원자핵과 동위원소 이해하기

원자력 발전을 알아보기에 앞서 원자력이란 무엇인지 기본 용어와 개념을 알아본다. 1. 원자핵(Nucleus) 모든 원소의 원자(Atom)는 양자(Proton)와 중성자(Neutron)로 구성되는 원자핵과 주위를 돌고 있는 전자(Electron)로 구성되어 있다. 양자는 양전하를 가진 입자이고 중성자는 전기적으로 중성이며, 전자는 음전하를 가지고 있어 양자와 전자가 동수일 때 그 원자는 전기적으로 중성을 띠게 된다. 양자와 중성자의 무게는 서로 거의 같으며 이들의 무게는 전자의 1,830배 정도이므로 원자의 무게는 거의 모두가 원자핵에 모여 있는 것이다. 따라서 원자핵의 무게를 그 원자의 무게로 간주해도 좋을 것이다. 원자핵 내의 양자 수를 원자번호라 부르는데 이는 그 원소의 화학적 특성을 정해 준다. 또한 양자와 중성자의 수를 합한 것을 질량수라 부르며 원자핵의 무게로 표시한다. 원자질량 단위는 amu로 표시하는데 질량수 12인 탄소의 질량을 원자질량의 단위로 삼고 있다. 천연에 존재하는 원소는 원자번호 1인 수소로부터 원자번호 92의 우라늄까지 있는데 이 외에도 원자번호가 큰 새로운 인공원소를 포함하면 약 100여 종에 이르고 있다. 이러한 원소들 중 원자번호가 짝수이고 중성자 수도 짝수인 원자핵은 가장 안정하며 이 핵을 이중 짝수핵이라 한다. 2. 동위원소(Isotope) 원소 중에는 양자 수는 같지만 중성자 수가 다른 것들이 많이 있으며 이러한 원소를 동위원소라 부른다. 나트륨이나 알루미늄과 같이 1종의 동위원소만 가진 것이 있는가 하면 수은과 같이 7종의 동위원소가 있는 경우도 있다. 자연 중에는 약 320여 종의 동위원소가 존재한다. 원자번호 1인 수소는 보통 질량수 1인 것이 대부분이지만 질량수가 2인 즉, 양자 1개와 중성자 1개가 있는 중수소가 약 0.015% 정도로 존재하고 있다. 그러므로 수소 2개와 산소 1개로 된 물은 경수라 하고, 중수소 2개와 산소 1개로 된 물은 중수라 부른다. 동위원소 중 특히 방사능을 가진 원소를 방사성 동위원소라

가스 터빈 발전의 특징과 종류

 가스 터빈 발전은 공기를 압축기로 압축해서 가열하고, 연소기에서 연료가스와 혼합하여 연소시킨다. 여기서 얻어진 고온, 고압의 가스를 가스터빈에서 팽창시킴으로써 동력을 발생시키고, 발생된 동력을 이용해 발전기를 돌려 전력을 생산한다. 가스 터빈 발전은 크게 압축기, 연소기, 가스 터빈 및 발전기로 구성되는데 보다 자세한 가스 터빈 발전의 특징과 종류를 알아본다. 1. 가스 터빈 발전의 특징 가스터빈은 공기와 연료가스의 혼합 기체를 연소실 내에서 연소시켜 얻은 고온 가스를 직접 런너에 작용시킴으로써 회전력을 얻는 터빈으로 다음과 같은 장, 단점이 있다. 1) 가스 터빈 발전의 장점 - 운전, 조작이 간단하다. - 구조가 간단하여 신뢰도가 높다. - 별도의 물 처리가 필요 없으며 냉각수량도 적다. - 설치장소의 선정이 자유롭다. - 건설기간이 짧고 이설도 가능하다. 2) 가스 터빈 발전의 단점 - 가스온도가 높기 때문에 내열비용이 많이 든다. - 열효율은 내연력 발전이나 기력발전에 비해 떨어진다. - 공기량이 많으므로 압축하는데 드는 에너지가 크다. - 외기온도와 대기압의 영향을 받는다. 2. 가스 터빈 발전의 종류 1) 개방 사이클 가스 터빈 발전 개방 사이클에서는 공기 압축기로 압축된 공기를 연소실로 보낸다. 여기서 연료를 연소시켜 고온, 고압 가스를 만들어 가스 터빈으로 보내 단열팽창에 의해 터빈을 구동시킨 후 배기는 대기 중으로 방출하는 형식이다. 열효율을 향상시키기 위해 고압 터빈에서 배기 된 가스를 재열기로 보내어 다시 연료를 분사해서 연소시키고, 이렇게 재열 된 가스를 다음 저압 터빈으로 보내는 재열방식을 사용하기도 한다.  또한 공기 압축기를 2단으로 나누고 제 1단과 2단 사이에 냉각기를 설치하여 고온으로 된 압축공기를 냉각시킨 다음, 제 2단으로 보내주면 압축에 요하는 동력을 절약할 수 있기 때문에 대용량의 가스 터빈은 이러한 구조로 만든다. 2) 밀폐 사이클 가스 터빈 발전 밀폐 사이클은 공기를 압축기에서 고압으로 압축한 후 다시 공기 가열기에

