물리 - 발전의 원리와 방식

[김동석]

물리 - 발전의 원리와 방식

전영석/한성과학고 교사
과학동아 2002년 4월	jhunys@hitel.net

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| KEY |
발전소에서 전기를 만드는 방식은 전자기 유도라는 물리적 현상을 이용한다. 코일이 회전할 때 주위에 영구자석이 있으면 기전력이 유도되는데, 코일을 회전시키는 동력을 어떻게 얻느냐에 따라 수력, 화력, 원자력 발전으로 발전방식이 구분된다.

| 필자소개 |
1988년 서울대 물리교육과를 졸업한 후 광남고, 영신고, 신림고를 거쳐 2001년부터 한성과학고에 근무하고 있다. 1997년 동 대학원에서 박사학위를 받았으며 그 후 ‘신나는 과학을 만드는 사람들’의 회원으로 활동하고 있다. 신나는 과학실험을 통해 학생들이 이리저리 궁리할 수 있도록 돕는 방법에 관심이 많다.

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문제 : 발전기와 전동기의 구조에 대해 설명해보세요.
답 : 자기장 안에 놓인 코일에 전류가 흐르면 코일이 힘을 받아 돕니다. 이런 원리를 이용한 장치가 전동기입니다. 그런데 이와 반대로 자기장 안에서 코일을 돌리면 전류가 흐릅니다. 물론 가운데 코일은 그대로 두고 둘레의 자석을 돌려도 마찬가지로 코일에 전류가 흐릅니다. 이런 원리를 이용한 장치가 발전기입니다. 이처럼 발전기와 전동기의 구조는 기본적으로 같기 때문에 전동기에 전류가 흐르지 않게 하고, 회전축을 힘껏 돌리면 전류가 발생하는 발전기가 됩니다. 우리 주위에서 쉽게 볼 수 있는 자전거 발전기도 속을 들여다보면 주위에 코일이 있고 가운데 있는 자석이 회전축과 연결돼 돌아가는 구조입니다. 자전거나 발전소의 발전기는 기본적으로 구조가 같습니다. 단지 자전거는 사람의 힘으로 바퀴를 회전시키지만 발전소에서는 수력이나 증기의 힘으로 터빈이라고 하는 큰 ‘물레방아’를 돌리는 점이 다릅니다.

문제: 그렇군요. 그럼 현재 전체 전력 공급량의 가장 많은 부분을 차지하는 화력 발전의 얼개와 그 장·단점에 대해 설명해보세요.

화력발전기의 내부모슴. 화력발전은 석유나 LMG,LPG등의 연료를 태워 물을 수증기로 만든 다음, 이 증기의 힘으로 터빈을 돌려 전기를 생산한다.

답 : 화력 발전소의 구조를 그림으로 간단히 그려보겠습니다. 보통 보일러에서는 열에너지를 만들기 위해 나무, 석유, 기름 또는 천연가스 등을 태웁니다. 보일러 위쪽에는 물이 든 파이프가 있어서 물이 끓어 증기로 되면 이 증기를 이용해 터빈을 회전시킵니다. 터빈은 선풍기의 날개처럼 생긴 날개를 많이 가지며 발전기와 연결돼 전기를 만들어냅니다. 터빈을 지난 증기는 냉각 탑으로 보내져 다시 물이 되며, 이 물은 보일러로 되돌아오고, 다시 보일러에서 가열돼 터빈을 돌립니다. 이런 화력발전소는 수력발전소에 비해 건설비가 싸고, 건설 기간도 짧아 그 동안 많이 세워졌습니다. 화력발전의 가장 큰 장점은 전력 수요에 맞춰 발전량을 쉽게 조절할 수 있다는 점입니다.

