[과학칼럼]핵에너지의 개발과 이용
[과학칼럼]핵에너지의 개발과 이용
  • 경남일보
  • 승인 2022.07.17 16:42
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성기홍 (전 김해교육장)
성기홍 (전 김해교육장)


핵에너지의 개발은 지금 평화적으로 사용되고 있는 핵에너지를 이용한 발전보다는 전쟁에서 대규모 파괴를 위한 핵폭탄 제조에서부터 시작되었다. 자연 상태의 우라늄은 99.3%의 ‘우라늄-238’과 0.7%의 ‘우라늄-235’로 존재한다. 이 두 동위원소 중에서 U-238은 안정하지만 U-235만 핵반응을 한다. 우라늄을 원자력발전소의 연료로 사용하려면 U-235의 비율을 높여야 한다. 이 작업이 농축이다. 저농축은 원자력발전을 위해 U-235의 함량을 2~4%로 높이는 것이고, 고농축은 U-235의 함량을 20% 이상으로 높이는 것이다. 핵폭탄에 사용되는 우라늄은 90% 이상이다.

U-235(우라늄235)가 느린 속도의 중성자를 맞아 분열되는 핵반응이 끝나면, 질량수가 90~100 및 130~140인 두 종류의 새로 생성된 핵파편 물질들과, 우라늄-238이 중성자를 흡수해 변환된 플루토늄-239 등 우라늄보다 더 무거운 초우라늄 원자핵들이 남게 된다. 핵 연쇄반응에서 우라늄-238이 중성자와 결합하면 우라늄-239가 된다. 우라늄-239는 매우 불안정하기 때문에 원자핵 변환이 일어나 넵투늄-239로 변환한다. 넵투늄-239에 다시 중성자가 결합하면 플루토늄-239가 된다. 핵반응 후에는 약 1%의 U-238과 1%의 Pu이 남고 대부분은 우라늄의 상태를 유지한다. Pu는 핵폐기물 재처리로 손쉽게 얻을 수가 있게 된다. 보이저호는 태양빛이 약해서 태양 전기판은 사용할 수 없기 때문에 방사선인 감마선을 내지 않는 Pu-238을 연료를 사용하는데, 2025년까지 사용이 가능하다. 이렇게 Pu-238은 인공위성의 전원 뿐 만 아니라 인공심장이나 무인등대 등의 원료로 이용되는 등 평화적인 방법으로 사용되고 있다. 하지만 Pu-239는 감마선이 매우 강하여 차폐하기가 힘들고, 10kg만 모이기만 해도 핵분열이 발생할 정도로 불안정하여 핵무기의 제조에 사용된다. 핵무기로 사용하기 전까지는 다른 물질과 섞어 임계질량을 줄이고, 보관할 때는 산화 플루토늄 형태로 보관한다.

핵반응전보다 핵반응 후에 남는 물질은 질량이 조금 감소하게 되는데, 이 발생된 질량결손이 E=mC2라는 아인슈타인의 에너지 등가 원리에 따라 막대한 에너지가 발생한다. 1g의 우라늄이 핵분열할 때 나오는 에너지는 석유 9드럼, 석탄 3t이 탈 때 내는 에너지와 맞먹는다.

원자로는 핵분열 연쇄반응의 속도를 조절하여 핵 분열시에 발생하는 열에너지를 이용하는 것이다. 1차 계통에서는 방사성 물질이 유출되지 않도록 기밀 형으로 되어 있고, 핵분열시 발생된 에너지만 2차 계통으로 전달하게 된다. 2차 계통에서는 일차 계통에서 받은 열에너지로 만든 증기가 터빈발전기를 돌려서 전기를 생산한다. 사용 후 증기는 복수기에서 물로 응축시켜 증기 발생기로 급수되어 사용되고 있다.

원자로 안에서 우라늄 원자핵이 중성자를 쉽게 흡수해 핵분열 연쇄반응이 잘 일어날 수 있도록 중성자의 속도를 늦춰주는 것이 감속재다. 이때 주로 물(경수·중수)이나 흑연 등이 사용된다. 원자로는 핵분열 연쇄반응이 급격하게 일어나지 않도록 제어봉으로 제어한다. 원자로의 종류는 사용하는 감속재와 냉각재에 따라 나뉜다. 감속재로 중수를 사용하면 중수로, 보통의 물인 경수를 사용하면 경수로다. 우리나라의 원자력발전소 20기 가운데 중수로형인 월성 원자력발전소(1~4호기)를 제외한 16기의 원자력발전소가 경수로형이다.

한국은 1978년 원자력발전을 시작했고, 30여년 전에 국산화에 성공했으며, 독자 기술을 갖고 있다. 최악의 원전 사고가 일어난 체르노빌 원전은 흑연감속비등경수로(RBMK)이고, 후쿠시마 원전은 비등경수로(BWR)이다. 우리나라 원전의 격납용기는 후쿠시마 후쿠시마의 다섯 배의 두께로 튼튼하다.

원자력발전 과정에서 방사성 폐기물이 배출된다. 사용 후 핵연료 자체 또는 사용 후 핵연료의 재처리 공정에서 배출되는 방사능 준위가 높은 물질을 고준위폐기물이라고 한다. 방사능 관리구역에서 사용된 옷, 장갑, 도구 등 방사선에 오염된 물자들을 중·저준위방사성폐기물이라 한다. 이 중·저준위방폐물의 폐기장이 부안 사태를 겪고 나서야 전국적인 공모를 통해 2005년에야 경주시가 선정됐다. 고준위방폐물인 ‘사용 후 핵연료봉’은 원전 내 수조에 차곡차곡 쌓아 둔 채 영구 처분시설은 요원하다. 하루빨리 안전한 영구 처분장 시설을 만들어야 한다.

 


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