원전 (원자력발전소) 이야기 1 - 원자력이란?

최근 현대건설의20조 원 불가리아 원전설계 계약 (미국 웨스팅하우스와 컨소시엄), 내년 3월에 본 계약이 예상되는 한국수력원자력의 체코원전 (웨스팅하우스 이의 신청 중),빅테크기업 AWS, 마이크로소프트 등의 SMR(소형모듈식 원자로) 투자, 우리정부와 두산에너빌리티, 현대건설, 현대엔지니어링, SK(주), 삼성물산, GS에너지, HD한국조선해양 (구 현대중공업 조선해양부분)등이 많은 투자를 하고 있는 원자력 - 원자력 발전에 대하여 알아보자.

원자력 (Nucler Energy)이란?

원자력(原子力, 영어: Atomic Energy 또는 Nucler Energy)란 방사성원소의 원자핵 붕괴(방사선 붕괴 포함) 또는 원자핵의 질량 변화에 의해 방출되는 에너지를 동력자원으로 활용하는 경우를 말하며, 핵분열 등의 방식을 통해 에너지를 생산한다. 

핵에너지 생성에는 핵분열, 핵융합, 방사성 붕괴 등 3가지 유형이 있으며 이 중에서 현재 원자력에너지로 이용되는 것은 핵분열 방식이다. 핵융합 방식은 아직 연구 단계에 있으며, 방사성 붕괴에 의한 핵에너지는 그 양이 상대적으로 미량이어서 직접 에너지로 이용하기 힘들다. 따라서 우라늄 같은 방사성 물질을 원자로에서 인공적으로 분열시켜 나오는 원자력 에너지를 이용한다.

원자력

 원자력의 원리

1896년 프랑스 과학자 베크렐이 방사선 현상을 처음 발견한 이후 퀴리 부부 등에 의해 자연계 원소들 중에는 이처럼 방사선을 방출하는 물질들이 다수 있음이 확인되었다. 또한 1905년 독일 과학자 아인슈타인에 의해 발표된 특수상대성이론에서 물질의 질량과 에너지 간에는 변환이 가능하다는 이론적 근거가 제시되고, 이후 여러 과학자들에 의해 원자핵의 구조가 상세히 밝혀지면서, 원자핵 내부의 질량 변화와 방사선에너지 방출의 관계가 증명되었다.

 

방사선 경고 이미지

 

원자핵에 작용하는 힘은 크게 핵력과 전기력으로 구분된다. 핵력은 양성자나 중성자 같은 핵자들 사이에서 작용하는 결합력이고, 전기력은 양전하와 음전하 사이에 작용하는 결합력과 반발력이다. 일반적으로 안정한 상태의 원자핵은 핵력과 전기력이 균형을 이루고 있다. 

이렇게 안정한 상태의 원자핵에 중성자를 충돌시키면, 원자핵은 길쭉한 타원 형태로 변형이 일어난다. 그 결과 핵력과 전기력 사이의 균형이 깨지면서 원자핵은 비슷한 질량을 가진 두 개의 원자핵으로 쪼개진다. 이러한 현상을 '핵분열'이라고 한다. 핵분열은 대체로 우라늄같이 무거운 원소의 원자핵들에서 쉽게 일어나는데, 이러한 물질을 '방사성원소'라고 한다.

 

방사성원소의 원자핵은 일단 분열을 시작하면, 그 과정에서 막대한 에너지와 함께 2~3개의 중성자를 재방출하는데, 이들 중성자가 주변의 방사성원소 원자핵들과 다시 충돌하며 연쇄적으로 핵분열을 일으킨다. 

핵분열 시 방출되는 에너지는 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리에 따라 핵분열 전후의 원자핵 내부에서 일어나는 잘량변화에 의해 계산이 가능하다. 이렇게 계산된 에너지가 바로 핵분열에너지다. 실제로 1개의 우라늄-235 원자핵이 중성자를 흡수하면 핵분열 생성물(각종 방사성폐기물 포함)과 함께 평균 2.4개의 중성자를 재방출하며, 약 20만 KeV라는 엄청난 에너지를 방출한다.

 

무거운 원소의 원자핵들이 핵분열을 일으키는 것과는 달리 가벼운 원소의 원자핵들은 '핵융합' 반응을 통해 에너지를 생성한다. 태양과 별들이 스스로 빛을 내는 원리가 바로 핵융합 반응이다. 중수소(중성자수 1), 삼중수소(중성자수 2), 리튬 같은 가벼운 원소들의 경우, 원자핵 2개를 핵력이라는 거대한 힘으로 충돌시키면 새로운 하나의 원자핵으로 융합이 일어나면서 엄청난 에너지가 발생된다. 같은 질량의 원자핵을 반응시킨다면 핵융합이 핵분열에 비해 훨씬 많은 에너지를 방출한다. 

