[일신기술]원자력에 대한 전반적 이해

 

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원자력에 대한 전반적 이해

 

1. 원자력의 정의

원자력은 일반적으로 핵분열 에너지를 말하며 법률에서는 “원자핵 변화의 과정에 있어서 원자핵으로부터 방출되는 모든 종류의 에너지”라고 정의하고 있다.

 

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2. 원자력의 관측과 원리

원자력은 일반적으로 핵분열, 핵융합, 자연방사선 붕괴의 3가지 방법에 의해 관측된다.

 

(1) 핵분열

핵분열은 우라늄이나 플루토늄과 같이 원자량이 큰 핵이 중성자와의 충돌로 두 입자로 쪼개지는 것을 말하며, 이때 쪼개진 두 입자의 질량의 합은 기존의 질량보다 낮기 때문에 질량 보존 법칙에 따라 엄청난 열에너지가 방출된다.

 

(2) 핵융합

핵융합은 항성들(태양같이 스스로 빛을 내는 별)이 빛을 낼 수 있게 하는 원인이며 두 개의 핵이 결합하면서, 하나의 새로운 핵을 생성하는 것으로, 이때 생성된 핵의 질량은 결합 전 두 핵의 무게보다 작다. 이때 나타나는 질량의 차이로 에너지가 방출되는데 대표적으로 수소 핵융합이 있다. 수소 핵융합 반응은 반응 후 방사성 물질을 생성하지 않고, 원료인 수소를 반영구적으로 공급받을 수 있다는 점에서 엄청난 에너지 기술이다. 중수소 1g은 석유 8톤과 같은 에너지를 만들어낼 수 있다. 다만 수소 원자를 플라스마(초고온의 기체 상태에서 이온 핵과 자유전자로 이루어진 입자들의 집합체) 상태로 만들어서 반응을 해야 되는데 플라스마 상태로 만들기 위해 필요한 열은 약 1000만도 이상이다. 더 나아가 긴 시간 동안 이 온도를 긴 시간 동안 유지하여 지속적인 핵융합 반응을 얻기란 현재 기술력으로는 사실상 불가능할 것 같지만 가능은 하다. 다만 핵융합 발전이 상용화되려면 투입된 에너지보다 생산된 에너지가 20배 이상 많아야 하는데 현재는 거의 같은 수준이라 아직 기술적인 연구와 개발이 많이 남아 있는 분야라는 것이 전문가들의 의견이다.

 

(3) 방사성 붕괴

방사선 붕괴는 핵분열에 사용되는 핵연료와 같이, 자연적으로 불안정한 생태에 있는 물질들의 핵이 자발적으로 붕괴하는 것을 말한다. 붕괴하면서 방사선을 방출하며 에너지를 방출한다.

 

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3. 원자력의 장점

원자력의 가장 큰 장점은 적은 연료 소모로 막대한 양의 에너지를 얻을 수 있다는 것이다. 앞서 말했듯이 핵융합은 현재 상황에서 불가능하고 핵분열을 예로 들면, 우라늄 1kg이 핵분열로 내뿜는 에너지가 석유 200만 리터 또는 석탄 3000톤의 에너지와 필적할 정도이다. 엄청난 경제적 이점이 아닐 수 없다. 연료원별 정산단가는 석유가 221.7원/kWh로 가장 높고, 그 뒤를 이어 양수(204.2원/kWh), 수력(170.8원/kWh), LNG(160.8원/kWh), 무연탄(91.6원/kWh), 유연탄(58.8원/kWh), 원자력(39원/kWh) 순이다. 출처 - http://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=116176 이 액수는 건설비, 중저준위 방폐물 관리 기금, 사용후연료 관리 부담금, 원전 해체 충당금까지 포함한 것이다. 석유보다 무려 5배 이상 경제적이다.

 

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4. 원자력의 단점

(1) 핵 폐기물 문제

한때는 바다에 무책임하게 버려졌으나 런던 협약으로 현재는 금지되고 원자력 내부에 보관되고 있다. 우리나라의 경우 2038년 안에 모든 원전의 임시 보관 장소가 가득 차게 된다. 2010년대 초 기준으로 전 세계에 원자력 발전 등으로 인해 여태껏 만들어진 고준위 방사성 폐기물의 양은 무려 25만 톤이며 이 수치는 신흥 원자력 발전 국가가 늘어나면서 더 크게 늘어났을 것이다. 이 핵 폐기물을 왜 함부로 버리면 안 될까? 방사능 폐기물의 반감기를 보면 스트론튬 28년, 세슘 30년, 플루토늄 24,000만 년이며 지구 생태계에 안전한 수준으로 방사능 수치가 떨어지기 위해선 무려 10만 년이라는 세월이 필요하다.