내연력 발전의 특징

 기력발전에서는 연료의 연소로 얻어지는 열로 물을 끓여 증기를 발생시키고 이것을 매개로 하여 열에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 그러나 내연력 발전에서는 기체연료를 점화하여 폭발시킬 때 얻어지는 고압, 고온가스를 직접 이용해서 기계적 에너지로 변환한다. 이처럼 내연력 발전은 기력발전에 비해 에너지 변환과정이 간단하고 열효율도 비교적 높은 수준까지 올릴 수 있으나 제작면에서 대용량 운전은 제한을 받고 있다. 1. 내연력 발전의 특징 내연기관에 사용하는 연료로는 액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG) 등의 기체 연료와 휘발유, 등유, 중유 등의 액체연료가 사용되나 주로 발전용으로는 액화천연가스와 중유를 사용하고 있다. 내연력 발전의 특징을 기력발전과 비교하면 다음과 같은 장단점이 있다. 1) 내연력 발전 장점 - 기동, 정지가 간단하고 부하에 대한 대처 능력이 좋다. - 설비가 단순하므로 유지관리가 쉽다. - 출력에 비해 크기가 작고, 신뢰성 및 열효율도 우수하다. - 설치장소에 제한이 적고 냉각수도 비교적 적다. - 기체 또는 액체연료이므로 수송, 저장, 취급이 편리하다. 2) 내연력 발전 단점 - 운전시 진동이 크므로 방진대책이 필요하다. - 소음이 심하므로 방음장치가 필요하다. - 배기온도가 높기 때문에 유의하여야 한다. - 대용량의 제작이 어렵다. 2. 디젤 기관 발전 가스 또는 기화된 연료와 공기를 혼합시킨 기체를 실린더 내에서 압축한 후에 점화를 시키면 폭발하게 된다. 이때 생긴 높은 압력을 이용해서 피스톤을 동작시키면 동력을 얻게 된다. 공기를 높은 압력까지 압축하면 압축공기의 온도가 높아지고 이 속에 연료를 분사하면 자연점화가 이루어지며 디젤기관은 이를 이용한 대표적 내연기관 발전이다. 디젤 기관에는 피스톤이 2왕복(2회전)하는 동안에 1회의 폭발을 하는 4사이클 기관과 피스톤이 1왕복하는 동안에 1회의 폭발을 하는 2사이클 기관이 있다. 대표적인 4사이클 기관의 행정은 다음과 같다. 1) 흡입행정 상부기점으로부터 크랭크가 내려가는 상태에서

발전기의 구조와 냉각방식

 1. 발전기의 구조 1) 고정자(Stator) 고정자는 케이싱, 철심과 권선(Coil)으로 구성되어 있고 내부의 온도를 측정하기 위하여 저항온도계를 철심에 설치한다. 케이싱은 철판을 용접하여 제작하며 수소냉각방식으로 하는 경우 기밀구조로 되어 있다. 철심은 규소강판을 적층하여 제작하고 균일한 간격으로 되어 있는 홈 속에 코일을 삽입한다. 2) 회전자(Rotor) 터빈 발전기는 고속용으로 주로 2극(3,600rpm)과 4극(1,800rpm)이 있으나 우리나라에서는 2극을 사용하고 있다. 수차 발전기에서는 저속기이므로 돌극형을 사용하나 터빈 발전기는 원통형을 사용한다. 회전자는 원통모양의 탄소강 또는 Ni강의 단조물로 되어 있으며 축방향으로 홈이 파여 있어 계자코일을 삽입한다. 회전자는 원심력, 편심력 및 열에 의한 왜형에 견디어야 하며 평형(Blancing)에 유의하여야 한다. 회전자의 코일은 슬립 링에 연결되어 있다. 3) 여자기(Exciter) 계자권선에 여자전류를 공급하는 여자기에는 직류발전기를 사용하는 방법과 정류기를 사용하는 방법이 있다. 직류발전기를 사용하는 방법에도 회전자에 직결하는 직결 여자기와 단독축을 가진 단독 여자기가 있으나 운전의 신뢰도와 유지관리의 편의성으로 직결 여자기가 주로 사용된다. 또한 여자기를 여자시키는 직류 발전기를 부여자기(Pilot exciter)라 하며 여자기의 축에 연결되어 있다. 부여자기의 용량은 주여자기의 3~4% 정도이다. 2. 발전기의 냉각 방식 일반적으로 발전기의 용량이 커지면 체적에 대한 표면적의 비율이 적어지므로 냉각이 어려워진다. 특히 증기터빈 발전기는 고속이라 직경에 비해 축방향의 길이가 매우 크기 때문에 냉매의 속도를 높이던가 비열이 큰 냉매를 사용하지 않으면 냉매의 온도가 상승하여 냉각작용이 둔화된다. 냉각방법으로는 공기냉각법과 수소냉각법이 있으며 이들은 다시 간접냉각과 직접냉각으로 구분된다. 간접냉각법은 직접 코일을 냉각시키는 것이 아니고 철심 혹은 절연 피복을 냉각시키는 방식이다. 직접냉각법은 코

