I) 를낮게유지하면상당부분감소시킬수있고, 이를위해직류보다는교류를사용. 송전시초단계에서는전압을 275,000 V 나 400,000 V 로올려전류값을낮춘다. 송전의마지막단계에서이전압을다시낮추어전류값을올리는방법을쓰면송전도중손실되는에너지를상당히줄일수있다.