핵 에너지

핵반응기 운전의 이론적 근거는 느린 중성자가 우라늄 동위원소 235U에 작용할 때 생기는 연쇄적 반응에 있다. 즉, 충돌 인하여 원자가 분열되어 작은 원자량을 갖는 물질로 분해되는 것으로서 이때 부수적으로 a, B, V-방사선과 높은 에너지를 갖는 중성자가 하나 이상 방출된다. 이후에 다시 이들 중성자는 다른 235U 원자와 반응하여 또 다른 연쇄반응을 유도하게 되며, 충돌 때마다 방출되는 에너지의 양은 200MeV 또는 3.2×10 ergs이다.

235U는 천연 광석 중에서는 0.7%만이 들어 있으며 핵연료의 경우도 2~4% 정도이다. 따라서 대부분의 우라늄(238U)은 사용되지 않는 상태로 존재한다. 이러한 이유(또한 핵폭탄 제조 시 분열용 원료로 사용하기 위하여)로 인하여 증식형 원자로가 개발되었다. 중식형 원자로는 일반적으로 우라늄 동위원소를 모두 사용할 수 있다. 원래 238U는 연쇄반응을 일으키지 않기 때문에 핵분열 물질은 아니다.

핵연료

광석의 채굴공정

핵반응로에 사용되는 연료로서는 두 종류의 우라늄 광석, 즉 역청우란광으로 불리는 UO2광석과 카르노석이라 불리는 potassium uranovanadate(K2O 2U2O3 V2O5 3H2O)광석이다. 미국에서 생산되는 이 광석의 절반은 지하 광으로부터 얻어지고 나머지 절반은 노천광으로부터 얻는다.

지하 광산은 라돈가스 유출 때문에 광부의 건강이 문제가 되고 있다. 앞서 언급한 대로 라돈 그 자체는 문제가 되지 않으나 분해 산물인 218Po에 의해 발생되는 독성이 문제가 되고 있다. 유럽과 미국에서는 우라늄 광산에 종사하는 광부들에게서 호흡기 질환과 폐암 발생률이 높은 것으로 관찰되었다. 이는 노천광의 경우 라돈이 대기로 확산되기 때문에 직접적인 독성에 대한 관심이 덜하지만 결국 광부와 주변 환경은 바람에 날려진 방사선 낙진에 노출되는 결과를 가져올 수 있기 때문이다.

또 다른 환경적 피해는 광산 폐수 속의 수많은 방사선 물질이 침출되는 경우에 발생하는데 이는 침출수가 강 유역과 지하수를 오염시키기 때문이다.

광석의 가공공정

광석의 가공은 함께 존재하는 라듐으로부터 우라늄의 화학적 분리공정과 연마공정이 포함되는데 이때 우라늄은 노란 케이크로 불리는 ammonium diuranate [(NH4)2U207]로 전환되는 반면, 라듐은 광석 중에 잔류하여 폐기물 처리장에 남게 된다. 따라서 폐기물 처리장은 지속적인 라돈 방출로 인한 환경 문제가 야기될 수밖에 없다. 더구나 수분 증발 후 남아 있는 건조 방사선 잔류물은 바람에 의해 흩어져 넓은 지역을 오염시킨다. 결국 폐기물 처리장은 핵연료를 생산하는 전 과정 중에서 방사선 오염의 주범으로 인식되고 있다.

가공의 다음 단계는 반응기 연료에 맞도록 235U 의 농도를 적당한 수준으로 높이는 것으로 가장 전통적 방법은 우라늄을 가스 형태인 uranium haxafluoride (UF6)으로 변환시키는 것이다. 238U으로부터 235U을 분리하는 방법은 분리막 구멍을 통하여 플루오르의 확산률이 다른 점을 이용한다. 그 외에 보다 새롭고 경제적인 분리 방법은 235U 동위원소가 레이저 광선 중 특이한 색을 선택적으로 흡수하는 성질을 이용하는 원자 증기 레이저 분리 방법이다. 이때 235U 은 이온화되기 때문에 자기장 안에서 238U으로부터 분리할 수 있다.

