원자력 발전의 사고와 방사선 문제

 

[원자력 사고의 평가 척도]

 

원전 사고는 국제적으로 평가 척도가 정해져 있다.

레벨 (0) 안정상 중요하지 않음

레벨 (1-3) 이상

레벨 (4-7) 사고

아주 간략하게 말하면 3가지 단계로 분류해 본다.

 

일본 후쿠시마 제1원전 사고의 경우.

일본 정부는 사고 레벨을 4로 책정 했었다.

이후 1,2,3호기에서 멜트다운 으로 방사성 물질이 대량 유출됨을 인지하고, 결국 레벨 7로 격상한다.

 

 

후쿠시마 원전의 사고는 공식적으로 스나미에 의해 전원이 상실되면서 냉각수 공급이 중단되며 냉각 능력이 상실된다.

이에  멜트다운이 일어난 것으로 추정한다. 핵분열 반응을 중지시켰는데도 반응 생성물이 붕괴에 따른 발열이 길게 지속되고, 냉각수 손실은 결국 노심이 과열되어 손상, 용융된 끝에 대형 사고로 이어진다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[사고 발생과 관련한 하인리히 법칙 ]

보통 1건의 '심각한 사고'의 배후에는 약 30건의 '비교적 큰 사고가 있고, 또한 다시 그 배후에 약 300건의 간담이 서늘해지는 사건들이 있다. 그말은 일상에서 사고로 간주할 정도는 아니지만, 지속적으로 큰 사고로 발전할 수 있는 사건이 계속 있었다는 뜻이다.

 

 

눈에 보이고, 화려한 큰 사고만 사고가 아니다.

그것의 전조 현상도 굉장히 중요하다.

 

원자력 발전의 경우 철저하게 내부에서만 알수 있고, 국가에서 운영한다는 점에서 정확한 관리가 힘들다.

그리고 원전 사고의 부정,은폐는 대부분 내부 고발을 통해 세상에 알려졌다.

원전은 위험도에 비해 매우 폐쇄적인 시스템이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[원전의 사고 확률]

대형 원전이 영업 운전을 개시한 게 1970년 무렵이므로 현재 약 50년이 지났다.

그 동안 세계적으로 레벨7 원전 사고가 2건(원자로 수로는 4기), 레벨5 원전사고가 1건 일어났으니 레벨5 이상의 중대사고 빈도는 건수로 계산하면 3건, 원자로 수로 계산하면 5기다. 15년이 채 못 되어 1건, 혹은 9년 좀 못 되어 1기의 원자로가 멜트다운을 일으킨 것이다.

 

평균적으로 거의 10년에 한번씩 원자로 중대사고가 일어 났다고 할수 있다.

 

 

 

 

이것을 일본으로 한정하면 그 수치는 전세계 평균과는 비교해 본다면...

일본에서 거의 50기의 원전이 정기적으로 운전한 지 약 30년이 지났다.

그 동안의 적산가동량 따져을 보면, '30년 × 50기=1500년 • 기다.

여기서 3기가 멜트다운을 일으킨 걸 고려하면, 적산가동량을 3기로 나눈 수치는 1500년 · 기 / 3기=500년이다.

따라서 '원전 1기가 사고를 일으킬 확률은 500년에 한 번'이다.

일본에서 현재 48기의 원전이 운전 가능하므로, 약 10 년에 한 번이라는 사고 확률은 세계 평균과 일치한다.

 

결론적으로 10년에 한 번 원전에서 중대사고가 일어나는 사태를 피할 수 없다는 이야기다.

 

 

 

 

 

'원전 1기당 500년에 한 번'이라는 사고 확률을 단순하게 일반화하면, 운전 · 건설 중인 것들까지 포함해 전 세계의 원전이 약 500기 정도이니 매년 1기씩 중대사고가 일어날 수 있다.

 

 

실제로 원전은 집중적으로 들어서 있는 경우가 일반적 이다.

한번 사고가나면 2-3기가 연쇄적으로 사고를 일으 킨다.

원전 사고는 피해조차 제대로 파악하지 못할 정도로 매우 위험하기 때문에 사고를 통해 인류가 제대로 배울 수 있는게 없다. 사태 파악 조차 힘들기 때문에 원인과 결과를 면밀히 알수 없다.

 

 

 

 

 

 

 

[대표적인 핵연료 토튬, 플루토늄, 우라늄]

핵연료의 종류 - Atomic Wiki

 

핵연료 물질은 우라늄(U), 플루토늄(Pu), 토륨(Th)의 3가지 원소가 해당되며, 동위원소에 따라 크게 핵분열성 물질(fissile material)과 핵연료 원료물질(fertile material)로 구분할 수 있다.

