원리를 알면 과학이 쉽다! Ver 3.0



오현수    스위치 끄듯 원자력발전소 끌 수 없을까? 2011/04/11

대체 원자력발전의 원리가 무엇이기에 전원공급이 중단됐는데도 폭발 위험이 있는 것일까? 스위치 끄듯 원자력발전소를 끌 수는 없는 걸까?


핵분열 열로 전기 만들어… 냉각수 필수

원자력발전은 원자핵이 분열할 때 나오는 에너지로 전기를 만드는 방식이다. 원자핵은 원자의 중심에 자리 잡고 있는데, 원자 중에는 원자핵이 중성자와 부딪치면 쉽게 쪼개지는 것들이 있다. 대표적인 것이 ‘우라늄’이다. 원자핵이 둘로 쪼개지면(핵분열) 엄청난 에너지가 생긴다. 이때 2~3개의 중성자가 빠져나오고 다른 핵과 부딪쳐 다시 핵분열을 일으킨다. 이를 핵분열 연쇄반응이라고 한다. 이때 나오는 에너지(열)로 증기를 만들고 터빈을 돌리면 전기를 얻을 수 있다.

핵분열이 일어나는 원자로는 노심(爐心·Reactor core)과 이를 보호하는 격납용기로 돼 있다. 노심은 격납용기 내에 우라늄과 같은 핵연료가 장착된 가운데 부분을 말한다. 여기는 보통 핵연료봉(우라늄), 냉각재(물), 연료 제어봉, 감속재 등으로 구성된다. 원자로에서 핵분열이 진행되면 온도가 높아지고 방사성 물질도 나온다. 냉각재는 열을 식히고 방사성 물질이 밖으로 나오지 못하게 막는 역할을 담당한다. 따라서 원자력발전 과정에서 냉각 과정은 아주 중요하다.

일본 후쿠시마 원자력발전소는 냉각 과정에 문제가 생겨 폭발했다. 전기가 끊어져 원자로에 더 이상 냉각수를 공급하지 못했기 때문이다. 원자로는 정지해도 열을 그대로 가지고 있다. 스위치 끄듯 간단하게 멈출 수 있는 장비가 아니라는 이야기다. 이 열기 자체는 매우 강해서 그대로 두면 연료봉을 녹일 수 있다. 이를 막기 위해 냉각수가 공급돼야 한다. 그러지 못하면 기존에 있던 물이 증기로 변한다.

물이 수증기로 변하면 부피가 약 1700배 커진다. 이 때문에 원자로 내의 압력이 커졌고, 제한된 공간에 수증기가 가득차서 빵빵해진 것이다. 이대로 두면 폭발할 위험이 있어 후쿠시마 원자력발전소는 수증기를 밖으로 빼냈다. 덕분에 원자로 안의 압력은 낮아졌지만 수증기와 함께 세슘 같은 방사성 물질이 밖으로 나왔다.

핵연료봉, 냉각재→격납용기→콘크리트 격벽으로 감싸

방사성 물질은 동식물의 몸에 치명적인 영향을 준다. 한번 방사성 물질에 노출되면 수십년 또는 수세대에 걸쳐 불임증이나 백내장, 탈모, 유전병 등 심각한 부작용도 일으킨다. 또 골수암, 폐암, 갑상선암, 유방암 등 각종 암을 유발할 수 있다. 주로 호흡하거나 방사성 물질이 녹아 있는 물을 마실 때 몸속으로 들어와 체내에 쌓인다.

이 때문에 원자력발전소는 방사성 물질이 누출되지 않도록 철저히 대비한다. 우선 물 같은 냉각재가 핵연료봉을 감싼다. 다음에는 격납용기가, 더 바깥에는 콘트리트 격벽이 버티고 서 있다. 방사성 물질이 밖으로 새어나가지 못하도록 겹겹이 둘러싼 것이다. 하지만 일본 후쿠시마 원자력발전소는 전기가 중단되면서 이런 벽들이 하나씩 무너지고 있다.

냉각수가 중단되자 핵연료봉이 섭씨 2,000~3,000도로 뜨거워졌고, 열 때문에 원자로에 있던 수증기가 분해되면서 수소도 많아졌다. 반응성이 좋은 수소가 원자로를 감싸고 있는 건물 윗부분에 몰리자 폭발했고, 1호기와 3호기 건물을 파손시켰다. 가장 바깥에 있는 콘크리트 격벽에 구멍이 생긴 것이다.

2호기는 냉각재와 콘크리트 격벽 사이에 있는 격납용기 장치에 문제가 생겼다. 격납용기의 압력을 억제하는 부분인 ‘압력억제실(Surpression Pool)’ 설비 근처에서 폭발이 발생했다고 추정된다. 3호기의 경우 원자로 격납용기 자체가 손상됐을 가능성이 있다고 발표됐다.

4호기는 지진 발생 당시 운전이 정지됐지만, 원자로 내부에서 ‘사용후핵연료’를 보관하고 있었다. 사용후핵연료는 원자로에서 일정 기간 사용하고 빼낸 핵연료를 말한다. 핵연료는 압력용기나 격납용기 안에서 폭발하지만 사용후핵연료는 상온 공기 중에서 불이 붙을 수 있어 더 위험한 셈이다. 또 사용후핵연료는 건물 외벽 하나만으로 방사성 물질을 차단하고 있다는 점도 문제다. 사용후핵연료는 격납용기 외부에 있는 수조 안에 들어있기 때문이다.

일본 당국은 1~4호기 원전을 폐쇄할 방침이다. 그러나 폐쇄작업을 하려 해도 먼저 냉각장치부터 복원해야 한다. 1년여에 걸쳐 원자로 속 연료봉이 충분히 식으면 노심을 해체하기 시작해 고준위 방사성 폐기물인 폐연료봉, 원자로 압력용기와 격납용기 등을 방사선 차폐가 되는 곳에 안전하게 처리해야 한다. 도시바는 원자로의 해체와 폐쇄까지 최소 10년 6개월이 걸릴 것이라고 전망했다. 이조차 지금까지 발생한 것과 같은 방사성 물질 대량 유출이 더 이상 일어나지 않고 냉각장치 복구에 성공한다는 가정에서 가능한 일이다. [한겨레신문]





     
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