원자력 발전과 핵분열 원리, 방사선 그리고 안정성.

■ 원자력 발전소의 안정성을 알기 전에 원자력발전의 원리를 알아보자

 ≫ 원자력발전을 들여다보면, 수증기를 만드는 과정만 제외하고는 그 원리 가 다른 화력발전과 동일하다. 화력발전에서는 보일러에 물을 넣고, 석탄이 나 석유를 태워 물을 끓이면 수증기가 발생한다. 그리고 이 수증기를 이용 하여 터빈과 발전기를 돌려 전기를 만든다. 원자력발전도 수증기를 만들어 터빈과 발전기를 돌려 전기를 생산하는 것은 동일하다. 다만, 수증기를 만 드는 과정이 다를 뿐이다. 원자로라는 보일러에서 석탄이나 석유를 태워 열을 얻어내는 것이 아니라 핵분열을 일으켜 발생되는 열을 이용하여 물을 끓인다는 점이 다르다.

핵분열이란 자연에 존재하는 가장 무거운 원소인 우라늄이 중성자를 흡수하여 둘 또는 셋으로 조각나는 현상을 말한다. 핵분열이 일어나면 우라늄은 간데없고 다른 원소들이 생성되는데, 이 과정에서 잉여중성자가 나와 반응을 지속시킬 수 있어 끊임없이 핵분열 반응이 지속되는 것을 핵분열 연쇄반응이라 일컫는다. 사실 하나의 핵분열이 일어날 때 발생되는 열량은 아주 적으나, 연쇄반응이 지속적으로 일어난다면 발생되는 에너지가 너무 커서 인간이 제어할 수준을 넘게 될 수 있으며, 아무 조절하지 않고 가만 두면 그것이 바로 핵폭탄이 된다. 한 번의 핵분열이 일어나면 두 개 이상의 잉여중성자가 나오는데 이 중성자로 인해 새롭게 두 번 이상의 핵분열반응이 일어날 수 있다. 그렇게 되면 다음 단계에서는 4번 이상의 반응, 그 다음에는 8번 이상으로 핵분열 반응으로 기하급수적으로 증가한다. 발생하는 에너지 양도 기하급수적으로 늘어나는 것이다. 이러한 연쇄반응을 지속하면서 잉여중성자를 하나만 남겨놓고 나머지를 없애버린다면 다음 단계에서 핵분열은 하나만 일으키게 되며, 이런 조절을 매 연쇄반응마다 할 수 있다면 에너지는 충분히 활용될 수 있을 것이다. 이렇게 만든 것이 원자력발전이다.

■ 핵분열 연쇄반응은 알았다, 연쇄반응 자체가 위험한 것은 아닌가?

 ≫ 우라늄에는 두가지가 있다. 자연에서 존재하는 우라늄-238, 그리고 실제 핵분열을 일으킬 수 있는 우라늄-235가 있다. 우라늄-235는 자연에 1/140 정도로 극히 적은 양만이 존재한다. 그리고 원자로에는 우라늄-238이 95.5%의 비율로 들어가게 된다. 우라늄-238은 핵분열을 할 수 없어서 핵분열 반응을 일으키려면 반드시 그런 반응이 일어날 수 있는 조건을 만들어야 한다. 우라늄-235가 바로 그것이다. 우라늄-238은 핵분열을 할 수 없지만 우라늄-235의 희석제로 사용하고 있다. 그래서 폭탄과 원자로에 들어가는 우라늄은 똒같이 우라늄이라고 칭하지만 그 성분이 다르다고 할 수 있다. 원자로에서는 일부 출력이 갑자기 증가하더라도 충분히 대처할 수 있는 정도의 자연 우라늄을 섞어 쓴다고 보면 된다. 우라늄-238도 폭발할 수 있지 않은가? 라고 생각할 수 있는데, 하나의 예로 우라늄 원광이 있는 지역에서 핵분열 연쇄반응이 일어나 스스로 폭발하는 경우는 아직 한 번도 없었고, 아마 앞으로도 발생하기 어려울 것이다. 결론적으로 원전은 관리가 정상적으로 잘 된다면 결코 스스로 폭발될 수 없다.

■ 방사선의 종류와 그 위험성, 그리고 활용

 ≫ 방사능과 방사선이 있다. 방사능(Radioactivity)은 정성적으로 방사성 물질이 방사선을 내는 강도를 뜻하며, 정량적으로는 방사성 물질에 들어있는 불안정한 핵의 양을 말한다. 방사선(Radiation)이란 방사능을 가진 원자에서 발생하는 빛 또는 물질이다. 몸을 투과하면 분자와 공명하여 세포를 파괴시키거나, DNA 혹은 RNA의 수소결합을 절단하여 유전자를 파괴하거나 변형시킨다. 일반적인 노출은 인체에 해가 되지만 이를 집중하여 쬐면 종양 등을 파괴하고 유전자를 변형시킬수 있는 수단이 된다. 약한 상호 작용에 의해 원자가 붕괴하면서 나온다. 즉, 방사선을 어떻게 사용하냐에 따라 해가될 수 있고 득이 될 수 있겠다. 이러한 방사선에도 좋류가 있는데, 아래와 같겠다.