 

 

 

 

<우라늄(Uranium, U)>

천연 우라늄에는 U-234, U-235와 U-238 등 3 가지 동위원소가 존재 하며, 이 중에서 핵분열성 물질인 U-235만이 핵연료로서 사용되고 있다.

 

금속 우라늄(U)은 밀도(19.06 g/cm3)가 대단히 높은 중금속으로 산화되지 않은 상태에서는 은백색을 띠고 있지만 산화가 잘 일어나므로 공기 중에서는 산화 정도에 따라 검은 다갈색 또는 검은색으로 변한다.

 

그리고 융점이 1132℃ 로 3개의 상이 존재하는데 상온에서 662℃ 까지는 사방정(orthorhombic)의 α 상으로 결정학적 이방성을 가지며, 662~772℃ 까지는 정방정(tetragonal)의 β 상으로 이 또한 결정학적 이방성을 가진다. 그리고 772-1132℃ 까지는 체심입방정(body- centered cubic)의 γ 상으로 등방성을 가진다.

 

핵연료로써 일반적으로 사용되는 것은 α-U과 그 합금이다. a-U은 상변태시 결정구소가 사방정 ⇄ 정방정으로 바뀌면서 체적이 약 1.2% 변한다. 그러므로 금속 우라늄 연료의 사용온도가 상변태 온도인 662℃ 이하로 제한된다.

 

 

 

 

 

 

 

<플루토늄(Plutonium, Pu)>

플루토늄(Pu)은 자연계에 존재하지 않으며 U-238의 핵변환에 의해서 생성되는 원소로, 공기 중에서 산화되어 금속 특유의 은백색 광택을 잃고 카키(dull yellow)색으로 변한다.

 

금속 플루토늄은 융점이 640℃로 α(단사정), β(체심단사정), γ(사방정), δ(면심입 방정), δ‘(정방정), ε(체심입방정)의 6개 상(phase)을 가진다. 640℃의 구간까지 다섯 번의 상변태를 하면서 체적변화도 따르기 때문에 온도에 따라서 매우 불안정한 재료이므로 순수 Pu 금속은 핵연료로 실용화되는 것은 어렵다.

 

 

 

 

 

 

<토륨(Thorium, Th)>

토륨(Th)은 자연계에 존재하는 원소이나 핵연료성 물질로 원자로에 직접 사용하지 못하고 U-223으로 핵변환 시킨 후 핵연료로 사용할 수 있다.

 

금속 토륨은 융점이 높으며(1750℃) 1400℃ 이하에서는 α상 (면심 입방정)으로, 1400℃ 이상에서는 β상(체심입방정)으로 두 상이 존재한다 .

 

모두 대칭성이 좋아 우라늄, 플루토늄과는 달리 등방성이며 성형가공성도 좋고 95%까지 냉간가공이 가능하다. 그리고 열전도도가 높은 반면에 열팽창률이 작아서 연료로써 좋으나 화학적으로 반응성이 강하여 부식에는 약하다.

 

대기 중에서 산화하여 은백색에서 흑회색으로 변한다. 핵연료로서는 금속이나 합금형태가 아니라 산화물 또는 탄화물로써 주로 사용된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[역사 속으로 사라진 토륨 원자로]

원전에는 세 가지의 주요한 구성요소가 있고, 원자로 설계도는 무엇이 사용되는가에 따라 몇 가지 패턴으로 나뉜다.

대표적 핵발전 물질중에서 토튬이 가장 안정적이며 효율적이다.

 

 

 

1) 핵반응 물질

통상 천연우라늄이나 우라늄 235의 함유량을 4% 정도까지 높인 (저)농축우라늄이 쓰이지만, 핵분열을 일으키는 토륨 232(Th-232)를 사용하는 선택지도 있다.

 

 

 

2) 감속재

핵반응이 일어나기 쉽도록 중성자의 속도를 떨어

뜨리는 역할을 하며, 비교적 가벼운 원소로 구성된 수소와 산소가 결합한 보통의 물인 ‘경수’나 수소보다 2배 무거운 중수소와 산소를 결합한 ‘중수’가 있다. 추가로 탄소가 쓰이기도 한다.

 

 

 

 

3) 냉각재

핵반응을 통해 방출된 에너지를 흡수하는 매질 이다.

물(경수 혹은 중수)이나 헬륨가스, 혹은 탄산가스가 사용된다.

그리고 다량의 열에너지가 포함된 냉각재에서 2차 계열의 물로 에너지를 이동시킨

후 수증기로 만들어 발전기를 돌린다.

 

 

 

 

 

 

 

==

 

실제는 이런 3가지 방식을 조합하여 원전을 구성할수 있다.

하지만, 현실은 그렇지 우라늄을 쓰는 원자로가 100% 사용된다.

