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인류가 문명생활을 계속하기 위해서는 문명을 유지할 수 있는 에너지원을 확보해야 한다. 인류가 석탄과 석유와 같은 화석에너지를 사용하기 시작하면서 생활방식이 크게 바뀌었고 사용하는 에너지의 양이 크게 증가했다. 석탄의 사용으로 인해 증기기관과 같은 열기관이 급속히 발전했고, 석유를 사용하면서부터는 자동차, 비행기, 선박과 같은 운반수단이 크게 발전했다. 그러나 인류의 현대 문명을 만들고 지탱해 온 화석에너지의 시대는 오래 지속될 수 없을 것으로 추정되고 있다.
원자핵 에너지는 이미 많이 사용되고 있다
따라서 우리는 화석 에너지를 대신할 새로운 에너지원을 개발해야 한다. 현재 화석 에너지를 새로운 에너지원으로 가장 가능성이 있는 에너지는 원자핵에너지이다. 이미 많은 나라에서 사용하는 에너지의 많은 부분을 원자핵 에너지로 충당하고 있어 핵에너지는 에너지원으로서의 가능성을 충분히 인정받고 있다.
원자력 에너지의 원리
원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있다. 핵을 이루고 있는 양성자와 중성자를 핵자라고 부르기도 한다. 원자핵을 이루고 있는 핵자들을 완전히 분리해서 자유로운 입자들로 만드는 데 필요한 에너지를 핵자의 수로 나눈 것을 평균 결합에너지라고 한다. 평균 결합 에너지는 핵자수에 따라 달라진다. 작은 원자핵에서는 핵자수가 증가함에 따라 평균 결합 에너지가 증가한다. 그러나 원자핵의 크기가 일정한 크기 이상이 되면 평균 결합 에너지는 핵자수가 증가하면 오히려 감소한다. 평균 결합 에너지가 크다는 것은 더 안정한 핵이라는 뜻이다. 결합에너지가 최대가 되는 핵자의 수는 56으로, 원자번호 26인 철(Fe)의 원자핵이 여기에 해당한다. 따라서 핵자의 수가 56보다 큰 원자핵은 핵자의 일부를 방출하면 더 안정한 상태의 핵으로 변환할 수 있고, 핵자의 수가 56보다 적은 원자핵들은 다른 원자핵과의 결합으로 더 안정한 원자핵이 될 수 있다. |
원자량에 따른 평균 결합 에너지를 표시한 그림. 철(Fe)이 가장 높다.
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이렇게 작은 원자핵이 결합하여 더 안정한 큰 원자핵으로 변해가는 것을 핵융합이라고 하고, 큰 원자핵이 분열하여 작은 안정한 원자핵으로 변환되는 것을 핵분열이라고 한다. 핵융합이나 핵분열을 통해 더 안정한 원자핵으로 바뀔 때는 여분의 에너지를 내놓게 된다.
핵반응의 에너지를 평화적으로 이용하는 것이 원자력 발전
원자핵은 매우 작아서 하나의 원자핵에서 방출하는 에너지는 매우 작다. 그러나 원자핵 분열은 매우 빠르게 그리고 대량으로 진행될 수 있다. 한 개의 우라늄235 원자핵이 분열하면 중성자가 약 2개 정도 나온다. 이 중성자들은 주위에 있는 우라늄235의 원자핵에 흡수되어 다시 이 원자핵을 분열시키는데 이러한 연쇄반응은 매우 빠른 속도로 진행된다. 1그램의 우라늄 속에는 1조의 25억 배에 해당하는 우라늄 원자가 들어 있는데, 이만한 우라늄 원자가 연쇄반응에 의해 모두 분열하는 데는 1백만분의 1초밖에 걸리지 않는다. 따라서 큰 에너지가 나올 수 있는 것이다. 이 연쇄반응의 속도를 조절하여 핵반응 시에 나오는 에너지를 평화적으로 이용하는 것이 원자력 발전이다. | |
원자력 발전소, 좌측의 동그란 건물이 원자로가 있는 곳이며, 우측의 수증기가 나오는 곳은 냉각탑이다.