그러나 연료를 안정적으로 확보하기 어렵고 연료의 가격이 비싸며 환경오염의 원인이 되는 등의 문제점이 있습니다. 화력발전소의 연료로는 현재 가장 많이 쓰이는 석유 외에 LNG(액화 천연가스), LPG(액화 석유가스), 석탄과 석유 혼합연료 COM(석탄에 중유를 섞어 액체 상태로 만든 것) 등으로 폭을 넓혀가고 있습니다. 또한 연료를 태울 때 배출되는 이산화탄소에 의한 지구 온난화, 질산화물 때문에 생기는 산성비 등의 피해가 심각합니다. 이에 대한 해결책으로 좋은 연료를 사용하고 폐기물을 효율적인 방법으로 처리하려는 노력이 이뤄지고 있습니다.

문제 : 좋습니다. 그러면 이번에는 원자력발전에 대해 이야기해보세요.
답 : 원자력발전의 연료로 주로 우라늄을 사용합니다. 우리는 보통 ‘우라늄을 태운다’라는 말을 쓰는데, 우라늄은 석유나 석탄처럼 불타는 것은 아닙니다. 우라늄은 중성자라고 하는 입자를 흡수하면 둘로 나뉘면서 막대한 열에너지를 방출하고, 2-3개의 중성자를 방출합니다. 이 중성자를 그대로 두면 다른 우라늄 원자핵에 흡수돼, 잇달아 연쇄반응을 일으킵니다. 이것이 원자폭탄입니다. 하지만 원자력발전에서는 중성자의 일부를, 제어봉이라고 하는 장치를 써서 흡수시켜 반응이 급격히 일어나지 않도록 조절합니다. 원자력발전에서는 우라늄이 분열하면서 나오는 열로 물을 끓입니다. 물을 끓이는 방법이 다를 뿐 증기가 발생하고 난 후부터는 전기를 만드는 원리가 화력 발전에서와 같습니다. 우라늄을 분열시키는 장치를 원자로라고 하는데, 원자로에는 몇가지 종류가 있지만 세계적으로는 80% 이상이 물을 감속재(중성자를 감속시키는 것)로 쓰는 경수로 원자력발전 방식을 이용합니다. 원자력발전에서는 적은 연료로 대량의 에너지를 낼 수 있습니다. 우라늄 235의 1g 발열량은 화력발전에 쓰이는 석유 약 2천L에 해당합니다. 이같은 높은 열효율 때문에 전력공급의 많은 부분을 담당하고는 있지만 인체에 치명적인 방사선을 방출하기 때문에 다중 방호벽을 설치하는 등 안전에 세심하게 주의를 기울여야 합니다.

문제 : 수력발전소 중 청평발전소는 양수발전소입니다. 양수발전소가 무엇인지 설명해보세요.
답 : 양수발전은 발전소의 아래와 위에 저수지를 만들어 놓고, 심야나 풍수기(수량이 많은 시기)의 잉여전력으로 펌프를 가동해 아래의 저수지물을 위에 있는 저수지에 퍼올려 뒀다가 주간이나 갈수기에 전력수요가 많을 때 방수해 발전하는 방식입니다. 결국 양수발전이란 전력 사정이 좋을 때, 발전으로 생긴 여분의 전기에너지를 물의 위치에너지로 저장했다가 필요할 때 다시 전기에너지로 돌려 사용하는 방식입니다. 양수방식에 의하지 않는 수력발전의 연간 발전전력량은 자연유량으로 정해지는 값보다 크게 할 수 없으나, 양수방식에 의하면 유입되는 물의 양보다 큰 대규모의 발전을 할 수 있습니다.

문제 : 물을 높은 곳으로 퍼올리는 양수과정에 사용되는 전력량과 그 물을 써서 다시 발전할 때 생기는 전력량을 비교하면 어느 쪽이 더 많을까요?
답 : 양수발전에서는 양수과정에 사용했던 전력량이 100% 발전에 의해 재생되지 않습니다. 그렇기 때문에 양수과정에 사용했던 전력량이 항상 더 많습니다. 에너지가 어느 한 형태에서 다른 형태로 전환될 때는 효율이 100%로 될 수 없고 항상 열에너지로 전환되는 손실이 생깁니다. 따라서 물을 퍼올려 그 물로 발전하면 항상 퍼올린 에너지보다 발전량이 적습니다. 그럼에도 불구하고 양수발전소 건설이 세계적으로 증가하는 이유는 심야나 풍수기의 남는 에너지를 이용해 물을 퍼올리기 때문에 에너지를 저장할 수 있다는 이점이 있기 때문입니다.