 1. 첫번째로 이온화 방사선이라고 있다. 보통 방사선이라고 하면 이온화 방사선을 말한다. 이온화 방사선은 인공적 또는 자연적인 핵반응에 의해 발생되며, 번개에서 초신성 폭발 등 자연적 과정에서 생성된 전자기장에서 전이된 입자의 가속 등에 의해 발생한다. 이온화 방사선은 환경에서 흔히 발견되는데, 자연적으로 발생하는 방사성 물질과 우주선으로부터 온다. 보통 인공적인 근원으로는 인위적으로 생성된 방사성 동위 원소들, X-선관, 입자 가속기 등이 있다. 이온화 방사선은 보이지 않으며, 인간의 감각으로는 직접적으로 탐지되지 않아, 이온화 방사선이 있는지를 감지하려면 가이거 계수기와 같은 장비가 필요하다.

 2. 두번째로 알파선이 있다. 알파선은 낮은 투과율로 피부를 통과하지 못하나 채네에 유입되면 유해성이 매우 높아진다. 예를 들면 상처난 피부, 호흡, 경구섭취^[각주:1] 등이다. 알파선은 높은 이온화 특성을 지니는 입자의 하나이다. 알파 입자는 우라늄이나 라듐과 같은 방사성 물질이 알파 붕괴를 하는 도중에 방출되는데 이 과정에서 때로는 원래의 원자핵이 들뜬 상태에 놓이기도 하며, 남는 에너지는 감마선 방출을 통해서 방출되기도 한다. 알파 입자는 전하와 무거운 질량 때문에 쉽게 물질에 흡수되며 공기 중에서는 몇 센티미터 밖에 나아가지 못한다. 휴지 한장에도 흡수되며 사람의 외피층(약 40 마이크로미터, 몇 개 가량의 세포 두께)에도 흡수된다. 이러한 이유로 먹거나 흡입하지 않는다면 일반적으로는 위험하지 않다. 하지만, 무거운 질량 및 강한 흡수성 때문에 일단 체내에 진입하게 된다면 가장 위험하기도 하다.

 3. 세번째로 베타선이 있다. 몇몇 방사능 핵종에서 방출되는 고에너지, 고속의 전자나 양전자 입자를 베타 입자라고 한다. 이 베타 입자로 방출되는 것을 베타 광선(베타선)이라고 한다. 베타선은 중간정도의 투과력과 중간정도의 이온화능력을 가진다. 대부분의 베타입자들은 수mm의 알루미늄으로 차단시킬 수 있으며 베타선은 알파선보다 이온화가 강하다. 베타 입자들은 눈이나 뼈의 암 등 건강을 다루는데 쓰이고, 인체 내부 관찰을 위해 사용되기도 한다. 베타 입자들은 물질들을 관통하여 분자구조를 변형시키기도 한다. 이러한 변화는 암이나 죽음과 같은 심각한 결과를 초래할 수 있다. 만약 DNA의 분자구조가 변형된다면 돌연변이를 만들어낼 것이다. 또한, 베타입자들은 암세포를 죽이는데 사용되기도 한다.

 4. 네번째로 감마선이 있다. 방사능 및 전자와 양전자가 충돌하여 없어질 때 감마선이 생성된다. 감마선은 알파선과 베타선에 비해 투과성이 높으며 화상, 암, 유전자 변형과 같은 피해를 유발한다. 핵전쟁등에서 사용될 가능성이 있는 핵무기의 낙진에서 발생하는 감마선은 수많은 사상자를 유발한다. 보통 감마선을 차폐^[각주:2]하기 위해서는 많은 양의 물질이 필요하다. 감마선의 에너지가 높을수록 더욱 두꺼운 차폐물이 요구된다. 감마선의 강력함은 박테리아 제거 등을 통한 의료기기의 살균에 유용하게 쓰인다. 또한 음식물, 특히 육류나 채소의 신선함을 유지하기 위해 박테리아나 벌레를 제거하는 데 사용되기도 한다. 감마선은 암을 치료하는 데 사용되기도 한다. 

 5. 다섯번째로 중성자선이 있다. 중성자가 빛처럼 나아가는 방사선의 종류 중 하나이며 핵반응시에 나오므로 원자로를 가동할 때나 중성자폭탄이 폭발할 때도 나온다.

