과학상식[ 1/21] 핵발전 어떻게 이루어지나

90.04.122

과학상식 핵 발전,어떻게 이루어지나?

2월 28일, MBC-TV는 평화, 멀지만 가야할 길이라는 제목으로 ‘핵’으로 인해 일어날 수 있는모든 상황에 대해 방영했다. 어린 시절, 원자폭탄을 가지고 있는 나라는 세계에서 강대국 몇 나라 뿐이며, 우리나라도 기술이 발전하면 원자폭탄을 만들어 낼 수 있고, 핵발전소가 우리나라에 많이 건설되면 지금보다 훨씬 좋은 환경이 될 것이라는 이야기를 들으면서 자란 세대들에게 요즘 들려오는 소리들은 핵은 좋은 것인가? 나쁜 것인가?에 대한 혼란을 야기시키기에 충분하다. “핵발전은 에너지 부족의 위기를 맞고 있는 인류로서는 불가피한 일이다.아니다.핵발전으로 인한 소련의 체르노빌 원전사고나 핵폐기물 처리의 불완전함 등을 놓고 볼 때 많은 문제점을 안고 있다.”어느 주장이 더 옳은 것일까?우선,간단하게나마 핵발전의 원리부터 알아보자.

핵의 엄청난 힘은 우라늄235의 작은 원자로 부터

사용하기에 따라서는 폭탄으로도,생활에 필요한 에너지로도 사용되는 원자력은 아주 작은 우라늄 원자핵이 분열하면서 방출하는 엄청난 에너지로부터 생성되는 힘이다. 그런데 세상에 존재하고 있는 많은 원소들 중에서 우라늄이 이용되는 이유는 무엇인가? 이 이유를 알아보려면 원자는 무엇인가에 대해 먼저 알아보아야 한다. 모든 원소의 원자는 양이온(+)을 가진 원자핵이 있고, 그 주위를 도는 음이온(-)을 가진 전자로 이루어져 있다.세상에서 가장 가벼운 원소라고 밝혀진 수소는 양성자와 전자가 하나씩 있는 반면, 세상에서 가장 무거운 우라늄은 모두 92개의 양성자와 92개의 전자를 가지고 있다.그런데다가 원자핵에는 전기를 띠지 않은 중성자가 양성자와 함께 존재하고 있고, 중성자 수는 일반적으로 양성자와 같거나 많아서 양성자와 전자가 하나뿐인 수소보다 우라늄이 엄청나게 무겁다는 것은 쉽게 생각해 낼 수 있을 것이다.때문에 원자력 발전에서는 우라늄235를 분열시켜 그 에너지를 이용한다. 그러면 핵 분열이라는 건 무엇을 말하는가?원자핵을 이루고 있는 것은 양성자와 중성자인데 이들은 아주 강한 힘으로 결합되어 있다.이것이 쪼개지게 되면 양성자의 수가 바뀌므로 다른 원소로 변하게 되며, 이 때 잃어버린 질량이 원자핵의 결합에너지가 되는 것이다.’질량이 줄어서 에너지가 된다’는 것. 이것이 바로 원자력의 가장 기본이 되는 원리이다.