문제 : 수력이나 화력, 원자력 발전 대신 대체에너지를 이용한 발전방법도 있다고 하는데, 대체에너지가 어떤 것이며 이들 발전방식이 아직도 기존 발전방식을 완전히 대체하지 못하는 이유는 무엇일까요?
답 : 대체에너지를 이용한 발전이란 조력발전, 파력발전, 지열발전, 풍력발전, 태양열발전 등 자연에너지를 이용한 발전을 말합니다. 이 방식은 환경에 미치는 피해가 적기 때문에 많은 나라에서 미래의 에너지로 사용하기 위해서 적극적으로 개발하고 있습니다. 그러나 에너지 효율이 낮고, 발전량에 비해 시설비가 많이 들어 비경제적입니다. 또한 자연환경의 영향을 많이 받기 때문에 적격지가 아니면 개발이 불가능합니다.

문제 : 그렇군요. 그럼 대체에너지 중 태양에너지를 이용한 발전방식에 대해 설명해보세요.

태양열발전은 태양빛을 모아 물을 끓여 전기를 발생시킨다.

답 : 태양에너지를 이용한 발전에는 태양열발전과 태양광발전이 있습니다. 태양열발전은 큰 거울 등으로 태양빛을 모아 물을 끊여서 발전하는 방식이고, 태양광발전은 태양전지와 같은 반도체 소자를 이용한 발전방식입니다. 언젠가 신문에서 본 기사에는 햇빛으로 지구에 도달하는 에너지를 모두 모으면 전세계 연료소비량의 1만2천배가 넘는다는 이야기를 본 적이 있습니다. 그러나 태양에너지는 넓은 지역에 흩어져 도달하기 때문에 이를 이용하려면 빛을 한 곳에 집중시켜야 합니다. 모여진 빛은 물을 끓이고, 이렇게 해서 생긴 증기가 커다란 물레방아를 돌리면 연결된 발전기에서 전기를 얻습니다. 한편, 태양광발전에서는 넓은 태양전지판에 태양광선을 비춰 거기서 생긴 전류를 조명이나 동력으로 이용합니다. 낙도나 해상 등 발전소에서 전력을 보내기 어려운 곳에서는 태양광발전만을 전원으로 하는 독립형이 이용됩니다. 독립형을 사용할 때는 야간에도 전기에너지를 사용하기 위해 값비싼 축전설비를 따로 마련해야 합니다. 태양광발전을 주된 발전원으로 사용하기 위해서는 출력 규모에 맞는 면적을 마련해야 하는 등 해결해야 할 문제가 많지만, 깨끗하고 운영비용이 적게 든다는 이점이 있습니다.

요 약
발전의 원리는 전자기유도다. 전기회로가 이루는 폐곡선을 통과하는 자기력선의 수가 변할 때, 회로에는 기전력(전압)이 생겨 전류가 흐른다. 이 원리가 전자기유도다. 발전기는 주위에 코일이 있고 가운데 있는 자석이 회전축과 연결돼 돌아가는 구조다.
주요 발전양식의 원리는 다음과 같다.

발전양식	원 리	에너지 전환
수력발전	댐을 건설해 물을 높은 곳에서 낮은 곳으로 내려보내 수차를 돌리고 여기에 연결된 발전기에서 전기를 얻는다.	위치에너지->운동에너지->전기에너지
화력발전	석유나 석탄 등을 연료로 증기를 만들어 터빈을 돌리고 여기에 연결된 발전기에서 전기를 얻는다.	화학에너지->열에너지->운동에너지->전기에너지
원자력발전	우라늄을 핵분열시켜 발생하는 열로 증기를 만들고 이 증기로 터빈을 돌리고 여기에 연결된 발전기에서 전기를 얻는다.	핵에너지->열에너지->운동에너지->전기에너지

