원자력 발전소의 원료는 무엇인가요?
원자력 발전소
현재 사용되는 연료로는 우라늄 235를 농축시킨 농축 우라늄[1]과 천연 우라늄등을 사용한다. 현재는 플루토늄을 우라늄과 같이 혼합한 혼합 산화물 연료(MOX 연료)가 시험 중에 있다.
노심
원자력 발전소에서는 이처럼 각 원자로의 노심 특성에 따라 다양한 구성재들을 서로 보완하여 사용하면서 조금이라도 더 안전하고 효율적인 노심을 만들기 위해 노력하고 있다.
냉각재
냉각재(冷却材, )는 핵분열 과정에서 발생한 열에너지를 흡수 및 운반하여 증기를 발생시키고, 증기의 운동에너지를 발전기의 터빈으로 전달해 터빈이 돌아가면서 전기에너지가 만들어지게 하는 열매체이다. 또한 핵연료에서 생산된 과도한 에너지를 외부로 배출하여 핵연료봉의 용융을 방지하고 원자로가 과열되지 않게 식히는 역할을 한다. 핵분열 반응 결과 뜨거워진 노심을 적절히 냉각하지 않으면 원자로가 파손될 위험이 있기 때문이다. 냉각재는 원자로에서 발생하는 열을 흡수하여, 열교환기를 거치면서 외부로 전달하는 역할을 한다.[1]
한전원자력연료
한전원자력연료(韓電原子力燃料, , KEPCO NF)주식회사는 원자력 연료의 국산화와 원자력 연료 주기 기술 자립을 위하여 1982년 설립한 대한민국 유일의 원자력 연료 설계 및 제조 전문 회사로 산업통상자원부 산하의 기타공공기관이다. 국내 경수로 전호기의 안전 해석 (냉각재 상실 사고 및 비냉각재 상실 사고), 경수로 핵연료 설계 및 제조, 설계 기술 관련 자립화, 중수로 연료 개발 등 원자력 관련 기술 연구 개발의 중심에 있는 기관이다. 1989년부터 원자력 연료 생산을 시작한 이래 세계에서 유일하게 경수로용 원자력 연료와 중수로용 원자력 연료를 생산하고 있는 회사로서, 연간 경수로 연료 550톤-U, 중수로 연료 400톤-U 등을 생산하여, 대한민국의 경수로 원자력 발전소 20기, 중수로 원자력 발전소 4기에 필요한 연료 전량을 공급하고 있으며, 동 회사가 공급한 연료에서 대한민국 총 발전량의 약 40%에 달하는 전력을 생산하고 있다. 기관장은 정상봉 소재지는 대전광역시 유성구 대덕대로989번길 242 (덕진동)이다.
화력 발전소
천연가스를 연료로 하는 화력 발전소에서는 천연가스를 가공해서 사용한다. 몇몇 화력 발전소에서는 천연가스를 보조 연료로 사용하기도 한다.
원자로
다음은 대부분의 원자력 발전소에서 쓰이고 있는 주요 구성요소들이다.원자로의 종류로는 사용하는 냉각재와 감속재에 따라 가압경수로, 가압중수로, 비등수형 원자로, 흑연로 등이 있으며, 연쇄반응에 작용하는 중성자에 따라 열중성자로와 고속중성자로 등이 있다. 또한 사용 목적에 따라 전력생산을 목적으로 하는 원자력발전로, 잠수함이나 항공모함의 동력으로 이용되는 원자력동력로, 연구‧시험‧개발‧교육 목적의 연구시험로 등이 있다.
원자력
원자력(原子力, )이란 방사성원소의 원자핵 붕괴(방사선 붕괴 포함) 또는 원자핵의 질량 변화에 의해 방출되는 에너지를 동력자원으로 활용하는 경우를 말하며, 일반적으로 핵분열과 핵융합 과정을 통해 에너지를 생산하는 방식이 알려져 있다. 핵에너지라고도 한다.
원자력이 처음 규명된 이후 군사(핵무기), 의학(방사선 치료기), 발전(전기 생산), 가속기(과학적 연구), 산업(비파괴 검사) 등 다양한 분야에서 이용되고 있으며, 그 중에서도 가장 널리 이용되고 있는 분야가 발전이다.
중성자 감속재
원자로에서 연료로 사용되는 U는 0.025 eV의 에너지를 지니고 있는 열 중성자와 잘 반응하며, U는 0.5 MeV의 에너지를 가진 중성자와 잘 반응한다. 그러나 U가 핵분열을 하게 되면, 고속중성자를 배출하게 되며, 고속 중성자는 U과 반응을 하게 되고 U과는 반응을 하지 않게 된다. 그래서 연료의 연쇄 반응을 좀더 활발하게 하기 위해서 중성자의 속도를 떨어뜨리는 물건을 필요로 하게 되고, 이 물건을 가리켜 감속재라고 지칭한다. 현재 사용되고 있는 거의 모든 원자로는 이 열 중성자를 이용한 원자로이다. 고속중성자로 혹은 고속로의 경우, 노심 밖의 블랭킷 연료인 U을 Pu로 변경시켜 연료로 사용하기 때문에 고속로의 경우에는 중성자 감속재가 존재하지 않는다. 일반적으로 감속재는 원자번호가 낮은 원소 및 그 화합물이 사용된다.
핵연료 주기
연료봉에 쓰이는 금속은 원자로의 디자인에 따라 결정되는데, 예전엔 스테인레스 스틸을 사용하였지만, 대부분의 원자로는 지르코늄합금을 사용한다. 비등수형 원자로와 가압수형 원자로는 연료봉을 다발로 묶어서 장전하는데, 이 연료다발을 연료 집합체라고 부른다.
원자력선
원자력은 차폐시설의 중량을 빼고도 대형이고 항속거리가 긴 선박용 동력에 적합하다. 평화목적으로는 대형탱커·여객선·광석운반선·포경모선·해양조사선·쇄빙선으로 이용되며, 군사적 이용으로는 항공모함, 전략 핵잠수함등이 이에 해당한다. 이 함선들은 가압수형 원자로를 사용하며, 작은 크기에도 많은 힘을 얻기 위해 20%이상 농축된 고농축 우라늄을 사용한다.열교환기에 의해 증기를 만들고 이 증기로 주기관인 터빈을 돌리는 구조로 되어 있다. 1954년에는 최초의 원자력선인 노틸러스(SSN-571 Nautilus)호가 미국에서 건조되었다. 미국의 제2호 원자력잠수함 시울프(Seawolf)호는 액체 나트륨을 사용하는 고속 증식로가 설치되어 있지만, 그 밖에는 거의다 가압수형 원자로를 사용하고 있다. 구소련에서는 1959년에 세계최초의 해상 원자력선인 쇄빙선 레닌호를 완성시켰다. 이것은 10만km(지구 2바퀴 반)를 항해하는 동안에 연료를 한번 교환한 기록을 가졌으며, 열출력 9만㎾인 가압수형 원자로 3기를 싣고 있다. 그 밖에 미국에서는 1962년 화물선 서배나(Savannah)호가 건조되었다. 원자력선에 사용되는 원자로는 크기·무게·차폐 등에서 육상의 것보다 엄격한 구조상의 제약을 받는다.
대한민국의 원자력 발전
동일한 가압경수로형인 미국 스리마일 아일랜드(TMI) 원자력발전소 사고 시에는 내부 수소폭발이 발생하였지만, 견고하고 큰 원자로 격납건물은 사고 기간 중의 압력상승 등을 견뎌 환경으로 방사성물질 방출을 소량으로 제한하였다. 대한민국 원자력 발전소의 원자로 격납건물은 120센티 두께의 철근 콘크리트로 설계되었다.
핵무기
핵무기(핵폭탄, 원자폭탄)와 원자로는 모두 우라늄의 핵분열에서 나오는 에너지를 이용한다. 천연우라늄에는 여러 가지 동위원소가 있는데, 이 가운데 대표적인 것인 우라늄-235와 우라늄-238이다. 천연우라늄의 약 0.7%를 차지하는 우라늄-235는 스스로 핵분열이 가능한 반면, 천연우라늄의 약 99.3%를 차지하는 우라늄-238은 스스로는 핵분열이 불가능하다. 그리고 핵분열 반응의 재료에 스스로 핵분열이 가능한 우라늄-235가 얼마나 포함되어 있느냐에 따라, 핵분열 반응이 원자력발전에 이용되기도 하고 무기개발에 이용되기도 하는 것이다.
국제 원자력 사고 등급
핵연료 가열 원인은 노심에서 생성되는 붕괴열이다. 정상적이라면 냉각수가 붕괴열을 제거하지만, 냉각수 공급이 이루어지지 않으면, 원자로 내부의 냉각수 수위가 낮아지고, 핵연료봉 상부가 노출되기 시작한다. 원자로 노심의 열을 충분히 제거하지 못하면, 핵연료봉의 온도가 상승하여 피복재의 용융 및 파손이 일어나게 된다. 중대사고 시 발생하는 주요 현상들로는 노심 용융, 용융물 풀 형성 및 재배치, 고압용융물 분출, 격납건물 직접가열 및 파손, 수소 폭발, 노심용융물과 냉각수 반응, 노심용융물과 콘크리트 반응 등이 있다.
핵연료
이 종류의 연료는 연료가 냉각재 역할을 맡기도 한다. 이 연료는 용융염 원자로 시험과 액체 토륨불화물 원자로와 같은 다른 액체노심 원자로 실험에도 사용되었다. 용융염은 리튬, 베릴륨, 토륨과 우라늄 불화물의 혼합체인 LiF-BeF-ThF-UF (72-16-12-0.4 mol%)로 되어 있다. 용융염의 최고 운전온도는 705 °C 이나, 용융염의 끓는점인 1400 °C 까지 온도를 올릴수 있다.