해안에 건설된 원자력 발전소에는 보통 냉각탑이 없다. <출처: US NRC>
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경수로, 중수로는 감속제의 차이
통제된 상태에서 핵분열을 일으키게 하여 그때 나오는 에너지를 이용하는 원자로에는 여러 가지가 있다. 원자로는 핵분열을 일으키는 중성자를 감속시키는 감속제의 종류, 그리고 에너지를 이용하는 방법 등에 따라 가압경수로(경수로), 가압중수로(중수로), 흑연로, 비등수로, 고속 증식로(증식로) 등으로 나뉜다.
핵분열 시에 나오는 중성자는 빠른중성자이다. 빠른중성자는 효과적으로 우라늄235 원자핵에 흡수되어 연쇄반응을 일으킬 수 없다. 따라서 연쇄반응을 일으키도록 하기 위해서는 중성자의 속도를 감속시키는 감속제가 필요하다. 감속제는 중성자와의 충돌로 중성자의 속도는 감속시키면서도 중성자를 흡수하지 않는 물질이어야 한다. 감속제로는 물이나 흑연이 주로 사용되고 있다. | |
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경수로에서는 보통의 물인 경수가 감속제로 쓰이며 농축된 우라늄235가 연료로 사용된다. 경수로의 연료로 사용되는 농축 우라늄을 만들기 위한 우라늄 농축 기술은 상당히 어려운 기술이어서 농축된 상태 또는 가공된 상태의 연료를 외국으로부터 수입해야 하는 어려움이 있다.
반면에 중수로에서는 감속제로 중수를 사용한다. 중수는 물 분자의 수소가 보통의 수소가 아닌 중수소로 이루어진 물을 말한다. 수소의 일정 비율은 중수소로 보통의 물속에도 약 0.015%의 중수가 포함되어 있다. 물속에서 이 중수만을 가려내어 감속제로 사용하는 것이 중수로이다. 또한 흑연로에서는 감속제로 흑연이 사용된다. 중수로와 흑연로에서는 연료로 농축하지 않은 천연 우라늄을 가공하여 사용한다. | |
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가압 경수로 방식의 반응로 윗부분. | |
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증식로와 핵연료 재처리
원자로 중에는 핵발전을 하면서 새로운 연료를 만들어내는 원자로가 있다. 이러한 원자로가 본격적으로 사용되게 되면 연료 문제를 쉽게 해결할 수 있을 것이라고 생각되어 이런 원자로를 꿈의 원자로라고 부르기도 했다. 연료를 사용하면서 발전을 하고 이 과정에서 다시 연료를 생산할 수 있는 이러한 원자로를 증식로라고 한다.
증식로에서는 우라늄235가 분열하면서 내놓은 중성자의 일부를 연료로 사용하지 않는 우라늄238이 흡수한 후 베타 붕괴를 두 번 하여, 넵튬239 단계를 거쳐 플루토늄239가 생산된다. 플루토늄은 매우 강한 방사능을 가지고 있어 원자폭탄의 원료로도 사용될 수 있으며 원자로의 연료로도 사용할 수 있다.
발전을 하는 동안에 원자로 안에서 만들어지는 플루토늄은 우라늄238에서 우라늄235를 분리해내는 것보다 훨씬 용이하게 화학적인 방법으로 우라늄에서 분리해낼 수 있다. 따라서 핵연료로 사용하고 난 폐기물 속에서 플루토늄을 분리해내면 새로운 핵연료로 사용할 수도 있고 핵폭탄도 만들 수 있다. 사용 후 핵연료에서 플루토늄 또는 연료로 사용되고 남은 우라늄235를 추출해내는 것을 핵연료 재처리라고 한다.