증기 터빈 보호 장치의 이해

 터빈 운전 중 어떤 이상이 발생 시 터빈이 파손되지 않도록 조속한 조치가 필요하다. 그 방법으로 터빈에 공급하는 증기를 순간적으로 차단하여야 한다. 이 때에는 비상정지밸브 뿐만 아니라 제어밸브가 동시에 닫혀 증기가 터빈으로 유입되지 못하게 하며 유출밸브도 닫아 증기가 역류하여 터빈으로 다시 들어가는 것을 막아야 한다. 이러한 일련의 동작을 터빈 트립(Trip)이라 하며 자동 또는 수동으로 조작한다. 증기의 유입을 막는 보호 장치에는 어떤 것들이 있는지 자세히 알아보도록 한다. 1. 운전 중 대표적인 이상 발생 유형 - 터빈의 과속 - 추력축수(Thrust bearing) 파손 - 윤활유 유압 저하 - 발전기 이상 - 복수기 진공도 저하 2. 과속도 조속기(Over Speed Governor) 발전기가 계통에 들어간 이상 터빈은 다른 터빈보다 빨리 회전할 수는 없다. 그러나 계통에서 분리되면 자체 조속기에 의해서만 회전속도가 조정된다. 모든 것이 이상 없이 작동하면 제어밸브는 거의 닫혀 소내동력에 필요한 만큼의 증기를 보내어 터빈은 정격에 가까운 회전속도를 유지한다. 그러나 안전을 위하여 모든 터빈에 과속도 조속기(또는 비상 조속기)를 설치하고 있다. 과속도 조속기는 정격속도의 10%를 넘으면 제어용 압유계통의 유압을 저하시켜 터빈을 트립시킨다. 과속도 조속기는 편심링이나 편심핀을 이용한 것으로 터빈속도가 증가하면 편심 핀의 원심력은 제곱으로 증가한다. 이 때 속도가 110%로 상승하면 원심력이 스프링 압력보다 커져 핀은 튀어나와 오일 계전기를 동작시킨다. 따라서 제어용 압유의 압력이 저하되고 터빈은 트립된다. 3. 추력축수 파손 추력축수(Thrust bearing)는 터빈 회전축의 위치를 잡아주는 역할도 하고 있는데 만약 이 베어링이 파손되면 터빈 회전날개와 고정날개 사이의 간격이 좁아지며 심하면 날개가 전부 파손될 위험도 있다. 따라서 트러스트 베어링이 어느 정도 파손(0.7mm)되면 터빈을 트립시킨다. 4. 배기 판(Rupture Disc) 저진공 트립이