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(2) 핵무기화

핵무기는 우라늄과 플루토늄으로 만들 수 있는데 원자력 에너지를 얻는 과정에서의 우라늄은 핵무기의 원료로는 쓰일 수 없다. 다만 플루토늄 같은 경우 핵원료로 쓰일 수 있기 때문에 핵원료 보유국이 될 수 있다. 이는 정치적으로 원자력을 반대하게 되는 원인이다.

 

(3) 원자력 사고

원자력 사고는 일단 한 번 크게 터지면 수십 km 이내의 지역은 사고의 규모나 종류에 따라 까마득한 기간 동안 아예 사용은 고사하고 장비를 갖추고도 진입 또는 주둔이 불가능에 가깝게 되는데, 현대의 인류는 원자력 에너지를 활용할 줄은 알면서 정작 사고가 날 때의 해결 능력은 확보하지 못했고 이로 인한 대표적 원자력 사고로 체르노빌 원자력 발전소 사고, 후쿠시마 원자력 발전소 사고가 있다. 따라서 일반적인 구조물이 갖는 단면력에 비하여 원자력 구조물은 10배 이상의 내력을 갖고 있으며 구조형식에 있어서도 돔 형식의 벽식구조와 더불어 사고 시 압력에 대비하기 위하여 포스트텐션이라는 강선으로 돔 외부를 칭칭 감고 있다. 원자력 발전소의 지진 피해를 걱정할 정도의 강진이 발생한다면 원자력의 인근 지역, 어쩌면 한반도 전역이 괴멸 상태에 빠져 원자력 발전소의 안전을 염려할 여력이 없을 것이다.

 

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5. 현시점의 원자력​

현재 대한민국의 에너지원별 전력 생산량을 살펴보면 2010년도 이후 원자력에서 생성되는 에너지는 현재까지 유지되거나 축소된 상황​이다. 이유는 2011년도 후쿠시마 사고 이후 원전에 대한 여론이 급격하게 악화되었기 때문이다. 반면 가스 에너지와 신재생 에너지의 생산이 늘고 있는 추세이다. 석유는 단가도 비싸고 환경적인 측면에서도 좋지 않기에 거의 사용되고 있지 않는 추세이며, 석탄 에너지의 비율이 현재까지도 전체 에너지 생산량의 약 반으로 가장 높다.

석탄을 주로 사용하는 이유는 석탄으로 전기를 발전하는 가격이 원자력 발전을 제외하고 가장 저렴하기 때문이다. 또한 전 세계적으로 아직도 수천 년 동안 사용할 수 있는 석탄이 남아있다. 실제로, 미국도 1950년에 석탄 발전이 바닥을 찍었으나, 스멀스멀 비중이 증가하여 지금은 전체 발전량의 50%에 근접한 실정이고, 앞으로 잡힌 미래 에너지 플랜에서도 석유 발전을 석탄 발전으로 차례차례 대체해 나가기로 잡혀있다. 미국 외 세계 여러 나라(특히 중국이나 인도) 정부도 현재 석탄 발전소에 올인하고 있다. 또한 화력발전은 다른 발전 방식과 비해 출력 조절이 쉽기 때문에 거의 모든 나라의 발전의 근간은 화력발전이라고 할 수 있다. 물론 원자력에 크게 의존하는 프랑스나 순전히 수력과 지열에 의존하는 아이슬란드 같은 예외적인 경우도 있다.

석탄 발전의 단점은 가장 대기오염을 많이 불러일으키는 화석 연료라는 점이다. 석탄 발전소는 가장 많은 탄소를 배출하며 기후 변화에 가장 치명적인 요인이 되고 있다. 또한 화력발전의 원료인 화석연료가 시출 기술의 발달로 뽑아낼 수 있는 양은 많아졌으나 반대급부로 가격이 많이 올랐고 전 세계 인구가 70억 인 시점에서 막대한 에너지 소모량을 줄일 수 없다는 점, 플라스틱 및 비료, 약품 등 써야 할 곳이 많은 석유를 전기를 얻기 위해 소비해야 되는 비효율성, 특히나 전 국토의 70%가 산인 우리나라의 경우에는 신재생 에너지 사용을 위한 부지가 부족하고 북한이라는 곳 때문에 사실상 섬과 같은 지리적 위치 때문에 전력 수입도 불가능하다는 점 등을 감안하면 원자력 발전은 필요악이라고 볼 수 있지 않을까?

하루빨리 핵폐기물과 그 보관 기간을 줄일 수 있는 기술이 상용화되고 핵융합 에너지를 이용할 수 있는 신세계가 도래했으면 좋겠다. 일신오토클레이브도 그때까지 원자력 발전 설비를 연구•개발하는 데 게을리하지 않고 눈에 띄는 기술적 향상을 이루기 위해 노력할 것이다.

 

참고 문헌 – 한국물리학회(https://www.kps.or.kr/)

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미국ASME 기준으로 디자인 설계를 하였고,

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안전한 압력용기 설계를 하였으며,

 

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- SERT : Slow Extension Rate Test(일정 변형율)

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