또한 대체에너지를 이용한 발전도 미래형 발전방식으로 각광받고 있다.
· 태양열발전 - 태양복사에너지(열) → 운동에너지 → 전기에너지
· 태양광발전 - 태양빛 →태양전기(광전자) →전기에너지
· 풍력발전 - 바람의 운동에너지 → 운동에너지 → 전기에너지
· 조력발전 - 조수간만의 차이를 이용
· 파력발전 - 해수의 파동(파도)을 이용
· 지열발전 - 땅 속의 지열을 이용

관련단원
여러가지 발전양식과 관련해서는 공통과학의 전기에너지 단원에서 에너지 전환과정과 관련지어 다루며 발전의 원리는 물리 I과 물리 II의 전자기 단원에서 다룬다.


생각해볼 문제
1. 철수는 다음과 같은 자동차를 설계했다. ‘자동차의 바퀴가 구르면 바퀴에 연결된 발전기에서 전기에너지를 만들어 축전지에 저장한다. 이 전기에너지로 다시 바퀴를 굴리고, 또 전기에너지를 얻는다. 이렇게 해서 자동차가 계속 나아간다.’
이 자동차는 실현 가능할까?
2. 경제적·환경적 측면 등을 고려해 화력발전, 수력발전, 원자력발전의 장단점을 정리해보자.

심층코너
| 대체에너지를 이용한 미래형 발전방식 |
▷ 핵융합발전
지구에 쏟아지는 태양에너지를 이용한 발전은 태양열발전이지만, 태양 중심부에서는 핵융합과정을 통해 에너지가 생성된다. 태양뿐만 아니라 다른 모든 별에서도 핵융합 과정을 통해 빛이 방출된다. 태양의 중심온도는 약 1천5백만 °C 다. 또한 질량이 크기 때문에 중심에서의 압력도 대단히 높다. 태양을 비롯한 별들의 주요 구성원소는 수소인데, 태양에서는 수소의 원자핵(양성자)과 전자가 뿔뿔이 흩어져 균형을 유지한다. 이 상태를 ‘플라스마’라 한다. 고온·고압 상태의 수소는 원자핵끼리 서로 부딪혀 헬륨으로 변하면서 막대한 에너지를 발생한다.

‘미니 태양’이라고 할 수 있는 핵융합발전에서는 질량이 수소의 2배인 중수소나 3배인 삼중수소를 충돌시켜 에너지를 낸다. 중수소는 물에서, 삼중수소는 리튬에서 간단히 만들어 낼수 있어 연료는 풍부하다. 그러나 이 수소를 반응시키기 위해서는 태양의 내부에서와 같은 초고온·고압 상태를 유지해야 한다. 하지만 이런 고온에 견디는 원자로를 만드는 일은 어렵다. 대표적인 원자로는 옛소련에서 개발된 ‘토카막’이 있으며, 초고온의 원료물질을 자기장 속에 가둘 수 있다. 아직까지는 실험 단계이지만, 현재 우리나라를 비롯한 여러나라에서 연구 중이라 가까운 장래에는 거대한 에너지원이 될 지도 모른다.

▷ 지열발전

지열발전은 땅 속에 있는 고온의 마그마로부터 증기나 뜨거운 물을 얻어 발전하는 방법이다. 지열발전은 화산이 많은 지역에서 주로 이용되는데, 먼저 수백 또는 수천m의 우물을 판다. 이 우물로부터 고온의 건조증기를 얻고, 이 증기로 증기터빈을 회전시켜 전기를 만들어낸다. 우물로부터 분출하는 증기에 습기가 적으면 그대로 터빈으로 보내며, 뜨거운 물이 나오는 경우에는 물을 증발시켜서 보낸다.