원자력 발전소
원자력발전소는 원자로와 터빈발전기 등의 핵심시설이 배치된 하나의 대형 구조물과 외부의 보조시설로 구성된다. 가압경수형 원자력발전소는 원자로격납건물, 원자로보조건물 및 터빈건물로 이루어진 발전소 건물과 외부의 보조시설인 복합건물, 수처리건물, 비상발전기건물, 취수건물 및 냉각수 보관탱크들로 구성된다.
후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고
하지만 결국, 원자로 1-3호기는 모든 냉각수가 증발하면서 3월 12일 노심 온도가 섭씨 1200도까지 상승하였다. 제1방호벽인 펠렛과 제2방호벽인 피복관이 고온으로 인해 녹아 내렸고, 제3방호벽인 20cm 두께의 철제 원자로 압력용기(Reactor Pressure Vessel)도 녹아 내리면서 구멍이 뚫렸다. 이로 인해 핵연료가 공기 중에 확산되기 시작하였다.[2]. 핵연료에 있는 지르코늄이 1,200도를 넘으면, 반응을 일으켜 수소를 내놓는데, 이 수소가 격납용기내 수증기와 함께 고온고압을 유지하게 되었고, 12일 1호기, 14일 3호기에서, 15일 4호기에서 수소폭발을 일으켜 격납용기를 손상시켜서 방사능의 대기 유출이 시작됐다.[3]
노심 용해
원자력 발전은 자발적으로 핵분열을 일으키는 물질을 연쇄 핵분열을 일으킬 수 있는 농도로 농축시킨 후 거기서 생산되는 열을 전기에너지로 변환시키는 과정이다. 대표적으로 우라늄-235를 농축시켜 사용한다. 원자로의 중심부인 노심에는 핵연료 물질이 펠렛 형태로 피복관에 싸인 연료봉 형태로 주입되고, 이 연료봉은 냉각수 등 냉각재와 핵분열을 감속시키는 제어봉에 의해 적절한 압력과 온도로 제어된다.
원자력 발전소
원자력 발전소</b>의 원자로는 크게 3종류가 있으며, 핵융합로를 제외한 열반응로와 증식로가 현재 발전에 사용되고 있다.
핵폭발
모든 물질은 그 물질 고유 특성을 그대로 가진 최소단위인 원자 집합체이며, 원자는 각각 다른 특성을 가진 103종의 원소들 중 몇 개로 결합된 입자이다. 핵폭발의 원료로 쓰이는 우라늄, 플루토늄, 코발트는 원소의 한 종류이다. 핵폭발은 재래식 폭발과 달리 원자핵내의 반응에 따라 다른 원자핵이 생성되면서 발생하는 현상이다. 우라늄(U)의 원자핵에 가속된 중성자를 충돌시키면 분열하면서 높은 에너지와 더불어 감마선 등의 방사선과 평균 2개의 중성자가 방출된다. 이 2개의 중성자가 다시 다른 원자핵에 충돌하는 연쇄반응이 핵분열 반응이다. 히로시마에 사용된 핵연료는 우라늄(U)이고, 나카사끼에서는 플로토늄(PU)가 사용되었으며 둘 다 모두 순수한 핵분열탄으로 원자폭탄이다. 반면에 삼중수소와 중수소의 두 개의 원자핵이 모여 하나의 무거운 헬륨 원자핵을 만드는 핵융합을 이용한 것은 수소폭탄이다.
노심 용해
노심 용해(爐心鎔解, ) 또는 원자로 용해(原子爐鎔解, ) 는 원자력 발전소에서 사용되는 원자로의 노심에 있는 핵연료가 과열이나 이상으로 인해 내부의 열이 급격히 상승하여 연료 집합체 또는 노심 구조물이 녹아내리거나 파손하는 것을 가리키는 현상이다. 노심 용융(爐心鎔融) 또는 노심 융해(爐心融解) 라고도 한다. 최악의 경우로는 원자로 압력 용기나 원자로 격납 용기, 원자로 그 자체가 파손되어 방사성 물질이 주위에 확산되는 경우도 있다.
원자로
원래 천연우라늄에는 1%정도의 분열가능한 U가 포함되어 있고, 몇몇 원자로들은 이 U를 농축시킨 연료를 필요로 한다. 농축우라늄은 U의 양을 좀 더 늘리는 것으로, U를 농축시키는 데는 보통 기체 확산법과 원심분리기법(U-235와 U-238의 무게차이를 이용한 방법), 레이저 확산법등을 사용한다. 농축과정이 끝나고 우라늄은 우라늄 이산화물(UO) 가루로 전환하여, 펠릿 틀에 집어넣고 압력과 열을 가한다. 이렇게 만들어진 펠릿은 가느다란 튜브에 집어넣는데, 이 튜브를 가리켜 연료봉이라고 부른다. 원자로에는 여러 개의 연료봉을 묶은 연료집합체가 들어가게 된다.
리튬
Li는 원자력 발전소에서 붕소의 동위 원소 중 하나인 B와 중성자의 핵반응을 통해서도 소량이 생산된다.
핵연료
비등수형 원자로의 연료는 가압수형 원자로와 비슷하지만, 연료 집합체가 밀봉되어 있다는 점이 제일 다르다. 비등수형 원자로의 경우엔 얇은 튜브가 각각의 연료 집합체를 둘러싸고 있다. 이렇게 하는 가장 큰 이유는 국지적인 보이드 계수를 억제시켜, 중성자 전달과 더불어 노심안의 물의 열역학에 영향을 주기 위해서이다. 현대적인 비등수형 원자로의 연료 집합체의 경우엔 제작사에 따라 91, 92, 96개의 연료봉이 들어가게 된다. 보통 노심에는 최소 368개에서 최대 800개까지 집어넣기도 한다. 비등수형 원자로의 연료봉의 경우 가압수형 원자로처럼 헬륨으로 차여있는데, 헬륨의 압력은 대기압의 3배인 300 kPa이다.
영변 IRT-2000
이 원자로는 소련으로부터 연료를 공급받지 못해서, 지금은 단지 갑상선암을 방사선 치료하는데 쓰이는 Iodine-131을 생산하는데나 가끔씩 운용되고 있다. 경수를 감속재로 사용하는 2메가와트급 원자로에는 우라늄 농축도가 80%나 되는 핵연료를 사용하였다.
제어봉
원자로의 반응도를 제어하는 다른 방법으로는 화학적 독물질(chemical shim)이 있는데, 이것은 냉각재에 중성자를 잘 흡수하는 물질을 섞어 놓은 것으로, 대표적으로 붕산(H₃BO₃)이 있다. 제어봉에 비해 반응속도가 느려서 장기적인 반응도를 제어하려는 목적으로 쓰이고, 노심 전체에 균일하게 분포되므로 원자로 내의 중성자 분포를 균일하게 유지할 수 있다.
비등수형 원자로(BWR)는 원자로의 정지 및 출력제어에 사용되는 제어봉 설계에서 다른 원자로와 특히 구별된다. 즉, 가압수형 원자로(PWR)의 제어봉 집합체는 원자로 위에 있어 노심 상부에서부터 삽입되지만 비등수형 원자로(BWR)는 원자로 상부에 증기분리기 등이 있기 때문에 제어봉 집합체는 원자로 하부에 있으며; 노심 하부에서부터 고압의 유압계통에 의해 삽입된다. 또한, 비등수형 원자로(BWR)에는 Torus 또는 Suppression Pool이 존재하는데, 이는 원자로나 원자로 재순환 계통으로부터 많은 양의 증기가 방출되는 사고가 발생하였을 때 방출된 열을 제거하는데 사용된다. 체르노빌 원자력 발전소에는 200개의 제어봉이 있었다.
화력 발전소
석유를 연료로 하는 화력 발전소에서는 석유를 탱크안에서 가열시켜 석유가 굳어버려 펌프질하지 못하는 상태가 되지 않도록 만든다. 석유는 보통 보일러의 분사노즐로 들어가기전에 100 °C 정도로 가열돼서 들어가게 된다.
흑연감속 비등경수 압력관형 원자로
일반적인 RBMK의 노심에는 3000개의 연료 집합체를 넣을 수 있다. 연료집합체는 우라늄 산화물 펠릿으로 가득찬 연료봉의 집합으로 되어 있으며, 밑부분에는 연료봉의 버팀목과 적당한 거리를 유지시켜 주는 금속 받침대로 구성되어 있으며, 노심은 연료집합체에서 끌어낸 열 에너지를 잠시 저장해두는 역할을 하고 있다. 원자로가 가동하면, 연료속의 U가 연쇄반응을 내면서 줄어들게 된다. 몇몇 U원자들은 여분의 중성자를 얻어 분열가능한 플루토늄으로 변화하여 에너지를 낸다. 이 반응으로 세슘이 생성되며, 이런 세슘은 연쇄반응과 열생산을 저해시킨다. RBMK는 운전중 연료교환이 가능하여, 다른 원자로에 비해 가동률을 높일 수 있다.