원자력의 기원

원자력의 역사는 X선의 발견에서 시작한다. 1895년 독일 과학자 뢴트겐은 진공관들을 이용한 실험 중 우연히 X선을 발견함으로써 처음으로 방사선의 존재를 확인하였다. 당시 뢴트겐은 미지의 광선이라 생각하여 X선이라는 이름을 붙였다. 이후 1896년 프랑스 과학자 베크렐이 우라늄광석을 관찰하던 중 광석에서 X선과 비슷한 광선이 방출되는 것을 발견하였다. 새로운 광선은 베크렐 선으로 불렸는데, 1898년 프랑스의 퀴리 부부가 우라늄 외에도 몇몇 광물들이 베크렐선 같은 광선을 내는 것을 발견, 이들 광물에서 광선이 방출되는 현상을 방사능이라고 명명했다. 그리고 계속된 연구를 통해 마침내 폴로늄과 라듐을 발견한다.

 

20세기 초 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리에 의해 라듐 같은 방사성 원소에서 대량의 에너지를 얻을 수 있다는 사실을 알게 된 이후로 원자력으로 전기를 얻으려는 노력이 시작되었다. 하지만 방사성이 강한 원소는 짧은 시간 동안만 존재하기 때문에 그 이용이 어려웠다. 초기 핵물리학자인 어니스트 러더퍼드 등의 경우 원자력 발전은 허튼소리라고 할 정도였다. 그러나 1930년대 핵분열이 발견된 이후 상황은 바뀌었다.

 

1930년엔 독일의 보테와 베커가 알파선(알파입자)을 베릴륨이나 붕소에 충돌시키면 강한 투과력을 가지는 입자가 방출되는 것을 실험으로 확인하였다. 이 입자에 대해 1932년 영국의 채드윅이 전하를 띄지 않는 중성입자임을 실험으로 증명하고, 중성자라 명명하였다. 이후 과학자들은 중성자를 핵에 충돌시키는 다양한 실험들을 수행하게 되었다.

 

1932년, 제임스 채드윅이 중성자를 발견하였고 이후 1934년 프레데리크와 이레네 졸리오 퀴리가 여러 물질에 중성자를 가하면서 유도 방사능(induced radioactivity)을 발견했다. 이로써 자연 상태의 라듐을 얻는 것보다 훨씬 싼 가격으로 라듐 같은 방사성 물질을 얻을 수 있게 되었다. 1930년대 페르미는 저속중성자(slow neutron)를 이용하여 유도 방사능의 효율을 올리는 연구를 하였다. 또한 우라늄에 중성자를 가하여 그가 헤스페륨(Hesperium)이라고 이름 붙인 물질을 발견했다고 발표했다.

 

독일의 프리츠 슈트라스만과 오토 한은 1938년에 중성자를 우라늄에 충돌시키면 우라늄보다 가벼운 원소 2개가 만들어지며, 그 과정에서 막대한 양의 에너지가 방출됨을 관측하였다. 이 현상에 대해 영국의 프리슈와 스웨덴의 마이트너는 중성자에 의해 우라늄이 쪼개지는 현상, 즉 핵분열 현상이라 설명하였다.

 

핵분열 현상

 

원자폭탄

원자력에서 빼놓을 수 없는 이야기가 원자폭탄이다.

핵분열을 통해 엄청난 양의 에너지가 방출됨을 알게 되자, 원자력을 무기로 활용하려는 계획이 각국에서 추진된다. 핵무기를 가장 먼저 개발하기 시작한 나라는 독일이었다. 1939년 4월에 독일은 향후 전쟁에 사용할 핵무기를 만들기 위해 우라늄클럽이라는 핵에너지 프로젝트를 시작하였고, 이 프로젝트에는 하이젠베르크, 보테, 한 등 당시 독일의 저명한 과학자들이 참가하고 있었다. 그 해 9월 독일의 폴란드 침공으로 제2차 세계대전이 발발하면서 과학자들이 징집되어 프로젝트는 잠시 중단되었으나, 전쟁 시작 후 재개되어 원자로 우라늄 동위원소 분리 등의 연구가 시행되었다. 하지만 독일정부는 핵무기의 효용성이 떨어진다고 판단하면서, 1942년쯤 핵무기 프로젝트는 군사 분야에서 연구 분야로 넘어갔고, 핵분열을 연구하는 과학자들도 점차 줄어들었다. 