우라늄 농도가 높아진 uranium haxafluoride UO2로 전환시키고 핵연료를 성형하기 위하여 zirconium 합금으로 만든 튜브에 넣어 펠렛으로 만든다. 핵물질의 분리 과정과 연료봉 제작 과정에서는 매우 미세한 방사선만이 유출된다.

핵 반응기

핵반응기에서 가장 중요한 부분은 반응봉으로서 수천 개 연료봉이 순환 수중에 잠겨있는 구조로 되어 있으며, 연료봉 사이에는 위아래로 움직이는 붕소 막대가 있다. 또한 반응봉 역시 냉각수가 순환되도록 설계된 스테인리스 압력 용기 내에 설치되어 있다.

연쇄반응을 유도하기 위해서는 우선 중성자가 발생하여야 한다. 235U의 분열로 생성된 중성자는 높은 에너지를 가지고 있다. 235U 원자들과 충돌 기회를 증가시키고 계속하여 연쇄반응을 유지하도록 중성자 에너지의 일부는 다음 연료봉을 강타하기 전에 소멸되도록 해야 하는데 이러한 에너지 소실 과정을 ‘감속’이라 부르며 물 분자와 중성자의 상호작용에 의해 주로 이루어지고 있다.

붕소 막대는 중성자를 흡수하여 방출되는 에너지양을 조절하고 필요시 반응기를 중지시키기도 한다.

핵분열에서 생산된 일은 높은 압력 하에서 일을 물에 전달한 다음 고속으로 반응기 압력 용기를 통하여 순환하게 된다. 이때 물의 온도는 거의 300℃에 가깝게 유지된다. 터빈을 작동하기 위한 증기는 직접 혹은 열교환기를 통하여 간접적으로 생산할 수 있다. 중성자를 감속시킬 필요가 없는 중식형 원자로의 경우 열 교환 매체로 물보다 액체 나트륨을 사용한다.

핵반응기의 경우, 반응기로부터 약간의 방사선이 유출되는 것은 불가피한 사실이다. 일부 방사선 분해물질이 연료봉 상자 구멍을 통해 냉각수로 누출되기도 한다. 중성자와 양자가 순환 수중의 산소와 일으키는 충돌이나 중성자가 반응기 부식 시에 발생된 물질과의 충돌 등도 고의적이든 혹은 자연적이든 환경에 방사선 동위원소를 누출시키는 또 다른 요인이 되고 있다.

핵폐기물

핵에너지 산업의 주된 문제는 폐연료 처분으로 인한 배출량은 매년 사용되는 핵연료의 1/3 정도이다. 1000MW 반응로의 경우, 매년 고준위 방사선 물질 33톤(5X10 Ci)이 발생하는데 이 양은 향후 10,000년 동안 환경과 사람 건강에 위해를 줄 수 있는 양이다. 1985년까지 상업성 핵반응로에서 약 12,500톤에 달하는 방사선 폐기물이 발생하였으며 향후 2000년까지 대략 41,500톤에 이를 전망이다.

폐연료는 최초 150일 동안은 반응로 내에 저장된다. 따라서 이 기간에도 방사선의 일부가 분해로 감소되겠지만, 문제는 남아 있는 방사선의 양이 엄청나다는데 있다.

또한 최근에는 반응로 내의 저장고 역시 공간 부족으로 문제가 되자 핵관리위원회에서는 소비된 연료봉 저장에 관한 안전 규정을 완화하였다. 즉, 저장에 필요한 최소 공간을 종전 20 인치에서 12인치로 낮추었다. 일정 기간의 냉각기간을 거친 방사선 물질은 정부가 지정한 임시 저장시설로 옮겨진다.