RBMK의 디자인은 정상 운전, 그리고 비상시 상황에 필요한 몇몇 안전 시스템이 있다. 그중 하나는 노심 출력을 감시하는 피드백 센서로, 출력이 증가할시 자동적으로 제어봉을 노심에 삽입하여 출력을 낮추고, 반대로 출력이 낮아질시엔 제어봉을 인출하여 출력을 높인다. 만약 이 센서가 갑자기, 과격하게 출력이 오르는걸 감지하면, 211개의 붕소 제어봉이 노심으로 들어가 반응을 중단하는 원자로 보호 시스템이 있다. 이 시스템은 필요로 하거나, 혹은 운전원에 의해 자동적으로 실행된다.
마그녹스
마그녹스(Magnox)는 원자로 형식중의 하나로, 영국에서 핵무기급 플루토늄생산과 발전용으로 쓰려고 개발한 원자로이다. 마그녹스라는 이름은 원자로 안에 집어넣은 연료봉의 피복재로 쓰인 마그네슘 합금에서 따왔다. 이 원자로 설계는 오래되었기 때문에 현재 영국의 원자력 발전소들은 마그녹스를 마그녹스에서 유래한 개량 가스냉각로(Advanced Gas-cooled Reactor, AGR)로 바꾸려는 계획을 세우고 있다. 2005년 영국에서는 마그녹스 발전소 4기가 여전히 운행중이고, 모두 2010년경에 폐로할 계획이다.
화력 발전소
일반적인 화력 발전소에서, 보일러에서는 순도가 높은 고온 고압의 증기를 증기 터빈으로 보내어 발전기를 돌린다. 원자력 발전소에선 가압수형 원자로의 경우엔 열 교환기인 증기 발생기에서 맡고 있으며, 비등수형 원자로의 경우 원자로에서 물을 끓인다. 화력 발전소에서는 이코노마이저, 증기 드럼, 증기발생 튜브와 과열기가 있으며, 안전 밸브가 곳곳에 있어서 보일러 압력을 조절한다. 공기와 배기가스를 조절하기 위하여 통풍기, 공기예열기, 통풍 촉진용 송풍기, 집진기(정전기식 집진기 혹은 필터를 이용한 집진기)와 굴뚝이 있다.
핵연료
TRIGA 연료는 TRIGA(Training, Research, Isotopes, General Atomics) 원자로에서 사용하는 핵연료이다. TRIGA 원자로는 우라늄-지르코늄 수화물(UZrH)를 사용하는데, 이 연료는 음의 피드백 효과로 인해, 노심의 온도가 올라가면 반응도는 줄어들게 되어 노심용융이 일어나지 않도록 한다. TRIGA 원자로는 중성자를 많이 방출되개 설계하여, 실험에 사용될 수 있게 만들어져 있다. TRIGA 연료는 원래는 고농축 우라늄을 사용하도록 디자인되어 있지만, 1978년 미국 에너지성에서 연구용 원자로의 농축도를 낮추게 되어, 저농축 우라늄으로 가동되고 있다.
원자력 발전 정책
원자력안전법에 의한 발전소의 설치에 관한 사용전검사, 가동중 발전소의 정기검사, 품질보증검사, 특정핵물질(국제규제물자 중 핵물질)의 계량관리검사, 주재관 일상검사 및 특별검사 등이 있다. 그리고 2014년 11월 동 법 시행령을 개정하여 도입한 안전 관련 설비의 공급자 등 검사가 있다. 이 외에도 원자력시설 등의 방호 및 방사능 방재대책법에 의한 물리적 방호검사, 사업자의 방사능재난 예방·확산방지·수습 조치에 관한 검사, 방사능재난 대응시설과 방사능방재 교육 및 훈련에 대한 검사가 있다. 
핵연료
종종 원자로의 연료로 선택되는 질화물 연료는 미 항공우주국에서 개발된 연료이며, 이 연료의 장점 중 하나는 일반 UO에 비해 열효율이 좋다는 점이다. 또한 질화물 연료는 녹는점이 매우 높다. 그러나 이 연료의 단점으론 N이 사용된다는 점이다(보통 일반적인 질소는 N임). 그러나 C을 방사선으로 핵변환 시키면 많은 양의 N을 얻을수 있다. 질소를 사용하는 연료의 경우 비싸기 때문에, 파이로프로세싱을 이용하여 N을 회수할 수 있다. 일반적으로 핵연료 재처리를 할 때 질산으로 핵연료를 녹이는데, 질화물 연료의 경우에는 연료가 잘 녹게 하기 위해서 일반적인 N을 집어넣어 N의 함량을 엹게 만들어준다.
발전소
원자력 발전소는 1995년 현재 전 세계에서 500개소 이상이 가동 중이며 가장 많은 양의 전기를 생산하는 발전소이다. 프랑스의 경우 전체 전기의 70% 이상을 핵발전소에 의존하고 있다. 그러나 스리마일 섬 원자력 발전소 사고와 체르노빌 원자력 발전소 사고, 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 같은 대형 핵발전소 사고이후 부작용에 대한 반대여론이 확산되고 있다.
핵연료
핵연료는 무거운 원소가 포함되어 있어, 이 원소가 핵분열로 인한 연쇄 반응을 통해 에너지를 생산한다. U과 Pu이 주로 쓰인다. 핵연료를 사용하기 위해 채광, 정제, 사용, 처분까지 걸리는 과정을 통틀어 핵연료 주기라고 말한다.
원자력 발전소
19세기 들어서면서 원소의 주기율표와 원자모형에 대한 이론이 발전하면서 물질의 구조에 대한 과학적 지식이 축적됐다. 이와 더불어 핵분열 전후에 발생하는 원자핵의 무게 차이, 즉 결손된 질량만큼 에너지가 발생하게 되는걸 발견하게 된다. 핵분열 에너지의 원리가 밝혀지자 원자력 관련 기술 개발에 불이 붙게 되었다.
원자로
대부분의 원자로에서는 천연 우라늄(99.2745%는 우라늄 238, 0.72%는 우라늄 235, 0.0055%는 우라늄 234)보다 우라늄 235를 좀 더 농축한 농축 우라늄(2~4%)을 연료로 쓴다.
원자력
1990년대에 들어서면서 경제성과 안전성을 더욱 향상시킨 3세대 발전소가 등장하였다. 대한민국은 1971년 미국의 웨스팅하우스사로부터 가압경수로를 도입하여 원자력발전을 시작하는데, 이를 개량하여 2011년부터 가동하기 시작한 OPR-1000(한국표준원전, KSNP(Korea Standard Nuclear Power Plant))도 3세대 발전소에 해당한다. 현재 3세대+ 발전소가 개발되어 있으며, 세계 각국은 지속성, 안전성, 경제성, 핵비확산성을 획기적으로 발전시킨 4세대 발전소를 개발 중에 있다.
혼합 산화물 연료
1961년~1968년까지 조사시험을 하고 여러종류의 MOX 연료를 시험하였으나 상용화하지는 않았다가, 2005년 미국 에너지부는 민간 회사 듀크 에너지사가 운영하는 카토바 원전 1호기에 MOX 연료를 장전하는 것을 허가했으며, 프랑스 아레바가 생산한 MOX 연료를 수입해 장전하였다. 듀크 에너지는 카토바 원자력 발전소와 맥과이어 원자력 발전소의 4개 원자로에 MOX 연료를 사용할 계획이다. 이 사업은 미국 클린턴 대통령과 러시아 옐친 대통령이 핵무기 감축을 논의하는 과정에서 추진된 정책으로, 핵무기의 플루토늄을 상업용 원자로에서 발전용 연료로 연소해, 영구적으로 플루토늄을 제거하는 것이다.
원자력
1951년 미국 아이다호주에서 실험용원자로 EBR-1을 이용한 세계 최초의 원자력발전이 시작되었고, 1954년 구소련의 오브닌스크 원자력발전소도 원자력발전을 개시했다. 뒤를 이어 1956년 영국의 콜더홀 발전소가 상업용 원자력발전을 시작했고, 1957년에는 미국이 원자력잠수함에 적용하던 원자력발전 기술을 개량해 가압경수로 방식의 시핑포트 원자력발전소를 건설해 상업 발전을 시작하였다. 이 시기에 지어진 원자력발전소를 1세대 발전소라고 한다.
화력 발전소
석탄을 연료로 하는 화력 발전소에서는, 먼저 석탄을 작게 조각 낸 다음에 저탄기로 보낸다. 저탄기에 저장된 석탄은 분쇄기에서 고운가루로 만들어서 공기 가열기에서 나온 고온의 공기를 이용하여 보일러로 불어넣는다.
재처리 플루토늄
핵 발전 중 U이 원자로 안에서 중성자와 반응하면 Pu로 변화한다. 핵 발전에 쓰이는 우라늄은 U이다. 하지만 U은 천연 우라늄 속에 90%이상 들어있기 때문에 원자력 발전소에서 핵 분열 과정을 거치다보면 자연스럽게 Pu가 만들어진다. 연료봉 속에는 U가 2~4% 정도 포함되어있다. 반응을 거치고 나면 U가 0.6%, Pu가 0.9% 정도 남게 된다. 반응후 원자로에서 배출된 물질을 재처리해서 Pu만 걸러내야 한다. 이렇게 얻어진 플루토늄을 재처리 플루토늄이라 한다.
화력 발전소
대부분의 화력 발전소는 석탄을 주 연료로 사용한다. 탄광에서 캐낸 가공되지 않은 석탄은 트럭이나, 바지선, 석탄선 혹은 철도로 운반된다. 일반적으로 철도로 운반될시에는 모든 화차를 석탄수송으로 바꾸어놓는다. 석탄은 도착해서 크기별로 위치된다. 화차에서 석탄을 내릴때 로터리 덤퍼 혹은 틸트 덤퍼가 컨베이어 벨트로 운반한다. 석탄은 일반적으로 분쇄기에서 6mm크기로 분쇄된다. 분쇄된 석탄은 컨베이어 벨트로 보내지게 된다. 일반적으로 분쇄된 석탄은 불도저를 이용하여 압축되며, 이런 압축은 석탄의 자연발화를 막아준다.