지구의 중심온도는 약 3천9백°C이므로 저장에너지가 대단히 크다. 연료를 태워 발전하는 것이 아니므로 대기오염 등에 대한 걱정도 없다. 19세기 초부터 이탈리아에서 개발이 시작돼 이탈리아의 랄데렐로지역에서는 30만kW 이상의 전력을 생산한다. 이 밖에 뉴질랜드에서 약 20만kW, 미국에서 8만kW, 일본에서 2만kW를 발전한다.

지열발전에는 세가지 조건이 필요하다. 첫째 비교적 얕은 곳에 고온의 지층이 있는지, 둘째 여기에 다량의 지하수가 있는지, 셋째 마그마로 끓인 지하수를 저장할 수 있는지를 알아봐야 한다. 이 조건을 전부 만족시키는 땅은 의외로 적다. 그래서 마그마로 통하는 구멍을 파고, 물을 보낼 저수지를 인공적으로 만드는 방법이 개발됐다. 이같은 방식으로 지금까지의 지열발전보다 더 효율적인 전력생산이 가능하게 됐다. 지열발전은 화산이 많은 나라에 알맞지만 중심 발전으로 사용하기에는 아직 비용문제도 있어 실용적이지 않다.

▷ 풍력발전
사람들은 이전부터 바람의 힘을 동력으로 이용해 범선이나 풍차를 만들어 사용해왔다. 풍력발전에서는 풍차를 사용해 발전한다. 바람의 힘으로 풍차를 돌리고 연결된 발전기로 전기를 일으키는 구조다. 풍력으로 발전하려면 풍력발전기의 날개가 있는 높이에서 평균 초속 4m 이상의 바람이 불어야 한다. 따라서 풍력발전을 위해서는 바람이 많은 곳일수록 좋다.

바람이 많이 부는 장소는 나라마다 지역마다 특성이 있다. 우리나라의 경우는 해안이 설치하기 좋은 반면 산 속이나 계곡 등에 풍력발전기를 설치한 나라도 있다. 우리나라의 연간 평균풍속은 초속 4m가 되지 않는다. 하지만 바닷가, 섬, 산간지역의 경우는 풍속이 높아서 제주도를 비롯한 남해, 서해, 동해 그리고 대관령과 진부령 등의 지역은 풍력발전이 가능한 조건을 갖고 있다. 현재 우리나라에 풍력발전기가 설치돼 있는 곳은 바람이 많이 부는 전북 무안과 제주도 두곳이다.

▷ 조력발전
임진왜란 때 이순신 장군은 조류의 흐름을 이용해 왜군을 대파했다. 여기가 울돌목이라고 부르는 명랑해협으로 전라남도 해남과 진도 사이의 좁은 바다길이다. 이곳의 가장 좁은 부분은 폭이 2백93m이고 조류의 속력은 시속 26km다.

조력발전은 광대한 바다의 힘을 이용한 발전이다. 파력발전은 해수의 상하운동을 이용한 발전이지만 조력발전은 밀물과 썰물 때 파도의 움직임을 이용한다. 강 입구에 제방을 쌓고 밀물이 올 때는 수문으로 조수를 통과시킨다. 만조가 되면 수문을 닫아 댐을 만들고 썰물 때 수력 발전에서처럼 조수가 되돌아가는 힘으로 터빈을 돌려 발전한다.

조력발전은 풍부한 바다의 힘을 이용한 발전이지만 상당히 강한 조수의 힘이 필요하기 때문에 이상적인 건설지가 한정된다. 우리나라의 서해안은 조수간만의 차이가 크기 때문에 이 발전방식을 적용할 수도 있을 것이다. 한편 프랑스 북부의 랑스강에 있는 조력발전소가 출력 24만kW의 전력량을 만들어 송전하고 있지만 아직 실용단계는 아니다. 건설비와 안정적인 전력공급 등 풀어야 할 과제가 많다. 현재까지는 지역적인 발전에만 쓰여 새로운 에너지 발전방식으로는 조금 부족하다.