증기 터빈의 구조 이해하기

 증기 터빈은 크게 케이싱, 회전축, 노즐, 날개, 누기 방지장치로 나눌 수 있다. 이 게시글에서는 각 부분별 특징들을 알아보도록 하겠다. 1. 케이싱 케이싱은 예전엔 주조하였으나 최근에는 용접기술이 발달하여 저압터빈 케이싱은 용접하여 만들고 있으며, 고압고온의 터빈 케이싱은 두 개로 분할하여 프랜지로 접합한다. 또한 기동시간을 줄이기 위해 이중으로 되어 있으며 내측 케이싱에 노즐을 설치한다. 저압 케이싱에서는 별 문제가 안되지만 고온고압의 케이싱은 케이싱 내부와 외부의 온도차가 크면 내부 응력이 생겨 파손될 위험이 있으므로 그 온도차를 제한하고 있어 서서히 터빈 온도를 올리고 있다. 터빈이 기동하여 팽창할 때에는 저압 케이싱의 중심부가 고정점이 되어 고압측으로만 자유스럽게 팽창할 수 있도록 하고 있다. 이 외에도 케이싱 하반부에는 추기를 위한 배관이 연결되어 있으며 저압 케이싱은 복수기와 연결하고 있다. 2. 회전축(Rotor) 회전축은 고온상태에서 고속으로 회전해야 하며 자중 및 날개하중으로 생기는 비틀림에 견디고 큰 토크를 전달해야 하므로 터빈 부속품 중 가장 중요하다. 또한 진동없이 회전해야 하기 때문에 정확히 평형을 이루어야 하며 저압 회전축에서는 과속 시 대형 날개가 원심력에 의해 떨어져 나가는 사고가 없도록 공장 제작 시 엄밀한 시험이 필요하다. 회전축이 가지는 고유임계속도가 터빈 회전 속도와 같으면 공명이 일어나 터빈은 파손되고 만다. 평형설계시 일반적으로 임계속도를 터빈 회전 속도보다 30~40% 빠르거나 늦게 하고 있다. 임계속도가 터빈 회전 속도 위에 있으면 별 문제가 되지 않지만 터빈 회전 속도보다 아래 있을 때에는 기동 시 임계속도 부근에서 터빈의 회전 속도를 빠르게 상승시켜 임계속도를 벗어나야 한다. 회전축에는 회전날개를 고정시키며 기밀을 위한 패킹(Labyrinth packing)설비를 갖추고 있으며 발전기와는 커플링으로 직결된다. 3. 노즐 노즐은 증기의 열에너지를 속도에너지로 변환시키는 작용을 하며 다이아프램은 충동 터빈의 회전날

증기의 유동방향, 증기 흐름 및 차실 수에 의한 증기 터빈의 종류

 앞 게시글에서는 증기의 작용 방법과 터빈 배기 방법에 따른 증기 터빈의 종류를 알아보았다. 그 외의 분류 방법으로 증기의 유동방향과 증기의 흐름 및 차실(케이싱) 수에 따라 터빈의 종류를 나눌 수 있다. 지금부터 어떤 터빈들이 있는지 자세히 알아보도록 하겠다. 1. 증기의 유동방향에 의한 터빈의 종류 1) 축류 터빈(Axial turbine) 증기가 회전날개를 통과할 때에 터빈축과 평행으로 되어 있는 터빈을 축류 터빈이라 한다. 현재 우리나라에서 사용되고 있는 터빈은 모두 축류 터빈이다. 축의 방향에는 횡축과 직축이 있으나 고속회전(3,600rpm)에 적합한 횡축을 이용한다. 2) 폭류 터빈(Radial turbine) 폭류 터빈은 증기가 회전날개를 통과할 때에 터빈축에 수직으로 흐르는 터빈으로 동일 용량의 축류 터빈에 비해 터빈이 작아질 수 있다는 장점이 있으나 구조가 복잡하고 대용량에 적합하지 않다. 폭류 터빈은 양단에 발전기 2대를 설치하는 것이 특징이다. 2. 증기 흐름에 의한 터빈의 종류 1) 단류 터빈 터빈 내의 증기는 고압단으로 들어가서 저압단의 출구로 배출된다. 이렇게 1차실(케이싱) 내에서 단일방향으로 흐르게 설계된 터빈을 단류 터빈이라 한다. 2) 복류 터빈 터빈 내의 증기는 팽창함에 따라서 비용적이 증가하게 된다. 이 때문에 케이싱이 거대하게 되고 제작도 어려워지므로 압력이 낮을수록 케이싱의 수를 늘리지 않으면 안된다. 이러한 단점을 보완하기 위해 증기의 입구를 터빈의 중앙에 설치해서 증기가 양단의 출구로 배출되도록 설계한 터빈을 복류 터빈이라 한다. 3. 차실(케이싱) 수에 의한 터빈의 종류 1) 단실 터빈 차실(케이싱)이 하나로 된 터빈을 단실 터빈이라 하며 중, 소용량 터빈에 사용된다. 2) 다실 터빈 대용량의 터빈에서는 케이싱 하나로 증기를 수용하기가 어려우므로 케이싱을 2개 이상으로 분할해서 증기를 차례로 통과시키게 된다. 이러한 형식을 다실 터빈이라 하며 터빈 입구의 압력에 따라 고압 터빈, 중압 터빈, 저압 터빈으로 분류한다.