원자력 발전 정책
원자력발전소는 우라늄과 같은 핵분열 물질을 사용하므로, 원자로와 일부 계통 및 구조물이 방사능에 오염되어 있다. 그러므로 수명이 다한 원자력발전소는 사람과 주변 환경에 영향을 주지 않도록 안전하게 해체하는 대책이 요구된다. 원전 해체는 영구정지-해체준비-제염-절단·절거-폐기물처리-환경복원의 6단계로 진행되며 최소 15년 이상 소요된다. 한국은 트리가마크 2와 3의 연구용 원자로를 해체한 경험이 있으며 고리 원자력발전소 1호기를 2017년 영구정지 시키고, 2022년 6월까지 해체 계획을 세운 뒤 해체하기로 결정하였다.  
플루토늄 동위 원소
원자로에서 우라늄-235가 중성자를 먹고 우라늄-236이 된 후 이것이 중성자를 2개 흡수하여 생성된다.
플루토늄-238은 1kg당 567W의 에너지를 내뿜기 때문에 원자력 전지의 원료가 된다.
하지만 원자로내에서는 Pu와 Pu도 섞여 있기 때문에 반드시 분리해야 하며, 동위원소 분류법으로 분리되어야 되기 때문에 가격도 비싸므로 일반 원자로 재처리에서는 뽑아내지 않는다.
대신 실험용 원자로에서 플루토늄-238이 잘 생성될 수 있는 동위체인 우라늄-236이나 넵투늄-237을 우라늄-235와 섞어서 만든 연료를 태운후에 얻는다.
대한민국의 원자력 발전
실적원가는 일정기간 동안(통상 1년) 원자력발전을 위해 발생된 비용을 동일기간에 생산한 전력으로 나누어 구한 값이다. 발전소 건설비는 적용되는 회계기준에 따라 일정하게 배분되고, 발전량은 전력계통의 운영, 발전기의 고장정지율에 따라 변동[4]되므로 kWh당 표시되는 고정비가 다르게 배분된다. 또한 발전기의 운전상태에 따라 발전효율이 변하고, 연료비도 변동된다. 따라서 실적원가는 매년 달라진다. 최근 유가급락으로 가스와 석유발전 비용이 역전된 것이 그 예이다. 실적원가는 발전회사 내부자료로 관리되며 일반에게는 발표되지 않는다.
에너지 개발
화석 연료는 과거의 식물 또는 동물들의 잔해물이 분해되어 만들어진 석탄이나 탄화수소 연료를 태워 얻어진다. 주로 쓰이는 화석 연료에는 크게 세 가지: 석탄, 석유, 천연 가스가 있다. 또다른 화석 연료인 액화 석유 가스 (LPG)는 주로 천연 가스를 생산하는 과정에서 얻어진다. 화석 연료를 태워 얻은 열 에너지는 직접 난방 또는 공정 가열에 사용되거나, 기계 에너지로 전환시켜 차량, 산업 공정, 발전기 가동에 사용된다.
KSTAR
예를 들면, 한국의 4곳의 핵분열 원자력 발전소는 연간 750 톤의 농축 우라늄과 천연 우라늄을 사용해 전기를 생산한다. 이 750 톤의 우라늄 원료가 에너지로 바뀌는 과정에서 손실되는 질량을 E=mc²공식에 넣어 계산하면 연간 5㎏에 불과하다. 5㎏의 우라늄이 사라지면서 1년간 쓰는 전기 에너지로 변환된다.
가압수형 원자로
가압수형 원자로(加壓水型原子爐, ), 가압 경수로는 압력을 가한 물을 냉각재와, 중성자 감속재로 쓰는 원자로이다. 이 원자로의 이름은 내부 냉각수 순환계통에서는 물에 압력을 가해서 물이 끓지 않도록 만든 데에서 비롯되었다. 가압수형 원자로는 전 세계에서 가장 보편화된 원자로로서, 230개 정도의 원자로는 전력 생산에 쓰이고 몇 백 개의 원자로는 해군 함정을 추진하는 용도로 사용된다. 우리나라에서는 월성원자력발전소를 제외하고 고리, 한빛, 한울 등 모든 원전이 가압경수형 원자로를 쓰고 있다.
원자력
핵분열로 생긴 중성자를 이용하여 어느 세대의 처음에 있었던 중성자 수에 대하여 그 세대의 마지막에 있는 중성자 수의 비, 즉 증배계수가 1이 되는 임계상태를 지속적으로 유지할 수 있도록 연쇄반응을 조절, 운전하는 장치가 원자로이다. 다시 말해서 원자로는 우라늄(U), 플루토늄(Pu), 토륨(Th) 등이 핵분열성 물질을 연료로 사용하여 그 핵분열의 연쇄반응을 제어하면서 에너지를 끄집어 내거나 강한 중성자원을 만드는 장치이다.
용융염 원자로
몇몇 종류의 용융염로는 매우 효율적이다. 노심과 1차 계통은 압력이 낮으며, 얇은 재질로 건설가능해 가격도 싸고 비싼 용접을 하지 않아도 된다. 그래서 두꺼운 압력용기를 쓰는 일반 경수로보다 더 가격이 싸다는 장점이 있다. 또한 몇몇종류의 용융염을 연료로 사용하는 토륨 증식로는 메가와트대비 핵분열성 물질이 다른 원자로에 비해 매우 적으며, 농축공정이나 연료집합체를 사용할 필요가 없어서 가격적으로도 경쟁력이 있다. 또한 높은온도로 가동할 수 있기 때문에, 높은 경제성과 수소를 생산하거나 다른 화학적 반응에도 사용할 수 있다. 이런 점 때문에 용융염로는 4세대 원자로중에 포함되었다.
우라늄
자연에서 발견되는 우라늄 원자 중에서 가장 풍부한 우라늄 원자는 우라늄-238이며, 99.2742%를 차지한다. 그 다음이 원자력 발전소의 원료와 핵폭탄 제조에 많이 쓰이는 우라늄-235이며 0.7024%를 차지한다. 우라늄-235는 유일하게 핵분열을 할 수 있으며, 천연에서 매우 적은 비율을 차지하기 때문에 정련하여 옐로케이크라는 우라늄-235가 많은 농축우라늄을 만들어 낸다.
방사성 폐기물
핵연료 주기는 자연에 존재하는 우라늄 또는 토륨 자원이 핵연료로 원자로에서 이용되고, 원자로에서 방출된 다음 폐기물로 처리, 처분될 때까지의 전 과정을 가리킨다. 핵연료 주기는 간단히 세 단계로 나눌 수 있다.
첫 단계는 프론트엔드라고 부르며 우라늄 광석을 핵연료로 만드는 과정이다. 이 단계에서는 우라늄 광석을 채굴하여 우라늄을 옐로 케이크 형태로 만든 후 육불화우라늄(UF₆)으로 전환한다. 그리고 우라늄 농축공장에서 필요한 농도의 농축우라늄을 만든다. 그 다음에는 육불화우라늄(UF₆)을 이산화우라늄(UO₂)으로 전환하여 핵연료로 가공한다.
두 번째 단계는 서비스 기간이라고 부르며 핵연료를 원자로에서 사용하는 단계이다. 먼저 원자로에 장전된 핵연료는 핵분열 핵 연쇄 반응을 일으키며, 이 때 발생하는 에너지를 이용하여 전력을 생산한다. 그리고 원자로에서 방출된 사용후 핵연료는 고온과 방사선을 방출하므로 온도 및 방사능 수준을 충분히 낮추기 위해 일정기간 수중에서 냉각시켜야 한다.
마지막 백엔드 단계는 이미 사용한 연료를 안전하게 보관 및 관리하는 단계이다. 먼저 사용후 핵연료를 재처리 또는 직접 처분을 하기 전에 수중 또는 옥상에서 일정기간 저장하며, 이를 중간저장이라고 한다. 핵연료 중 일부는 재처리되고 일부는 최종 처분되는데, 사용후 핵연료를 재처리 할 경우 회수하는 플루토늄 혹은 우라늄은 핵연료로 재사용하고 나머지 방사성폐기물은 고준위 방사성폐기물로 유리화되어 최종 처분되기 전까지 중간저장된다. 최종처분이라 함은 사용후 핵연료 혹은 고준위 방사성폐기물을 깊은 지층 속에 매장하는 것이다.
연료를 재처리하지 않는 핵연료 주기를 가리켜 "열린 연료주기"라고 부르며 핵연료를 재처리하면 "닫힌 연료주기"라고 한다.
프론트엔드에서 발생하는 방사성 폐기물은 주로 우라늄 추출 과정에서 발생하며 알파선을 방출한다. 폐기물의 주성분은 라듐과 라듐의 붕괴생성물이다. 채굴과정에서 이산화우라늄(UO₂)에 의해 생기는 방사능은 건물에 사용되는 화강암에서 발생하는 방사능의 천배정도에 불과하며 그리 강하지 않다. 옐로케이크(U₃O₈)를 정제해서 이산화우라늄(UO₂)을 만들고, 그 다음에는 육불화우라늄(UF₆)으로 전환시킨다. 육불화우라늄(UF₆)은 기체상태이며, 농축과정을 통해 U-235의 비율을 0.7%에서 4.4%까지 올린다. 이를 저농축우라늄이라고 하며, 그러고 나서 원자로에 들어가는 연료를 만들기 위해 단단한 세라믹 산화물(UO₂)의 형태로 바꾼다.