▷ 파력발전

파도가 칠 때, 물은 운동에너지를 가진다. 파력발전은 이 에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치다. 즉 바다 파도의 상하운동을 회전운동으로 바꾼 다음, 터빈을 돌려 발전하는 방법이다. 프랑스 리용에서 1910년 무렵부터 개발이 진행됐다. 규모가 큰 것으로는 1백25kW의 터빈을 8대나 보유한 실험선이 있다. 이 실험선은 파도가 오르내리면 공기의 압축과 팽창이 되풀이되는 공기터빈식을 도입했다. 파도가 올라가면 공기가 압축되고 내려가면 팽창한다. 이렇게 되면 공기의 흐름이 생기고 그 흐름이 터빈을 돌려 발전한다.

해양에너지는 풍부하기는 하지만 자연에 의존해야 하며, 에너지 효율성이 낮다는 결점도 있다. 이 때문에 이미 개발된 전력 공급장치나 전력 저장시스템을 조합해 주로 무인등대나 낙도에서의 발전을 목표로 계속 개발되고 있다.

▷ 해양온도차발전
해양온도차발전은 바다 표면과 깊이 7백-8백m 정도의 심해와의 온도차를 이용한 발전이다. 저온에서 끓는 매체인 암모니아와 프레온 등을 표면 근처의 20-30°C로 따뜻해진 해수로 증발시키고, 그 증기로 터빈을 돌려 발전한 뒤, 이 증기를 심해의 찬물로 식혀 액체로 되돌리는 과정을 반복한다.

무한정한 바다에너지를 이용하며 자원을 태우는 것도 아니어서 깨끗한 에너지순환이라고 할 수 있다. 또한 해수는 온도변화가 적어서 날씨에 의한 전력량의 차도 크지 않다. 그러나 최대 출력 5천-6천kW로 전력 출력량이 한정되고, 표면과 심해의 온도차가 20°C 이상이 돼야 하므로 어느 바다나 가능한 것이 아니어서 설치 장소가 한정된다. 가장 이상적인 곳은 적도 부근으로 주로 낙도 등에서 이용한다. 그러나 밀폐형이라고는 해도 매체로 사용되는 프레온이오존층 파괴 때문에 문제가 된다.

풍력발전 - 바람아 불어라

연료-폐기물 없는 청정에너지

신동호 기자
2001년 7월 19일	dongho@donga.com

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전세계적인 풍력 열풍 속에 마침내 우리나라에서도 지방자치단체와 외국투자회사가 대규모 풍력발전단지 조성에 잇따라 뛰어들어 돌풍을 일으키고 있다.

2000년 전세계 풍력발전시설용량은 100만㎾급 원전 17기에 해당하는 1730만㎾. 이 중 1282만㎾가 몰려 있는 유럽에서는 지난 6년 동안 시설용량이 매년 40%씩 증가해 현재 500만명에게 전기를 풍력으로 공급하고 있다.

풍력이 각광을 받는 것은 전력생산단가가 싸진데다 연료와 폐기물이 없는 청정에너지이기 때문이다. 풍력의 전력 1㎾h 생산단가는 80년대 초반 30센트에서 발전기의 대형화와 기술 발달로 2000년에는 4센트까지 떨어졌다. 이는 석탄, 석유 발전 단가와 비슷한 수준이다.

풍력발전량은 날개 길이의 제곱에 비례하고, 풍속의 세제곱에 비례한다. 따라서 발전기가 클수록, 바람이 강한 곳일수록 결정적으로 유리하다. 80년에 나온 날개 지름 10.5m짜리 풍력발전기가 26㎾의 전기를 생산하는 데 반해 요즘의 지름 54m짜리 풍력발전기는 1000㎾의 전기를 생산한다. 또한 풍속이 초속4m에서 5m로 늘면 전력생산량은 2배로 늘어나므로 입지가 매우 중요하다.

애초 우려했던 소음문제도 날개 설계 기술이 향상되면서 거의 해결됐다. 요즘 풍력발전기의 소음은 250m 떨어진 회전날개의 소리가 부엌의 냉장고 소음보다도 작다.