원자폭탄은 굵고 순간적으로원자력발전은 길고 가늘게 에너지 사용

원자력 발전에서는 그럼 왜 우라늄 원소 중에서도 235를 이용하며, 똑같은 우라늄235 원자핵 폭발로도 어떤 경우에는 원자폭탄이 되고 어떤 경우에는 원자력 발전이 되는 것은 무엇 때문인가? 이 차이를 가져오는 설비가 바로 원자로다. 단지 한 개의 우라늄 원자핵이 핵 분열을 했을 때 발생하는 에너지는 아주 미미한 정도다.그래서 사용되는 원소가 우라늄235이다. 이 원소의 원자핵을 중성자로 때리면 원자핵은 쪼개져 바륨과 크립톤이라는 전혀 다른 원소로 바뀌게 되고, 에너지를 방출하며, 동시에 2.5개의 중성자를 만들어낸다.이 중성자는 또 다시 우라늄을 때리고 우라늄은 에너지와 중성자를 만들어내는 과정을 되풀이 하면서 ‘핵분열 연쇄반응’을 일으키게 된다.그러나 중성자가 원자핵을 맞추지 못하거나 우라늄 이외의 원자핵을 맞추거나 하면 핵분열은 일어나지 않게 되므로 중성자가 맞출 수 있는 일정한 양의 우라늄이 필요하게 된다. 이 때 필요로 하는 이 일정량을 ‘임계량’이라고 한다.핵분열 연쇄반응은 임계량 이상의 양이 있는 경우에만 일어나므로 임계량 이상으로 원소량을 유지시키는 것은 무척 중요하다(우라늄235의 임계량은 1kg).일단 이 임계량에 도달하면 중성자 수를 줄이는 특별한 조치를 취하지 않는 한 연쇄반응은 멈추지 않는다.이렇게 일어나는 연쇄반응을 조절하지 않고 한꺼번에 모든 원자핵을 분열시켜 엄청난 양의 에너지를 일시에 방출하는 것이 원자폭탄이고, 분열을 일으키는 중성자의 수를 늘였다 줄였다 하면서 핵분열을 천천히 일어나게 하는 것이 원자력 발전이다.그리고 이렇게 중성자의 수를 조절해 주는 역할을 하는 장치가 바로 원자로이다.원자폭탄은 보여지는 엄청난 위력처럼 에너지를 한꺼번에 일시에 내고, 원자력 발전은 길고 가늘게 에너지를 사용하는 차이를 가지고 있다. 이젠 원자력 발전에 필수적인 원자로의 구조에 대해 알아보자.원자로에는 빠른 속도로 움직이는 중성자의 속도를 줄여주는 감속재가 필요하다.감속재는 중수(중수소와 산소로 이루어진 물)나 물,흑연,베릴륨 등의 물질에 중성자를 통과시켜 주면 중성자의 속도가 감소된다.그 다음으로는 핵분열 반응을 일으키는 중성자가 다른 물질에 흡수되지 않도록 막아주는 반사재를 원자로 내에 설치해야 한다.그 다음으로는 연쇄반응을 천천히 진행시키도록 우라늄을 분열시키는 중성자를 잘 흡수하는 카드늄이나 붕소 등으로 만든 제어막대가 필요하다.이 제어막대를 넣다 뺏다 하는 속도에 따라 반응을 빠르게 또는 느리게 자유자재로 제어할 수 있다.그 외에도 원자로 운전 중 생긴 고온을 적정온도로 유지시키기 위해 사용하는 물,중수,나트륨과 같은 냉각제,발전기의 운전을 사용할 때 만약의 사태에 대비하여 원자로의 운전을 급히 멈추는 역할을 하는 안전막대,냉각제에 옮겨진 열을 다시 다른 기체나 액체로 예를 들면 이 열로 수증기를 만드는 열 교환기 등이 원자로를 구성하는 기본 구조이다.

지상에 태양의 불을!그러나 정확한 사실 전달이 필요

당신은 우리나라에 원자력 발전소가 몇 개나 있는지 아십니까? ‘평화, 멀지만 가야할 길’을 방영하는 도중 길거리에 다니는 사람들에게 던진 질문이다. 9개라고 정확히 답한 사람은 거의 없었다.우리나라 사람들의 핵에 대한 불감증은 심각할 정도에 이르고 있다.핵이라는 것을 이제는 좋든 싫든 우리 생활에서 떨어뜨리는 일은 거의 불가능하다.핵에 대한 논의는 이젠 회피하거나 나와는 관계가 먼 이야기라고 그냥 넘길 수 있을 만한 것이 못 된다.물론 우리가 이렇게 짧은 글로서 원자력의 원리에 대해 안다는 것은 그야말로 무리가 아닐 수 없지만 요즈음 원자력 발전소 건설에 대한 찬반 논의가 활발하고, 2차 세계대전 당시 겪은 피폭자들의 괴로움을 전해 들으면서 핵에 대한 막연한 공포감을 갖고 있는 요즘 무엇보다도 정확한 사실을 아는 것이 필요하다.이젠 원자력 관련기관들도 원자력 발전에 대해 일방적으로 장점만 알리는 홍보자세에서 벗어나 정확히 사실을 사실대로 알리는 성실한 홍보자세를 가져야 할 것이다.