 

감속재도 냉각재도 통상적인 경수가 쓰인다. 이것은 미국이 주도해서 만든 기술이 그렇고, 전세계 원자로의 80% 이상을 미국이 선점하고 있기 때문이다. 모든 주도권은 미국이며 기술의 진보와 효율, 안정성은 전혀 고려 대상이 되지 못하고 오로지 전세계 패권을 기준으로 하기 때문이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[토튬의 장점]

토륨을 연료로 하는 원자로가 우라늄보다 자원량이나 안전성 등에서 더 낫다는 평가가 있음에도 불구하고 앞으로도 본격적으로 사용될 전망이 거의 없다.

 

우라늄235와 마찬가지로 토륨 232는 중성자를 흡수하면 토륨 233이 되어 핵분열을 일으키는 성질이 있다.

그리고 토륨의 자원량은 우라늄의 3~4배로 예상되기 때문에 에너지원으로서도 우라늄보다 토륨쪽이 우세하다.

 

 

토륨의 불소화합물은 융점이 낮으므로 통상적으로 액체 상태다.

따라서 이것을 연료로 가득 채운 원자로를 용융염로라 부른다.

액체 상태의 연료는 그대로 감속재가 되고, 또한 에너지를 방출하며 흘러 원자로 밖으로 열을 내보내는 냉각재 역할도 한다.

 

일반적인 우라늄 원자로에는 고체 상태인 연료집합체가 쓰이며 그 주변을 감속재와 냉각재가 에워싸고 있지만, 토륨 원자로에서는 액체 상태의 용융염이 연료 · 감속재 ·냉각재의 세 가지 역할을 한다.

 

 

토튬의 경우 냉각재 손실 사고가 일어나 핵반응이 폭주할 결점이 없다.

원자로가 파괴되어 액체 연료가 밖으로 유출되도 바로 냉각되어 굳어지며 큰 사고로 발전하지 않는다. 거기에 액체 연료를 조금씩 빼내 핵분열로 생긴 방응물을 제거하는 청소 작업도 유리하다. 결국 방사성 폐기물도 우라늄을 사용할 때보다 적게 생성된다.

 

 

 

이처럼 우라늄 원자로보다 많은 장점이 있음에도 토륨 원자로가 주류가 될 수 없었던 건 군사적 이유 때문이다. 우라늄에서 핵분열성 플루토늄을 만들어내면 이것을 다시 원폭 재료로 사용할 수 있으므로 우라늄을 이용한 연구에 관심이 집중된 것으로 추정하고 있다.

 

 

 

또한, 토륨으로 원폭을 만들기 위해서는 일단 원전 가동 시작 단계에서 인공적인 중성자 조사가 이뤄져야 하는데, 즉각적인 대응이 필요한 군사용으로는 적합하지 않아 방치된 것이다.  현재 토륨 원자로는 토륨 자원이 많은 인도에서만 연구되고 있다.

 

 

하지만 근본적으로 원자력 발전은 방사성 폐기물을 만들어 낸다.

토튬이 우라늄보다 뛰어나더라도 결론적으로 올바른 해법이 아니다.

 

 

 

 

 

 

[방사선이 인류에 최초 등장]

방사선이 인류에 최초로 등장한 것은 1895년 뢴트겐이 에너지 출력이 높은 전자에서 방출되는 X선을 발견하면서 부터다.

 

이후 1896년 베크렐이 우라늄 화학물에서 방사선을 발견했다.

1897년에는 퀴리 부부가 플로토늄과 우라늄의 방사선을 배출하는 능력을 발견하는 등 당시까지 알려지지 않은 미지의 영역인 방사능에 관한 발견이 줄줄이 이뤄진다.

 

 

.

어니스트 러더퍼드는 원자에서 나오는 방사선에 알파선(헬륨 원자핵), 베타선(전자), 감마선(고에너지 전자기파)이 있다는 걸 밝히고, 이후 양자선과 중성자선도 방사선의 일종임을 규명한다.

 

 

원자의 중심부에 있는 원자핵이 불안정해 상태변화를 일으키거나 다른 입자로 변할때 방사선이 방출된다는 사실을 알아낸 것이다.

 

한편 초기에는 방사선이 건강에 미치는 악영향을 아무도 알지 못했음으로, 맨손으로 만지거나 가깝게 두면서 실험을 했었다. 아직도 퀴리 부인이 남긴 실험 노트에는 강한 방사선이 검출 된다. 그리고 방사선을 연구하던 많은 과학자들은 젊은 나이에 고통스런 최후를 맞이하는게 일반적이였다.

 

 

 

그래도 의료 분야에선 방사선의 해로움을 알려지게 된다.

방사선을 취급하는 기사나 자료에 악성종양, 암발병에 대한 많은 기사들이 실리게 된다.

그런 이유로 1924년 국제방사선의학회의가 최초로 개최 된다.

이후 방사선 피폭 문제를 다룬 많은 주의사항을 국제적으로 권고하기 이른다.