[외신 번역/자체 번역] 에너지의 역사: 발전(發電) 산업의 역사 4부
원문 기사: https://www.powermag.com/history-of-power-the-evolution-of-the-electric-generation-industry/
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원자의 발견
원자의 개념은 꽤 빠르게 자리를 잡았음에도, POWER 잡지의 첫 번째 호가 출판되었을 무렵 과학자들은 여전히 원자에 포함된 에너지를 이용하는 방법을 알아내지 못한 상태였답니다. 13년 후, 1895년 빌헬름 뢴트겐(Wilhelm Röntgen)이 우연하게 X선을 발견하면서 원자 분야의 발전은 급물살을 타기 시작합니다.
프랑스 물리학자 앙투안 앙리 베크렐(Antoine Henri Becquerel)이 방사선을 발견하였고, 피에르, 마리 퀴리 부부는 방사선에 관한 추가적인 연구를 수행하여 "방사능"이라는 용어를 만듭니다. 많은 사람이 핵과학의 아버지로 여기는 뉴질랜드 출신의 물리학자 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)는 원자의 구조를 가정하여 방사성 붕괴의 법칙을 제안했고, 원소 변환에 관한 획기적인 연구를 하였습니다.
여러명의 과학자들이 원자 원리에 대한 세계의 이해를 발전시키는 데에 이바지를 하였는데요. 그 중 가장 널리 알려진 인물은 단연코 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)일 겁니다. 그는 1905년 특수 상대성 이론 E = mc2 개발하였습니다. E는 에너지, m은 질량, c는 빛의 속도를 의미합니다. 닐스 보어(Niels Bohr)는 1913년 그의 원자 모형을 발표하였고 이 모형은 이후 제임스 채드윅(James Chadwick)에 의해 완성됩니다. 채드윅은 중성자를 발견하기도 했지요.
1934년에 이탈리아의 물리학자 엔리코 페르미(Enrico Fermi)는 중성자가 원자를 쪼갤 수 있음을 증명합니다. 두 명의 독일 과학자인 오토 한(Otto Hahn)과 프리츠 슈트라스만(Fritz Strassman)은 1938년에 핵분열을 발견했고, 아인슈타인의 이론을 활용해 잃어버린 질량이 에너지로 바뀐다는 사실을 알아냅니다.
초창기 원자로
이후 과학자들은 자급자족하는 연쇄 반응을 개발하는 데에 심혈을 기울였습니다. 이를 위해서는 우라늄의 "임계 질량(Critical Mass)"이 적절한 조건에 놓여야만 했습니다. 파시스트 이탈리아의 인종법을 피해 1938년 미국에 이민을 간 페르미는 시카고 대학의 과학자들과 함께 세계 최초의 원자로를 건설하였습니다.
페르미의 팀은 핵분열성 물질의 입방체 프레임을 만들기 위해 흑연 무더기에 우라늄을 배치하였습니다. 시카고 파일-1(Chicago Pile-1)로 알려진 더미는 시카고 대학교 운동 경기장 아래의 스쿼시 코트 바닥에 세워졌습니다(그림 5). 1942년 12월 2일 시카고 파일-1에서 최초의 자가 유지 핵반응이 시연됩니다.
그러나 당시는 세계대전이 발발한 지 1년이 지난 해였고, 이는 필연적으로 수행된 대부분의 원자 연구가 무기 기술 개발에 이용되게 했습니다. 미국 정부가 평화적인 민간 목적의 원자력 개발을 장려하기 시작한 것은 전쟁이 끝나고 난 뒤였죠. 원자력 에너지를 통해 전기를 생산한 최초의 원자로는 1951년 12월 20일 아이다호에 있는 EBR- I(Experimental Breeder Reactor I)였습니다.
소련에서도 원자력 프로그램이 급성장하고 있었습니다. 소련의 과학자들은 열과 전기를 생산키 위해 기존의 흑연 감속 채널형 플루토늄 생산 원자로를 개조했죠. 1954년 6월에 오브닌스크(Obninsk)에 위치한 한 공장은 전기를 만들기 시작합니다. 몇 년 후 1957년 12월 18일, 미국 최초의 상업용 원자력 발전소이자 60MW 용량의 경량급 발전소인 시핑포트 원자력 발전소(Shippingport Atomic Power Station)는 펜실베이니아의 전력망과 동기화되었습니다.