 

미국의 물리학자 닐이 우라늄광석에서 우라늄-235를 분리해 내는 등 핵실험에 대한 연구를 활발하게 진행되었고, 1940년 미국의 맥밀란과 시보그는 우라늄-238이 중성자를 흡수하면 새로운 핵분열 물질로 변환된다는 것을 알고, 이 물질을 플루토늄이라고 명명하였다. 이 발견은 미국의 핵무기개발 계획인 맨해튼 프로젝트에 큰 영향을 주었다. 미국은 정부 주도하에 1942년부터 1946년까지 프로젝트를 진행하며 약 13만 명의 인력을 동원해 우라늄-235와 플루토늄을 이용한 핵무기를 개발하는 데 성공했다. 

 

연구는 먼저 천연우라늄으로부터 우라늄-235의 분리 연구와 우라늄-235의 농축 연구가 수자원이 풍부했던 오크리지에서 진행되었다. 우라늄-235와 우라늄-238은 화학적으로 성질이 동일하므로 미세한 질량 차이를 이용해 물리적으로 두 동위원소를 분리하여 우라늄-235를 농축하였다. 또한 맥밀란과 시보그가 발견한 또 다른 핵분열 물질인 플루토늄을 생산하는 작업이 핸포드에 있는 원자로에서 이루어졌다.

 

이렇게 우라늄-235와 플루토늄을 바탕으로 원자폭탄 3개가 완성되었고, 그 중에서 플루토늄 원자폭탄 하나를 이용해 1945년 뉴멕시코주의 앨러모고도에서 폭발실험이 진행되었다. 이것이 세계 최초의 원자폭탄 실험인 '트리니티 실험'이다. 이 실험을 통해 핵무기의 엄청난 위력이 확인되었고, 1945년 8월 6일과 9일 일본의 히로시마와 나가사키에 각각 우라늄 폭탄과 플루토늄 폭탄이 투하됨으로써 제2차 세계대전이 막을 내린다.

 

히로시마와 나가사키 원폭

 

핵무기의 참상을 목격한 각국의 정치인과 과학자들은 원자력을 평화적으로 이용하자는 운동을 전개하고, 1953년 12월 8일 UN총회 연설에서 당시 미국 대통령인 아이젠하워가 "원자력의 평화적 이용"을 선언하며 국제원자력기구(IAEA)의 창설을 제안한다. 원자력이 군사용 무기가 아닌 평화적인 목적으로 발전에 활용되는 계기였다. 그 후 1957년 IAEA가 정식으로 출범하였고, 핵무기 개발 경쟁의 주도국들 중 구소련이 1954년 세계 최초로 흑연감속로를 개발하고, 이어서 1956년 영국이 기체냉각로를, 1957년 미국이 가압경수로를 개발하면서 평화적인 원자력시대의 막이 열리게 되었다.

 

원자가속엔진은 핵분열로 생긴 중성자를 이용하여 어느 세대의 처음에 있었던 중성자 수에 대하여 그 세대의 마지막에 있는 중성자 수의 비, 즉 증배계수가 1이 되는 임계상태를 지속적으로 유지할 수 있도록 연쇄반응을 조절, 운전하는 장치가 원자로이다. 다시 말해서 원자로는 우라늄(U), 플루토늄(Pu), 토륨(Th) 등이 핵분열성 물질을 연료로 사용하여 그 핵분열의 연쇄반응을 제어하면서 에너지를 끄집어내거나 강한 중성자원을 만드는 장치이다.

 

핵분열 물질인 우라늄-235 1kg을 모두 핵분열시키면 약 2 x 1,013 cal의 에너지가 나오며 이와 동일한 에너지를 발생시키기 위해 석유는 약 1,800MT, 석탄은 약 3,000톤이 필요하다. 

원자력이 처음 규명된 이후 군사(핵무기), 의학(방사선 치료기), 발전(전기 생산), 가속기(과학적 연구), 산업(비파괴 검사) 등 다양한 분야에서 이용되고 있으며, 그중에서도 가장 널리 이용되고 있는 분야가 발전분야이다.

마무리

앞으로 원자력과 관련된 원전, 소형모듈원자로(SMR), 원전 관련 주요 기업들에 대하여 알아보자.