학문
현대 핵 에너지 발전소는 어떻게 작동하며, 핵 분열과 핵 융합의 원리를 활용하는 방식은 무엇인가요?
현대 핵 에너지 발전소는 어떻게 작동하며, 핵 분열과 핵 융합의 원리를 활용하는 방식은 무엇인가요? 핵 에너지 발전의 이점과 위험 요소에 대해서도 설명해주세요.
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안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다.
핵 분열 (Nuclear Fission): 핵 분열은 원자핵을 분리하여 에너지를 생성하는 과정입니다. 일반적으로 우라늄-235 (U-235)와 플루토늄-239 (Pu-239)와 같은 핵 연료를 사용합니다. 이러한 핵 연료에 중성자를 충돌시키면 핵 분열이 시작되고, 핵 분열 반응에서는 중성자가 방출되며, 더 많은 핵 분열이 연쇄적으로 일어납니다. 이 과정에서 방출되는 중성자는 다른 원자핵을 분열시키는데 사용됩니다. 분열 과정에서 방출되는 에너지는 열 에너지로 변환되어 수증기를 생성하고, 이를 이용하여 터빈을 회전시켜 전기를 생산합니다.
핵 융합 (Nuclear Fusion): 핵 융합은 원자핵을 합쳐 더 큰 원자핵을 생성하고 이로부터 에너지를 생성하는 과정입니다. 핵 융합은 태양과 같은 별에서 발생하는 자연 현상이며, 매우 높은 온도와 압력이 필요합니다. 핵 융합 반응은 보통 가장 가벼운 원자인 수소 원자핵 (프로톤)을 이용합니다. 수소 원자핵을 높은 온도와 압력에서 결합시키면 헬륨 원자핵이 생성되며, 이 과정에서 방출되는 에너지는 열과 광자 (빛) 에너지로 변환됩니다. 핵 융합은 높은 온도와 압력을 유지하기 위해 플라즈마 상태로 유지되는 장치가 필요하며, 현재까지 상용화된 핵 융합 발전소는 없지만 연구와 개발이 진행 중입니다.