농축과정에서 발생하는 대표적인 부산물은 열화 우라늄으로, 우라늄-235의 비율이 0.3%보다 낮으며 UF₆ 혹은 U₃O₈의 형태로 저장시킨다. 열화 우라늄은 플루토늄과 함께 혼합 산화물 연료를 만드는데 쓰인다.
핵연료주기의 백엔드에서 발생하는 방사성 폐기물은 주로 이미 사용된 연료봉에서 나오며 베타선과 감마선을 방출하는 핵분열 생성물들로 이루어져 있다. 뿐만 아니라 우라늄-234, 넵투늄-237, 플루토늄-238, 아메리슘-241등의 악티늄계열은 알파 입자를 방출한다. 심지어 중성자를 직접 방출하는 캘리포늄도 가끔 포함되어 있다. 이러한 동위원소들은 원자로에서 생성된다. 한 번 사용 된 핵연료는 방사성이 강한 핵분열 생성물들을 포함하고 있다. 이들 중 상당수는 중성자 흡수체로 중성자 독이라고 불리기도 한다. 이들이 중성자를 많이 흡수하면 제어봉이 완전히 제거되었다고 하더라도 원자로의 핵 연쇄 반응이 중단된다. 이러한 상황이 되면 원자로 속의 연료가 아무리 많은 양의 우라늄-235나 플루토늄을 함유하고 있다고 하더라도 새로운 핵연료로 바꿔야 한다. 미국에서는 사용후 연료를 따로 재활용하지 않고 단순히 저장해놓으며 러시아, 영국, 프랑스, 일본, 인도 등의 국가에서는 사용후 연료를 재처리를 통해 재활용한다. 핵연료 재처리는 사용후 연료에서 중성자 흡수체인 핵분열을 제거하는 과정으로 이 과정에서 고방사성 폐기물들의 농도는 더 높아진다.
사용후 연료를 효과적으로 처리하기 위해서는 연료 주기에서 나오는 장반감기 방사성 폐기물을 처리하는 것이 아주 중요하다. 지금까지 알려진 바로는 어떤 연료가 원자로에 공급되었냐에 따라 사용후 연료에 있는 안티늄 계열 원소의 성분과 장반감기 방사성 폐기물의 양이 달라진다. 토륨이 포함되어 있는 핵연료에서 이러한 현상이 잘 드러난다. 토륨을 포함한 연료를 사용하게 되면 폐기물로 우라늄-233이 생기게 되는데 그 이유는 토륨-232가 중성자 포획 반응과 두 번의 베타 붕괴 를 거쳐서 우라늄-233을 만들어낸다. 우라늄-233은 우라늄-235나 플루토늄-239와 같이 연쇄반응을 일으켜 원자로 연료로 중요하다. 게다가 토륨-우라늄 혼합연료의 경우 사용후 연료의 발생량이 기존의 우라늄 핵연료의 70% 이하이며, 방사성 독성이 센 초우라늄원소(넵튠, 플루토늄, 아메리슘, 큐륨 등)들 또한 절반 이하 밖에 생성되지 않는다.
원자로급 플루토늄 연료, 무기급 플루토늄 연료, 혼합 산화물 연료와 우라늄-233 사이의 상호작용의 오른쪽 그래프에 나와 있다. 원자로급 플루토늄 연료와 무기급 플루토늄 연료에서 생성되는 우라늄-233는 대략 100만년 정도 지나야 사라진다. 반면 혼합 산화물 연료의 경우 발생되는 우라늄-233 의 양은 매우 적다. 이 이유는 원자로급 플루토늄 연료와 무기급 플루토늄 연료는 토륨을 포함되고 있기 때문이다. 결국 토륨-232의 포함 유무에 따라서 사용 후 연료의 반감기가 달라진다고 할 수 있다.
원자로
원자로 안에 들어간 U와 U는 핵분열 과정에 사용된다. U는 열 중성자를 흡수, 분열을 하게 되며, 반대로 U는 고속 중성자를 흡수하여 U로 변하게 된다. U는 곧 방사성 붕괴를 일으켜, Pu로 변하게 된다. 넣은 연료(U)보다 더 많은 연료(Pu)를 만들어내는 고속증식로에서는 이 Pu를 사용해서 발전을 하고 있다. 플루토늄 239는 실용적인 연료일 뿐 아니라, U-235와는 달리, 열중성자나 고속 중성자나 다 잡아서 분열해버리기 때문에 U 보다 더 좋은 연료로 평가받고 있다.
녕변 원자력 연구소
녕변 원자력 연구소는 1963년 6월, 2메가와트급인 IRT-2000 스위밍풀형원자로(SPR)를 설치, 1965년까지 운용하였다. 이 원자로는 소련으로부터 연료를 공급받지 못해서, 지금은 단지 갑상선암을 방사선 치료하는데 쓰이는 Iodine-131을 생산하는데나 가끔씩 운용되고 있다. 흑연을 감속재로 사용하는 5메가와트급 원자로는 우라늄 농축을 전혀 하지 않은 핵연료를 사용하지만, 경수를 감속재로 사용하는 2메가와트급 원자로에는 우라늄 농축도가 80%나 되는 핵연료를 사용하였다.
고체 로켓 부스터
19세기말에 니트로글리세린이 발견될 때까지는 다양한 조성의 흑색화약이 유일한 추진제 원료였다. 질산칼륨이 니트로글리세린의 산화제이며, 황과 숯이 연료로 사용되었다. 로켓모터에서 흑색화약은 연소실압력과 조성(대표적인 무게비：질산칼륨 75％, 숯 15％, 황 10％)에 따라 50~70초의 비충격을 발생시킨다. 화약의 불꽃온도는 약 800~1,600℃이며, 혼합물은 연소실압력이 7㎏/cm 이하일 때도 순조롭게 연소된다. 생성 가스의 부피는 원래 장약 부피의 약 400배이다. 니트로 폭발물이 등장함에 따라 고온 가스를 순조롭고 재생가능하게 얻을 수 있는 새로운 가능성이 생기게 되자 보다 높은 연소 온도와 압력에 적합한 모터 설계의 변화가 필요했다. 니트로셀룰로오스를 바탕으로 한 로켓 추진제는 단일바탕(singl-base) 추진제로 알려져 있다. 니트로셀룰로오스와 니트로글리세린의 혼합물은 2중바탕(double-base) 추진제로 알려져 있다.
후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고
노심용해가 발생한지 4일만에 1호기에서는 내부의 증기가 누출되었으며 2011년 3월 16일에 냉각 작업이 시작되었다.[4] 2호기도 연료 노출 및 격납용기 파손, 노심용해가 발생하였다.[4] 3호기에서도 증기 누출이 발견되었고, 노심 용융이 발생하였다[4]. 이로 인해 1~3호기의 핵연료가 바닥으로 낙하하였다[5]. 12일에는 1호기, 14일에는 3호기에서 수소폭발이 발생하였다. 도쿄전력은 14일 원자로 냉각을 위한 해수주입을 시작했다.[6] 2호기는 14일 오후 8시, 3호기는 13일 오후 9시에 노심 온도가 2800도까지 급상승하여 노심용융이 시작되었다. 이후 냉각수 유출 및 지하수 오염으로 인한 방사능 누출이 시작되었다
플루토늄
원자로에서는 238U 이 중성자를 포획해 239U 가 되고, 그것이 베타 붕괴해 239Np가 되고, 239Np가 다시 베타 붕괴해 239Pu가 생긴다.(원자로 내에서는 다른 플루토늄 동위원소도 다수 생성될 수 있다.) 238U은 천연 우라늄의 대부분을 차지하고 있으므로 239Np와 239Pu도 위의 과정을 통해 생성되어 극미량이 천연에도 존재한다. 또 동위원소 중에서는 가장 긴 약 8000 만 년의 반감기를 가진 244Pu도 극미량이지만 천연에 존재한다. 플루토늄은 핵무기의 원료나, 플루서멀(Plu-thermal) 발전에 있어서의 MOX 연료로서 주로 사용되고, 인공위성의 전원인 원자력 전지로서 사용된 적도 있다.
흑연감속 비등경수 압력관형 원자로
RBMK는 경수를 냉각재로 감속재로 흑연을 사용하며, 연료로는 천연우라늄을 사용할 수 있으며(일반적으로 2.4%의 농축우라늄을 사용한다), 압력관 갯수만 늘리면 원자로를 크게 만들수 있고, 또한 운전중 연료교체가 가능하기 때문에 운전성이 높다는 장점이 있다. 그 대신, 다른 원자로 유형에 비해 불안정하다는 단점이 있다.
원자로
핵분열을 상당기간 동안 지속하려면 핵연료를 핵분열 유지에 필요한 임계량보다 더 넣어야 하는데, 이때 초과되는 양을 제어하고, 원자로의 출력을 조절, 비상 시 원자로를 정지하기 위한 장치로, 제어봉과 가연성 독봉(burnable poison rod), 가연성 독물질(냉각수에 섞어서 사용) 등이 있다. 또한 핵분열 시 발생하는 열을 흡수하여 수증기를 만들어 터빈으로 전달하는 매체를 '냉각재'라고 하는데, 경수로에서는 주로 물을 사용하며, 고온가스로에서는 헬륨을, 용융염원자로에서는 용융염(molten salt)을, 고속로에서는 액체금속 상태의 나트륨을 사용한다.