우리나라의 경우 70년대부터 섬을 중심으로 시작된 풍력발전기 보급이 잦은 고장 등으로 번번이 실패를 거듭해오다, 제주도가 중앙정부의 지원 아래 98년부터 상업운전을 시작한 행원풍력단지가 성공 가능성을 보이면서 풍력 열풍에 불을 댕기고 있다.

현재 행원풍력단지는 225~750㎾ 짜리 풍력발전기 9기를 돌려 2000여 가구에 전력을 공급하고 있다. 행원풍력단지가 생산한 전력은 ㎾h당 63원에 한전이 사들이고, 한전은 약간의 이익을 붙여 가정에 ㎾h당 74원에 팔고 있다. 건설비 등을 고려한 행원풍력단지의 전력생산원가는 ㎾h당 90원. 아직 적자가 분명하다.

하지만 산업자원부는 유럽처럼 풍력 등 대체에너지에 대해 적자분 만큼 정부가 보조금을 지급하는 획기적인 제도를 오는 9월부터 시행할 예정이다. 게다가 풍력발전기를 대형화하고 건설기간을 단축할 경우 생산원가가 선진국 수준(4센트, 약50원)까지 내려갈 가능성은 얼마든지 있다. 이처럼 주변 여건이 바뀌자 외국기업까지 한국의 강한 바람에 눈독을 들이기 시작했다.

강원도는 독일 라마이어 인터내셔널 등 2개 투자회사로부터 3억 달러를 끌어들여 대관령, 고성 신평지구 등에 대규모 풍력발전단지를 건설키로 11일 투자의향서를 체결했다. 전북도역시 올해부터 2005년까지 5기, 2010년까지 50기의 풍력발전기를 새만금 방조제에 건설할 예정이다. 인천시도 190억원을 들여 강화도 남단에 750㎾ 규모의 풍력발전기 14기를 2004년까지 조성할 계획이다.

한국에너지기술연구원 김건훈 박사는 "우리나라 풍력 발전 잠재력은 매우 커서, 5%만 개발해도 국내 전력수요의 14%를 충당할 수 있다"고 말한다. 이에따라 연구원 2006년까지 5052억원을 들여 연평균 초속 5m 이상의 강풍이 부는 제주 새만금 포항 영덕 대관령 태백 낙도 등에 29만㎾의 풍력설비를 갖추고 전력의 0.25% 공급하는 방안을 세워놓고 있다.

하지만 이는 풍력선진국인 덴마크와 독일의 풍력발전비율이 이미 13%와 2.5%인 것과 비교하면 훨씬 적다. 덴마크의 경우 풍력발전시설의 80%가 민간기업과 농민 등 개인이 운영하는 것이지만, 우리나라는 풍력발전이 정부 주도로만 진행되고 있다.

포항산업과학연구원 최재우 박사는 "우리나라의 풍력 보급이 늦어진 것은 기업이 뛰어들지 않았기 때문"이라며 "유럽의 풍력발전 보조금 같은 제도가 도입되면 지방자치단체뿐아니라 기업이나 농가도 풍력발전기 설치에 나설 것"이라고 내다보았다.



김동성 제주도 에너지관리 담당 사무관

올 봄 포항에 건설된 높이 40m,날개 지름 47m의 660kW급 풍력발전기. 사진제공 포항산업과
학연구원

국내 최초로 풍력발전기를 상업운전 중인 제주도 행원풍력단지. 2000여 가구에 전기를 공급
할 수 있다. 사진제공 제주도청

풍력발전기는 클수록 경제적이다. 지난해 독일 그레벤브로이치에 건설된 2500kW급 세계최대
풍력발전기는 높이가 80m, 날개 지름이 80m나 된다.

원자력 발전의 부싯돌

중성자

홍대길 기자
과학동아 1999년 6월	heart@donga.com

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중수로를 사용하는 월성 원자력발전소

우리나라 최초의 원자력발전소는 1978년 4월 29일 가동된 고리 1호기다. 부산시 기장군에 세워진 이 원자력발전소는 58만7천kW의 전력을 생산하면서 원자력에너지시대를 개막했다. 그후 20여년 동안 우리나라에는 모두 14기의 원자력발전소가 들어섰으며, 전체 발전량의 약 41.7%( 9만GWh)를 담당하고 있다.