그러나 당시 미국과 소련만이 원자력 발전소를 건설하던 유이한 국가는 아니었답니다. 영국, 독일, 일본, 프랑스 외의 여러 국가가 이 시류에 편승했습니다. 원자력 산업은 1960년과 1970년대에도 계속해서 성장해나갔습니다. 원자력 건설 프로젝트가 1973년에만 41기가 계획되어 미국 전역에 설치될 예정이었습니다. 그러나 느린 전력의 수요 증가, 건설 지연, 비용 초과, 복잡한 규제 요건으로 1970년 중반 찬란했던 원자력 발전소의 전성기가 막을 내리게 됩니다. 계획된 모든 프로젝트 중 거의 절반이 취소되기에 이르렀죠. 그럼에도 1991년까지 미국은 가동 중인 상업용 원자로가 세계 어떤 나라보다도 2배는 많은 112기를 기록합니다.
원자력의 역사를 논할 때 세 가지의 큰 사고를 빼놓을 수 없을 겁니다. 첫 번째는 1979년 3월 28일 스리마일 섬(Three Mile Island) 2호기의 부분적인 용해였습니다. 설계와 관련된 문제와 작업자의 실수, 그리고 장비의 오작동이 한 번에 결합해 초래된 문제였죠. 두 번째 대형사고는 1986년 4월 26일에 발생한, 너무나도 유명한 체르노빌 원자력 발전소 사고인데요. 구소련 우크라이나의 체르노빌 원자력 발전소에서 4호기의 원자로 시스템 테스트 중에 갑작스러운 전력 급증으로 촉발되었습니다. 사고와 이후 발생한 화재로 엄청난 양의 방사성 물질이 방출되고 말았습니다.
가장 최근에 일어난 대형 사고는 2011년 3월 11일 일본 연안에서 진도 9.0의 지진 탓에 발생합니다. 이 지진으로 후쿠시마 다이이치 발전소는 전원이 모두 차단되었습니다. 백업 시스템은 작동하였으나 지진 발생 후 14m 높이의 쓰나미가 해당 지역을 강타하며 일부가 붕괴하고 맙니다. 결국, 3개의 원자로가 과열되어 노심이 녹아내렸고 수소 폭발 때문에 지역 전체가 방사능에 오염되었습니다.
이 사고들로 벨기에, 독일, 스위스, 스페인 등의 여러 국가가 원자력에 대한 의존을 단계적으로 중단하거나 줄이는 중대한 결정을 내립니다. 하지만 중국, 러시아, 인도, 아랍에미리트, 미국 등의 국가에서는 여전히 최신 기술력(이에 대한 정보는 "IIoT의 부상" 부분을 참고하세요)을 통해 새로운 발전소를 지금도 계속 건설하는 중입니다.
IIoT의 부상발전소 자동화는 2009년까지 꾸준하게 발전되어 왔으며, 많은 시설이 산업 표준 하드웨어와 소프트웨어를 사용하는 개방형 시스템을 채택하였습니다. 보일러-터빈 발전기 보드와 지시계, 스트립 차트 기록기로 채워진 수직 패널을 제거한 것이죠. 그 무렵 기업들은 이미 디지털 모형화와 가상 시뮬레이션, 센서 및 무선 기술의 가치를 파악하고 있었습니다. 결정적인 변화는 2012년경 기계,고급 분석 그리고 이를 사용하는 사람들 사이의 연결을 설명하는 "산업용 사물 인터넷(이하 IIoT)" -GE는 이 용어를 최초로 만들었다고 주장합니다- 의 도입과 함께 시작됐습니다. "통신 기술로 연결된 다수의 산업용 장치 네트워크로, 이전과는 다르게 새롭고 귀중한 통찰력을 관찰, 수집, 교환, 분석, 전달할 수 있는 시스템을 생성합니다. 이러한 통찰력은 산업 기업의 비즈니스 의사 결정을 더 현명하고 빠르게 내리는 데에 도움이 될 수 있습니다." GE가 설명한 IIoT의 정의입니다. 전력 부문에서 IIoT는 수십억 달러 규모의 산업이 되었고 이후 예측 분석을 통해 구성 요소 문제를 예측하고 감지할 수 있게 되었습니다. 실시간 생산 세이터(빅 데이터)를 제공하며 가능성을 보여주기도 했고요. 활성화된 소프트웨어 솔루션을 지원하여 효율성과 생산성, 그리고 성능을 향상했습니다. 지난 10년 동안 GE의 프리딕스(Predix)와 지멘스의 마인드스피어(MindSphere)를 포함한 여러 포괄적인 발전소 지향 IIoT 플랫폼이 시장에 출시되었고, 이를 활용하는 4세대 센서, 빅 데이터, 에지와 같은 기술도 동시에 빠르게 발전하였습니다. 증강현실, 가상현실, 인공지능, 기계학습 등을 포함해서 말입니다. |
5부에서 계속됩니다
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