 6. 여섯번째로 엑스선이 있다. 엑스선은 매우 빠르게 움직이는 전자가 무거운 원자에 충돌할 때 발생한다. 독일의 물리학자 빌헬름 콘라트 뢴트겐이 처음 발견하여 이름붙였으며, 그의 이름을 따라 뢴트겐선으로도 부르기도 한다. 엑스선은 주로 의료용 엑스선으로 투시검사, 혈관조영 검사, CT검사 등 여러분야에서 사용된다. 또한 산업 및 기타용도로 부품이나 용접 부분에 엑스선 촬영을 실시해 부품, 용접 부위의 무결성을 검사하는데 이용할 수 있다. 또한 인천 공항 수하물 스캐너는 수하물의 내부를 엑스선으로 쪼아 투영함으로써 위험 물질이나 무기 등을 찾을 수 있었다. 엑스선은 파장이 짧은 전자기파이기 때문에 물질을 잘 통과한다. 엑스선을 이용하여 물질의 구조를 결정하거나 인체 내부의 이상을 알아보는 등 응용 범위는 매우 넓다.

■ 원자력 발전소의 안전장치

 ≫ 원자력 발전소 안전설계의 근본적인 개념은「심층방호(Defense in Depth)」이다. 여러 겹의 방어선을 설치하여 고장 즉 이상상태가 더욱 확대된 결과 발생되는 사고(Accident)를 각 방어선에서 막도록 하되 어느 하나가 실패하면 그 다음 방어선이 막는다는 개념이다. 원자력 발전소의 정상운전 상태를 벗어나서 안전에 영향을 줄 수 있는 일반적인 이상(異常)상태는 원자로 긴급정지로써 사고로 확대됨을 충분히 방지할 수 있지만, 긴급정지만으로는 도저히 막을 수 없는 사고도 있다.  그 대표적인 것으로 원자력 발전소 최악의 가상사고인 원자로 냉각재 상실사고 등이 있다. 냉각재가 부족하여 노심이 녹아 손상되는 등은 긴급정지로 막을 수가 없다. 대표적으로 [체르노빌 원자력 발전소] 사고와 이유 그리고 그 과정 #1에서 다루는 이유가 냉각재 상실사고와 연관이 있다. 이러한 만약에 상황이 발생하여 냉각능력을 상실하더라도 원자로 바깥에 별도로 설치되어 있는 탱크에서 자동으로 비상용의 냉각재 및 중성자 흡수물질인 붕산수를 함께 원자로 내에 공급하여 핵분열 반응을 중지시킴과 동시에 과열된 핵연료를 냉각시켜 방사성 물질의 근원인 핵연료봉의 손상을 방지해준다. 그 외에 원자로 냉각재 주요 배관이 절된되는 경우 고압안전주입 장치가 작동하고 있어서 안전주입탱크 및 저압안전주입장치가 순차적으로 작동되어 원자로 내에 붕산수를 공급하여 과열된 노심을 냉각시키게 된다. 또한 냉각재 계통의 주요 배관이 약간만 파손되어 원자로내의 냉각수 물이 서서히 감소되더라도 먼저 고압안전주입장치가 작동하고 원자로내의 압력이 점차 감소하여 물이 끓게 되어 핵연료봉의 냉각이 어려워지면 이어서 안전주입탱크, 저압안전주입장치가 차례로 작동하여 과열된 노심을 냉각시킨다.

 ≫ 그 외에도 격납용기 압력강하장치라고 하여 고온, 고압의 원자로 냉각재가 파열부위를 통해 바깥으로 빠져 나오면 순간적으로 증발되어 매우 큰 압력을 미치게 되는데 이러한 이유로 이러한 현상을 방지하기 위해 원자로 천정에 분무 장치를 두어 격납용기의 압력이 상승하여 일정 한계치에 도달하면 자동적으로 붕산수를 분사시켜 수증기를 응축시킴으로써 인체에 유해한 방사성 기체를 제거한다. 이러한 심층방호 구조로 하나의 문제가 발생하면 다른 방어선에서 막도록 되어 있다는 것이다.

 ≫ 결정적 문제는 이러한 긴급노심냉각장치 등을 사용자가 수동으로 꺼버리는 사태다. [체르노빌 원자력 발전소] 사고와 이유 그리고 그 과정 #1에서 관련 내용을 다룬다. 체르노빌 원자력 사고에서는 실험을 위해 연구원이 긴급노심냉각장치를 꺼버린다.

■ 아래는 방사능의 안정성에 대한 유튜브 영상을 가져왔다.

 ≫ 사실 본 내용은 방사능의 위험성도 소개하지만, 본 주제는 그게 아니라는 것은 함정, 본 내용에 관심있게 읽었다면 재밌게 볼 수 있을 것이다.

출처 : http://www.karc.or.kr/pds/data/1351743489_02.pdf, http://tip.daum.net/question/3612172

그 외 방사선, 알파선, 베타선, 감마선, 중성자선, 엑스선 등의 위키백과

1. 경구섭취 : 방사성 물질이 체내로 섭취되는 경로의 하나로 입에서 소화기관에 들어가는 것. [본문으로]
2. 차폐 : 가려막아 덮음 [본문으로]