원자력발전소에는 어디든 커다란 돔만 있을 뿐 굴뚝이 보이질 않는다. 그래서 모양만 보면 이곳이 에너지를 생산하는 곳인지 좀처럼 가늠할 수 없다. 석유나 석탄을 태워 에너지를 얻는 화력발전소의 모습에 길들여진 까닭이다. 밤낮으로 연기를 뿜어대는 굴뚝이야말로 화력발전소의 전형이었다. 그렇다면 원자력에너지는 어떻게 얻고, 발전소 돔 안에는 무엇이 있을까.

모든 물질은 원자로 이뤄져 있다. 또한 원자는 여러 개의 중성자와 양성자로 구성된 핵과 전자로 이뤄져 있다. 그런데 중성자로 원자의 핵을 때리면 핵이 분열하면서 엄청난 에너지를 쏟아낸다. 아인슈타인의 질량 에너지 변환공식(E=mc2)에 따라 생기는 에너지다. 이 원리를 이용해 에너지를 얻는 것이 바로 원자력에너지다

원자력에너지를 얻는 원자로 안에는 3개의 중요한 요소가 들어있다. 핵연료, 감속재, 제어봉이 바로 그것이다. 그리고 부싯돌로 중성자를 쓴다.

핵연료로 사용되는 우라늄은 스스로 핵분열을 일으키는 방사성원소이다. 그런데 중성자로 우라늄핵을 때리면 핵분열이 더욱 쉽게 일어난다. 또 핵분열과정에서 생겨난 중성자들이 남은 우라늄핵을 다시 때리기 때문에 연쇄반응에 의해 생기는 원자력에너지는 엄청나게 크다. 1g의 우라늄이 핵분열할 때 나오는 에너지는 3t의 석탄을 태울 때 얻는 에너지와 같다고 한다.

감속재의 역할은 중성자의 속도를 느리게 해 우라늄핵과 잘 부딪힐 수 있도록 하는 것. 중성자의 속도가 느려지면 우라늄핵 속에 머무는 시간이 늘어나기 때문에 그만큼 우라늄핵과 부딪힐 확률이 높아진다.

흔히 원자력발전소의 원자로를 일컬어 ‘경수로’니 ‘중수로’니 하는 말을 많이 듣는다. 이것은 감속재로 사용하는 물의 종류가 경수(보통의 물)인지 중수인지에 따라 구분하는 말이다. 고리, 영광, 울진에 있는 원자력발전소는 경수로를, 월성 원자력발전소는 중수로를 사용하고 있다.

한편 우라늄핵과 중성자가 너무 활발하게 반응을 일으키는 것도 좋지 않다. 원자로가 과열되기 때문이다. 이를 막기 위해 원자로 안에는 제어봉이 들어있다. 카드뮴으로 만든 제어봉은 중성자를 흡수해 핵분열이 과도하게 일어나는 것을 막는다. 또 유사시에는 원자로 중심부에 떨어뜨려 핵반응을 멈추게 할 수 있다.

알고보면 원자력발전은 부싯돌로 사용하는 중성자를 어떻게 다루느냐가 생명이다. 중성자는 원자핵을 구성하는 요소이면서, 전하를 띠지 않기 때문에 전하를 띤 원자핵 내부를 출입할 수 있는 유일한 열쇠이다. 핵분열은 중성자의 속도가 느릴수록, 그 수가 많을수록 잘 일어난다. 이를 적절하게 조절하는 것이 원자력발전의 노하우인 셈이다.

일단 핵분열에 의해 에너지를 얻게 되면 이를 이용해 전기를 얻는 과정은 화력발전소와 같다. 물을 데워 증기를 만들고 이를 이용해 터빈을 돌리면 전기가 발생한다.