VVER
VVER은 가압수형 원자로로써, 연료봉은 15 MPa의 압력을 받고 있는 물안에 잠겨있어서 220도에서 300도사이의 온도를 끌어낸다. 원자로는 무거운 압력용기에 감싸져 있다. 연료는 저농축(2.4–4.4% U) 우라늄 산화물(UO)으로 펠릿으로 만들어져 연료봉에 장전하게 된다.
현대 과학
하지만 1979년의 미국 스리마일 섬의 원자력 발전소의 방사능 누출 사고 이후 안전성 문제와 엄청나게 비싼 건설 비용 때문에 원자력 발전소의 건설이 여러 나라에서 현저하게 줄어든 것이 사실이다. 원자력 발전의 문제로는 우선 핵분열 반응에서 연료로 쓰고 남은 찌꺼기 우라늄 광석의 방사능 반감기가 수억 년이라는 것이다. 인간 문명의 역사도 겨우 수천 년에 불과한데 이보다 더 오랜 기간 핵폐기물 방사능이 누출되지 않도록 안전하게 보관한다는 것은 매우 난감한 문제이다. 이보다 더 심각한 문제는 핵 반응로는 1기당 원자 폭탄의 원료가 될 수 있는 플루토늄을 매년 수백kg을 부산한다는 것이다. 미국에서만 매년 40개의 원자 폭탄을 만들 수 있는 양의 플루토늄이 부산되고 있으며, 원자 폭탄 제조 기술은 이제 도서관에서도 찾아볼 수 있을 정도여서 민간단체나 테러기관이 원자 폭탄을 제조할 가능성까지 우려되고 있는 실정이다.
원자로
천연 원자로는 우라늄이 풍부한 퇴적층에 범람한 물이 중성자 감속재 역할을 하는 모양으로 되어 있으며, 천연원자로에서 강력한 연쇄 반응이 일어나면, 물은 연쇄반응에서 발생한 열 때문에 증발해버리고 감속재가 사라진 원자로의 출력은 다시 내려가서, 노심용융을 예방하였다. 이 핵반응은 100년에서 1,000년 정도 지속된 것으로 추정하고 있다.
핵연료
미국이 계획하고 있는 세계원자력에너지파트너십(Global Nuclear Energy Partnership, GNEP)은 사용후 핵연료를 재처리하여 나온 플루토늄을 핵연료로 사용하는 방면을 찾기위한 국제적인 파트너십이다. 현재 미국에서의 상업적인 핵연료 재처리는 핵확산 문제로 인해 현재 하지않고 있다. 또한 현재 일본을 제외한 재처리 공장을 갖고 있는 국가들은 군사용 원자로를 오랜기간동안 가지고 있던 국가들이다.
현대 과학
수소를 이용한 핵융합 에너지는 핵분열보다 훨씬 효율적이고 방사능 폐기물을 배출하지 않으며 원료인 수소를 바다로부터 무제한적으로 얻을 수 있다는 장점이 있다. 하지만 핵융합 에너지 발전소 건설에는 천문학적 건설 비용이 소요되고 기술적 문제가 산적해 있다. 따라서 모든 원자력 기술은 버터를 자르는 데 전기 톱을 이용하는 것과 같다 고 비유되기도 한다.
핵연료 주기
토륨연료주기가 이점이 있지만, 현재 대부분 핵연료에 사용하는 방사성 동위원소는 우라늄 235(U), 우라늄 238(U), 플루토늄 239(Pu)가 쓰인다. 몇몇 원자로의 보조 감속재로 쓰이는 토륨은 지각에서 우라늄보다 3배(U의 550배) 풍부하지만, 현재 탐사가 부족해 산출자원이 적다. 토륨은 특정국가, 특히 인도에서 우라늄보다 많이 분포한다.
한울원자력발전소
2007년 1월 ~ 4월 사이 배수구 해조류(진지리)에서 인공 방사성핵종인 니오븀-95(95Nb)가 검출되었다. 또한 방사성 은(Ag-110m)이 발전소 배수구에서 1992년 이후 20년째 발견되었다. 방사성 은은 원자로의 연료봉에 사용된 은이 방사화되어 만들어진 물질로, 원전의 중대사고 발생 시 흔히 발견되는 핵종이다.
원자력 발전소
세계원자력협회(WNA, World Nuclear Association)와 국제원자력기구(IAEA)에 따르면, 2017년 1월 현재, 전 세계 30개국에서 가동 중인 원전은 449기로 총 발전용량은 약 392GWe이고 건설 중인 원전이 60기, 향후 건설 계획 중인 원전이 164기이다.[12]
대한민국의 원자력 발전
대한민국 원자력발전소와 일본 후쿠시마 원자력발전소의 차이점은 첫째 원자로 종류이다. 대한민국의 원자력 발전소는 대부분 분리, 폐쇄형 설계구조인 가압경수로인 반면, 후쿠시마 원전은 일체형 구조인 비등경수로이다.
사용후핵연료
또한 핵분열을 통해 쪼개지며 생성된 원소를 핵분열 생성물이라 하며, 중수로 사용후핵연료의 경우 약0.8%, 경수로 사용후핵연료의 경우 5.6%를 차지하는데 초기 열 및 방사선 발생의 대부분을 유발한다. 그리고 사용후핵연료 내에는 아직도 연소되지 않고 남아 있는 대부분의 우라늄과 새로이 생성된 플루토늄을 함유하고 있어 이를 회수하여 다시 사용하는 방안이 논의되고 있다.
핵융합 발전
핵융합발전을 실현하려면 몇 가지 해결해야 할 문제가 있다. 먼저 핵융합발전에 필요한 원료인 중수소나 삼중수소를 확보하는 것인데, 이 원료들은 바닷물에서 무한정 구할 수 있다. 그 다음 문제가 되는 것은 수천℃의 온도로 가열해 만든 플라즈마 상태의 수소원자핵을 고주파를 이용해 1억℃ 이상의 초고온 상태로 만드는 것이다. 두 개의 원자핵을 융합하려면 원자핵 사이에 존재하는 쿨롱힘(coulomb force)에 의한 반발력을 이겨낼 수 있는 환경이 조성되어야 하는데, 이를 위해서는 대략 10℃보다 높아야 중수소와 삼중수소가 플라즈마(plasma) 상태로 바뀌어 핵융합 반응이 자연적으로 발생하기 때문이다. 하지만 그렇게 높은 온도를 견디는 구조물 만들 수 있는 재료물질이 없다. 지구상의 물질 중 1억℃나 되는 온도를 견딜 수 있는 물질은 존재하지 않기 때문이다. 따라서 플라즈마가 자기적 성질을 띠는 점을 착안하여, 도넛 구조의 전자기물질을 통해 형성된 인공자기장에 플라즈마를 가두고 에너지를 생산하는 토카막(Tokamak) 실험장치가 개발되고 있다.
대한민국의 원자력 발전
우리나라는 전력의 수출 및 수입이 불가능한 고립계통 국가이다. 해마다 전기를 생산하기 위해 에너지의 42.5%를 투입한다. 최종 소비되는 에너지의 약 20%가 전기인데, 그 중 원자력이 약 30%를 차지한다. 즉, 원자력은 우리가 사용하는 에너지의 대략 12%를 공급하고 있다. 원자력발전은 기술·자본 집약적인 전원으로 발전비용 중 연료비 비중이 5～7%에 불과하여 ‘준국산에너지’로 부르기도 한다.
가압수형 원자로
원자로냉각재계통은 원자로 1기에 2~3개의 증기발생기를 연결한 순환유로로 구성되어 있다. 그리고 각 순환유로에는 1~2개의 원자로냉각재펌프가 달려 있다. 모든 형태의 원자력발전소에는 1기의 가압기가 설치되는데, 그 용량은 출력에 비례하며, 원자로 출구 쪽 고온관 배관에 밀림관(surge line)으로 연결되어 있다. 가압기 상부에는 급격한 압력상승에 대비해 원자로냉각재계통의 압력경계를 유지하기 위한 안전밸브와 방출밸브가 설치되어 있다.
핵연료 주기
원자로 노심에는 노심의 셀 안에 수백 개의 연료 집합체가 일정한 간격으로 배열되어 있으며, 이 셀을 연료봉 혹은 제어봉이 둘러싸고 있으며, 셀 주위엔 감속재와 냉각제가 있는데 대부분의 원자로는 감속재와 냉각제로 물을 사용한다.
원자력 발전소
1960년대 초반 천연우라늄을 사용하는 캔두(CANDU) 원자로를 독자기술로 개발하여, 자국에 22개의 원자력발전소를 건설하여 이중 19기를 현재 운영하고 있으며, 인도, 중국 등의 신흥국 시장에 활발히 수출하고 있다.
핵연료
원자력 전지와 방사성 동위원소 전지는 방사성동위원소의 붕괴로 전력을 생산하기에 설명이 상호교환될 수 있다. 여기서 사용되는 방사성 동위원소는 낮은 에너지의 베타 입자 혹은 각기다른 에너지의 알파 입자를 방출한다. 낮은 에너지의 베타 입자는 제동복사로 인해 관통력이 높은 높은 에너지를 방출하기 때문에 이를 위해 차폐벽이 강력해야 한다. 현재 방사성 동위원소중 삼중수소, Ni, Pm, Tc등이 실험되었으며, Pu, Cm, Cm, Sr이 현재 사용되고 있다.