농축 우라늄을 연료로 사용하는 경수로보다 우라늄238이 더 많이 포함된 천연 우라늄을 연료로 사용하는 중수로에서 더 많은 플루토늄이 생산되기 때문에 핵확산 문제를 다룰 때 항상 거론되는 원자로이다. 따라서 국제적인 협약으로 핵연료는 물론 사용 후 핵연료까지 국제기구가 관리하여 핵확산을 방지하려는 노력이 전개되고 있다. 증식로에는 우라늄238이 플루토늄239로 변하는 증식로 외에 토륨232가 중성자를 흡수하여 방사성이 있는 우라늄232로 변하게 하는 증식로도 있다.
원자로의 안전을 지키는 다섯 겹의 방호벽
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원자로의 내부 구조 그림.
겹겹의 방호벽으로 둘러싸여 있다. | |
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이러한 여러 가지 원자로의 건설에서 최우선으로 고려되고 있는 것이 안전성이다. 그래서 원자로는 보통 여러 겹의 안전장치를 가지고 있다. 우리나라에서 가동 중인 원자로의 대부분을 차지하고 있는 경수로는 다섯 겹의 방호벽을 가지고 있다.
첫째 방호벽은 핵연료 펠릿이다. 이것은 핵연료인 이산화우라늄 분말을 고온으로 구워 원통형으로 굳힌 것으로 핵분열 시에 나오는 핵분열 산물을 이 속에 가두어 된다. 두 번째 방호벽은 연료 피복관이다. 지르코늄 합금으로 만든 원통형의 관으로 그 속에 연료봉이 들어가게 되는데 연료 펠릿에서 새어나온 방사성 물질은 대부분 이 피복관 안에 갇히게 된다. 다음의 방호벽은 원자로 압력 용기이다. 연료 피복관은 수백 개를 한 묶음으로 하여 두께 25센티미터의 철제 압력 용기에 담겨져 있다. 이 압력 용기는 방사성 물질뿐만 아니라 높은 압력과 온도에도 견디도록 설계되어 있다.
다음 네 번째 방호벽은 원자로 격납 용기이다. 원자로 전체가 두께 4센티미터 정도의 철판으로 만들어진 격납 용기 안에 설치되어 있다. 물은 물론 공기마저 새어나오지 못하도록 만든 격납 용기 밖으로는 어떤 방사성 물질도 새어나오지 못하도록 설계되어 있다. 마지막 방호벽은 원자로 건물 자체이다. 격납 용기 밖에는 두꺼운 콘크리트로 원형 돔을 만들어 최후의 방호벽으로 사용하고 있다. 원자로에는 이러한 다중 방호벽뿐만 아니라 각종 자동 안전장치가 설치되어 사고 시에 비상 작동할 수 있도록 하고 있다.
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미래에는 핵융합 에너지가
그러나 이러한 안전장치에도 불구하고 원자로의 안전 문제는 아직 중요한 문제로 남아 있다. 원자력을 이용한 발전이 중요한 에너지원으로서 널리 사용되기 위해서는 안전 문제를 완전히 해결해야 할 것이다. 핵분열 에너지보다는 작은 핵이 더 큰 원자핵으로 융합할 때 나오는 에너지를 사용하면 많은 문제들이 해결될 것으로 보인다. 그러나 원자핵 융합 시에 나오는 에너지를 사용하기 위해서는 아직 넘어야 할 기술적인 문제가 남아 있다. 그러나 많은 나라에서 기술적인 장벽을 극복하기 위해 노력하고 있으므로 머지않아 좀 더 안전한 핵융합 에너지가 널리 사용될 것이다. | |
- 글 곽영직 / 수원대학교 물리학과 교수
- 서울대학교 물리학과를 졸업하고 미국 켄터키대학교 대학원에서 박사학위를 받았다. 현재 수원대학교 물리학과 교수이다. 쓴 책으로는 [과학이야기] [자연과학의 역사] [원자보다 작은 세계 이야기] 등이 있다.
원문보기 : http://navercast.naver.com/science/physics/3515