기장 수출용 신형 연구로
전기를 생산하는 발전용 원자로는 통상 우라늄-235(U-235)가 5% 이하로 농축된 연료를 사용하는 데 비해, HANARO 같은 경우 19% 이상인 농축 우라늄을 사용하고 있다. 기장 수출용 신형 연구로는 세계최초로 우라늄 몰리브덴 판형 핵연료를 사용할 계획이다. 판형 핵연료는 농축도가 20%인 저농축 연료지만 우라늄 밀도가 높고 출력이 높은 기술로 평가받고 있다.
화력 발전소
화력 발전소는 석탄, 원자력, 지열(지열 발전), 태양열과 쓰레기 소각, 천연 가스, 바이오매스를 열원으로 사용한다. 천연 가스는 일반적인 보일러에서의 연소뿐만 아니라 가스 터빈을 사용하여 발전을 하기도 한다. 가스 터빈에서 나온 폐열은 복합 화력 발전소에서 효율을 극대화 시키는데 사용된다.
대한민국의 원자력 발전
원전은 발전비용 중 고정비의 비중이 높고, 변동비의 비중은 아주 낮다. 따라서 정격용량으로 계속 가동하는 것이 경제적으로 유리하고, 운전의 안정성도 향상된다. 그러나 전체 전력시스템에 원자력이나 재생에너지 발전용량이 증가할수록 안정적인 계통운영이 어려워진다. 원전과 재생에너지는 경직전원이다. 또한 재생에너지는 간헐전원이기도 하다. 유럽, 일본, 미국의 일부 지역에서는 이미 재생에너지 발전량이 전력수요를 일시적으로 넘어서는 현상이 발생하고 있다. 이런 상황에서는 재생에너지 발전을 일시적으로 중단하거나, 전력망이 연계된 경우라면 전력을 외국으로 수출하는 방식으로 대처할 수 있다. 반대로 원전이 갑자기 고장나거나 재생에너지 발전이 중지되면, 빠른 시간 내에 대응할 수 있는 설비가 필요하다. 그렇지 못하면 전력수급에 차질이 발생한다. 이를 대비하여 백업전원이나 ESS(energy storage system, 에너지저장시스템) 등이 필요하다. 하지만 일정수준 이상의 원전이나 재생에너지 확보는 추가비용 발생의 원인이 된다.
핵연료
핵융합 연료는 삼중수소(H)와 중수소(H), 그리고 헬륨-3(He)이 있다. 이를 제외한 다른 원소들도 핵융합이 가능하나, 이들 원자핵의 전기적 전하가 강하기 때문에 이들 원소보다 더 높은 고온이 필요하게 된다. 현재 가벼운 원소를 이용한 핵융합이 미래의 에너지 원으로 진지하게 고려되고 있다.
원자로
중성자 감속재로는 주로 경수(74.8%의 원자로들이 채택), 고체 흑연(20%의 원자로들), 중수(5%의 원자로들)등이 사용된다. 몇몇의 연구중인 원자로들은 베릴륨, 탄화 수소들을 중성자 감속재로 사용하며, 또한 이외의 다른 가능성들을 실험중이다.
대한민국의 원자력 발전
체르노빌의 경우 핵연료의 출력 발생을 위해 흑연을 사용하는 흑연감속비등경수형 원자로로서, 사고 당시 원자로의 고온에 의해 야기된 흑연 발화에 의한 원자로 폭발이 있었으며, 원자로 격납건물이 취약하여 방사성물질을 포함한 폭발 비산물이 직접 환경으로 확산되었다.
원자력 발전소
원자로 격납건물: 두꺼운 철근콘크리트 건물로, 내부의 정중앙에는 원자로가 위치한다. 만일의 사고 시 방사성 물질의 외부 누출을 방지하는 최후방벽 역할을 한다. 원자로 용기: 핵연료를 장전하여 연쇄적인 핵분열반응이 일어나도록 하는 탄소강 재질의 금속 압력용기이다. 증기 발생기: 원자로에서 전달된 열을 이용하여 2차계통의 냉각수를 가열하여 증기를 발생시키는 장치이다. 냉각재 펌프: 원자로 냉각재를 순환시키고 가압기는 계통의 압력을 유지하고 조절한다. 원자로 보조건물: 냉각재 계통의 운전을 지원하는 모든 보조계통들이 배치되는 격납건물 외부의 콘크리트 건물이다.
KSTAR
핵융합 발전의 연료로는 중수소와 삼중수소가 이용된다. 중수소와 삼중수소를 특수전기장치를 이용해 섭씨 1억도까지 올리면 전자가 분리되고, 이온화된 다량의 원자핵과 전자가 고밀도로 몰려 있는 플라스마(plasma)상태가 된다. 플라스마 상태의 중수소와 삼중수소가 서로 충돌하면 중성자와 헬륨이 생성된다. 이때 생성된 중성자와 헬륨의 질량의 합은 충돌 전의 중수소, 삼중수소의 질량의 합보다 작은데, 이 질량의 차이가 에너지로 변환된다.
원자력 발전소
중성자가 일으키는 연쇄반응으로 열을 내는 열반응로 플루토늄을 연료로 쓰는 증식로 삼중수소, 혹은 중수소를 연료로 쓰는 핵융합로 - 현재 개발중
대한민국의 원자력 발전
1956년 2월: 한미원자력협정 체결 1957년 8월: IAEA에 창설된 해에 가입했다. 1958년 3월 11일: 원자력법 제정 1959년 3월: 원자력연구소(현재 한국원자력연구원) 설립. 1959년: 이승만 정부, 문교부 원자력과 신설, 서울 공릉동에 최초의 연구용 원자로인 트리가 마크2호 도입. 원자로 건설비의 절반 가까운 35만 달러를 미국 정부로부터 무상 차관을 받음. 1971년: 최초 원전 고리1호 착공. 사업 주체인 한국전력공사(한전)은 경제성과 건설실적 등을 감안해 웨스팅하우스사를 계약자로 선정하였으며, 일괄발주 방식으로 1970년 6월 발전소 공급 계약을 체결하였다. 1972년: 연구용 원자로 트리가 마크3 완공 1973년 3월: 한미원자력협정 개정 1978년: 최초 원전 고리 1호 상업운전 1983년: 고리 2호기 상업운전, 월성 1호기 상업운전 1987년: 중수로용 핵연료 국산화 1988년: 경수로용 핵연료 국산화 1995년: 연구용 원자로 하나로 완공. 열출력 30MW급. 한국원자력연구원에서 운영한다. 2010년 기준으로 유일한 연구용 원자로. 세계 7위의 고성능 연구용 원자로이다. 1999년: 연구로용 개량 핵연료 개발 2002년: 한국원자력연구원, 일체형 원자로인 스마트 원자로 기본설계 완료 2006년: 원자력발전소 이용률 세계3위 달성 2009년 6월 24일: 네덜란드 7천억원, 80MW급 PALLAS 연구로 건설사업에서 아르헨티나 INVAP이 우선협상대상자로 선정되었다. 한국은 사상최초로 주관기관으로 국제입찰에 도전했는데, 2위로 선정되었다. 2009년 11월: 요르단기술위원회 실사단이 방한, 연구용 원자로인 하나로를 둘러보면서 "요르단 연구용 원자로의 미래를 보는 것 같다"고 말함. 2009년 12월 4일: 요르단 정부가 발주한 연구용 원자로 JRTR 건설 사업에 최우선협상대상자로 선정됨 2009년 12월 27일: 아랍에미리트에 원전 수출 계약. 400억 달러(약 47조 원) 규모로, 1400MW급 원전 4기의 설계, 건설, 준공 후 운영지원, 연료공급을 포함하는 일괄수출 계약이다. 한국의 해외사업 수주 역사상 최대 규모로, 종전의 리비아 대수로 2단계 공사 수주액인 63억 달러 보다 6배 이상이다. 2010년 1월 15일: 네덜란드가 PALLAS 연구로 입찰을 중단한다고 통보했다. 최저가 입찰로 승부를 걸었던 아르헨티나 INVAP에 설계상 문제점이 있다고 알려졌다. 2위였던 한국에 기회가 다시 올 수 있다고 보도되었다. 2010년 1월 19일: 한국원자력연구원이 아제르바이잔 국립학술원 산하 방사선연구소(IRP)와 기술협력을 위한 양해각서(MOU)를 체결했다. 아제르바이잔은 2011년 수도 바쿠 인근에 열출력 15MW급 연구용 원자로 건설 계획을 확정할 예정이다. 2010년 2월 17일: 교육과학기술부는 암진단에 사용되는 테크네슘(Tc-99m) 생산용으로 2500억원짜리 열출력 20MW급 연구용 원자로를 건설하려고 한다고 밝혔다. 원자력 수출 틈새시장으로 부상한 연구용 원자로의 수출모델을 확보하는 목적도 있다. 2010년 3월 30일: 요르단에 한국 최초의 원자로 수출 계약 정식 체결 (요르단 수도 암만 북쪽 70km 이르비드(Irbid)에 있는 요르단과학기술대학교에 2014년까지 열출력 5MW급 개방수조형 다목적 원자로와 동위원소 생산시설 등을 1500억원으로 건설) 2011년: 스마트 원자로 개발 완료 2013년 5월: 영광원자력발전소와 울진원자력발전소가 각각 한빛원자력발전소와 한울원자력발전소로 개명 2013년: 2013년 원전비리 사건 발생 2014년 3월: 한미원자력협정 만료 2015년 11월 25일: 신 한미원자력협정 발효 2017년 스마트 원자로 1호기 완공예정. 건설비 7천억원이며 열출력 330MW 이다. 대형 원자로와 달리 원천기술을 한국이 보유했다. 러시아 핵잠수함 원자로를 국산화, 상용화한 것이다. 기존 원전보다 안전성이 100배 향상되었다. 중소형이라서 많은 중진국들에게 수출할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 6월 19일: 고리원자력발전소 고리 1호기 가동 중단 7월 14일: 신고리원자력발전소 5~6호기 공사가 3개월간 중단. 시민 배심원단으로 구성된 공론화위원회가 공사의 재개/중단 여부 결정.[22] 10월 20일: 공론화위원회가 신고리원자력발전소 5~6호기 공사 재개를 결정. 또한 원전 축소하는 쪽으로 에너지 정책 결정 권고.[23]
리튬
Li는 원자로에서 중수소와의 융합에 필요한 삼중수소의 원료로 쓰인다. 삼중수소는 원자로용 블랭킷(blanket)에서나 또는 수소 폭탄 내에서 헬륨이나 Li이 중성자로 쏘여 만들어진다.
원자로 압력용기
원자로 압력용기 내부에는 서로 분리 가능한 내부구조물인 노심지지배럴(core support barrel)과 상부안내구조물(upper guide structure)이 설치되어 있다. 이 구조물들은 핵연료를 위아래에서 지지하며, 원자로 내부의 냉각재 순환유로를 형성하여 핵분열 시 발생하는 열을 적절히 흡수한다. 노심지지배럴은 원자로 압력용기 플랜지에 걸쳐 설치된다. 내부에는 핵연료 집합체를 장전할 수 있도록 하부지지 구조물과 노심슈라우드(core shroud)가 설치되어 있다. 냉각재가 노심의 하부로 흐르도록 원자로용기 내벽과 노심지지배럴 사이에 도넛 모양의 하향유로가 설치되어 있다. 또한 노심 상부에 설치된 상부지지 구조물은 핵연료 상단을 고정하고 제어봉 인출 시, 이를 지지하는 역할을 한다.
고온가스로
중성자 감속재로 흑연이 사용된다. 흑연은 섭씨 4,000도의 매우 높은 온도가 돼야 녹기 시작하기 때문에 높은 열에 견딜 수 있는 원자로를 만드는 데 적합한 재료이나, 흑연도 높은 온도에서 공기와 접촉하면 타버리기 때문에 높은 열을 식히기 위한 냉각재로 헬륨을 쓰는 방법이 연구되고 있다. 감속재인 흑연은 열 전도성이 우수하다. 원자로에 문제가 생겨 연쇄반응이 멈추면 남아있는 열이 원자로 바깥으로 전도된다. 원자로에 전달된 열은 복사로 90%가 바깥으로 방출된다. 또 격납용기로 외부의 공기가 유입돼 대류에 의해 자연적으로 순환되면서 원자로를 식힌다. 특별한 냉각 시스템이나 전원이 없어도 공기에 의해 냉각되기 때문에 노심용융이 일어날 염려가 없다.
셀라필드 원자력 단지
초기에, 콜더 홀 원자력 발전소는 무기급 플루토늄을 제작하는데 주 목적이 있어서 매년 2번씩의 연료교환을 하였으며, 전력 생산은 제 2의 목적이었다. 1964년 콜더 홀 원자력 발전소는 일반적인 핵연료 주기를 따르면서 전력 생산에 몰입하게 되지만, 1995년 영국 정부가 핵무기에 쓸 플루토늄을 만들지 않을 때 까지 계속 콜더 홀 원자력 발전소에서 플루토늄을 뽑아왔다.
원자로
핵연료는 24시간 동안 쉬지 않고 에너지를 내뿜는다. 이 때문에 원자로는 24시간 가동되어 최고 출력의 열 에너지를 계속 생산해낸다. 이 "최고 출력시간"은 연료 집합체 속에 든 U의 양에 따라 변화하는데, 연료집합체를 장전할때 U가 장전하는 연료 집합체 안에 많이 들어가 있으면, 오랫동안 최고출력을 유지할 수 있을수 있다.
연구용 원자로
핵연료의 핵분열 시 방출되는 방사선 및 중성자를 이용한 각종 연구와 교육, 훈련, 기술개발 등에 활용되는 원자로로, 전기생산이 목적이 아니므로 규모가 상용원자로보다 작고 시스템이 단순하다. 또한 상용로에 비해 저온, 저압 상태에서 운전되며, 원자로 운용에 필요한 핵연료의 양도 비교적 매우 적다. 대신에 효율적인 연구와 실험을 위해 노심의 중성자 밀도를 높여야하므로 상용로와 비교했을 때 노심의 설계가 복잡하고 다양하다는 특성을 갖는다. 
핵무기
핵무기는 우라늄-235가 90% 이상 고농도로 농축되어 있어, 순간적으로 수많은 핵분열이 일어나며 폭발한다. 이에 비해 원자력발전은 원자로에 우라늄-235가 3~5%만 농축되어 있어서 핵분열 서서히 진행될 수 있는 것이다.
윈드스케일 화재
원자로는 고체 흑연노심으로 만들어졌으며, 흑연에 뚫은 수평 통로로 우라늄과 동위원소 카트리지를 넣어, 중성자 조사로 인한 동위원소 생산과 더불어 플루토늄을 생산해 내었다. 연료와 동위원소 카트리지는 노심 앞쪽의 "장전면"으로 삽입되었으며, 사용후 연료는 "퇴출면"으로 밀어 나왔으며, 퇴출면 쪽에 장착된 물이 흐르는 통로로 냉각과정과 더불어 카트리지를 재처리 공정으로 옮겼다.
용융염 원자로
포괄적인 용융염로 실험은 미국의 항공기 원자로 실험에서 시작되었다. 이 실험에선 높은 출력밀도를 가진 2.5MW의 원자로를 디자인하여 원자력 비행기의 연료로 사용하려고 하였다. 이 계획에선 여러 실험들을 내놓았는데, 그중 열 운반 원자로 실험들로, 엔진 실험용 원자로로 열운반용 원자로 실험 혹은 Heat Transfer Reactor Experiments로 불렸으며 HTRE-1, HTRE-2, HTRE-3 이 세개가 있다. 그중 하나가 녹은 불소염(NaF-ZrF-UF, 53-41-6 mol)을 연료로 쓴것이 있었는데, 이것은 베릴륨 산화물(BeO)를 감속재로 썼으며, 2차 냉각계통으로 액체 나트륨을 사용했다. 이 원자로의 최대 온도는 860도까지 올라갔으며, 1954년에 1000시간을 가동했다. 이 실험에선 인코넬 600 합금을 가지고 금속 구조물과 파이프를 만들었다.
원자력 발전소
천연 우라늄은 99 %의 우라늄 238과 0.7 %의 우라늄 235를 포함하고 있다. 우라늄 238은 핵분열시키기 어려우므로 중수로를 제외한 다른 원자로들은 천연 우라늄을 농축하여 우라늄 235의 비율을 높이는 과정인 농축 과정이 필요하다.
원자로 격납 건물
가압경수로형 발전소에서는 대체로 원자로냉각재펌프에 전동기로 구동되는 원심형펌프를 쓰고 있는데, 비교적 낮은 수두와 높은 유량을 제공하여야 하므로 단단형(single stage) 펌프가 주로 쓰인다. 원자로냉각재는 증기발생기 출구노즐에서 들어와 원자로냉각재펌프의 하부를 거쳐 보통 '임펠라(impeller)'라고 하는 회전날개를 돌려 속도를 높인 후 수평방향으로 방출시켜 원자로의 입구노즐로 보내게 된다.
원자로
원자로 냉각재로는 주로 물을 사용하지만, 가스 혹은 액체 금속(액체 나트륨) 혹은 소금(용융 염)을 사용하기도 한다.
대한민국의 원자력 발전
IAEA의 전주기분석(LCA, life cycle analysis)에 의한 온실가스배출량은 석탄을 이용한 화력발전의 경우 991g/kWh으로 원자력발전 10g/kWh에 비해 99배가 더 높다. 원전은 발전과정에서 온실가스를 전혀 배출하지 않고, 다만 우라늄의 채굴, 농축, 발전소해체 등의 과정에서 부분적으로 온실가스 배출을 유발한다.
화력 발전소의 플루 가스
화력발전소의 플루가스의 성분은, 부피 기준으로 79%가 질소 (N)이며, 그 다음으로 10-25%가 이산화탄소(CO)이다.
개량 가스냉각로
첫번째는 천연우라늄을 연료로 사용하고 흑연을 감속재로 쓰는 마그녹스(Magnox)형 원자로이다. 마그녹스라는 이름은 원자로 안에 넣는 연료봉의 피복재로 쓰인 마그네슘합금에서 따왔다. 최초의 마그녹스형 원자로는 영국 세라필드원자력단지 내에 설치된 콜더홀(Calder Hall) 원자로로, 세계 최초의 상업용 원자력발전소의 서막을 알렸으나, 가동한 지 47년이 지난 2003년 문을 닫았다.
에너지 개발
핵 발전소는 원자로 내에서 우라늄-235를 사용하는 핵분열 과정을 통해 에너지를 생산한다. 원자로는 우라늄봉을 사용하는 데, 봉 안에 있는 원자들은 핵분열 과정으로 쪼개져 엄청난 에너지를 만들어내게 된다. 이 과정은 연쇄 반응을 일으켜 다른 원자핵을 계속 분열시킨다. 이 에너지로 물을 가열해 수증기를 만들고, 터빈을 돌려 발전기를 가동시키는 것이다.