원자력발전의 딜레마

1945년 8월 6일 오전 8시 14분 조종사 폴 티벳 중령의 어머니 이름을 딴 B29 폭격기 ‘에놀라 게이’가 우라늄 폭탄 ‘리틀 보이’를 히로시마 상공 9750m에서 투하했다.

자동 폭발 고도인 580m에 도달하기까지는 57초 걸렸다. 8시 15분, 핵폭발로 인해 발생한 버섯구름은 18㎞ 상공까지 치솟았고 폭발 중심 지점에서 반경 1.6㎞ 이내 모든 것이 파괴됐다. 폭발 당시 25만5000여 명이 거주하던 히로시마에서는 초기 폭발로 7만 명이 사망했고, 1945년 말까지 방사능 피폭으로 비슷한 숫자의 사람들이 사망했다. 어마어마한 파괴력에 전 세계는 경악했다. 이에 세계 최초이자 마지막으로 핵폭탄을 실전에 사용한 미국은 2차 대전 이후 핵 에너지를 무기가 아닌 전기 생산에 이용하기 위한 ‘원자력의 평화적 이용’ 계획을 발표했다.

그렇게 60년 넘게 ‘싸고 안전한’ 에너지라는 명성을 이어오던 원자력 발전은 2011년 일본 후쿠시마 원전사고 이후로 미운 오리 신세가 됐다.





●우라늄 1g은 석유 1800ℓ의 에너지

엄청난 살상력을 가진 핵폭탄과 전기를 만들어 내는 원자력 발전의 원리는 비슷하다.

물질의 최소단위인 원자는 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 구성돼 있고 원자핵은 양성자와 중성자로 이뤄져 있다.

안정적인 원자핵에 중성자를 쏘아 넣으면 원자핵은 불안정한 상태가 된다. 정원이 10명인 엘리베이터에 덩치가 있는 1명이 추가로 타서 11명이 되면 숨쉬기 힘들어지고 심장박동이 빨라지는 등 불안정한 상황이 되는 것과 비슷하다. 불안정한 원자핵은 급기야 두 개로 쪼개지는 붕괴현상을 일으킨다.

방사성 동위원소인 우라늄 235에 중성자를 쏘면 바륨(Ba) 142과 크립톤(Kr) 91로 분열하고 엄청난 열에너지와 함께 중성자 2~3개를 빠른 속도로 내뱉는다. 이렇게 튀어나온 중성자들은 주위에 있는 또 다른 우라늄 235의 원자핵을 연쇄적으로 분열시킨다.

1g의 우라늄에는 1조의 25억배에 해당하는 우라늄 원자가 있는데 이것들이 연쇄반응을 일으켜 모두 분열하는데는 1백만분의1초밖에 걸리지 않는다. 이때 발생하는 에너지는 석유 1800ℓ, 석탄 3t이 완전 연소할 때 생기는 에너지와 비슷한 수준이다. 같은 양이라고 할 때 우라늄은 석탄보다 300만 배 이상의 에너지를 발산한다. 연쇄반응을 한번에 일으켜 에너지가 단숨에 분출되도록 하는 것이 핵폭탄이고, 연쇄반응 속도를 조절해 핵분열 에너지를 평화적으로 사용할 수 있도록 한 것이 원자력 발전이다.

●경수로는 ‘물’ 중수로는 ‘중수’로 속도조절

원자력 발전소의 발전 방식은 화력 발전의 원리와 비슷하다. 핵분열 에너지로 물을 끓여 나온 증기로 터빈을 돌리면 터빈에 연결된 발전기가 돌아가면서 전기를 만들어 내는 것이다. 원자력 발전의 핵심은 핵분열 속도의 통제에 있다. 핵분열 속도를 통제하지 못하는 순간 원자로는 거대한 핵폭탄이 된다. 분열 속도를 조절하기 위해 사용하는 것이 바로 감속재다. 감속재는 핵분열 시 나오는 고속중성자의 속도를 늦출 수 있으면서 중성자를 흡수하지는 않아야 한다. 이런 조건에 맞는 물질은 물과 흑연, 베릴륨, 산화베릴륨인데, 안전성과 경제성을 모두 갖춘 것이 물과 흑연이다.

원자력발전소의 핵심 설비인 원자로는 크게 경수로와 중수로로 나뉘고, 감속재에 따라 가압경수로, 가압중수로, 흑연로, 비등경수로, 고속증식로 등으로 구분된다.

경수로는 일반적으로 볼 수 있는 물인 ‘경수’가 감속재로 쓰이며 농축 우라늄 235를 연료로 사용한다. 중수로는 중성자를 하나 더 갖고 있는 중수소가 물 분자를 구성하는 ‘중수’를 감속재로 사용한다. 중수는 보통의 물 1ℓ 중에도 0.16~0.17% 포함돼 있어 추출 비용이 비싸다. 흑연로는 감속재로 흑연이 사용된다.

●한국 가압형 경수로 5중 방호장치 갖춰

1940년대 말 원자력 발전계획이 처음 발표됐을 때만 해도 많은 사람들은 에너지를 값싸게 무한정 공급받을 수 있어 인류의 에너지 문제를 완전히 해결할 수 있을 것으로 기대했다.

그렇지만 1979년 미국 스리마일 원전 핵누출 사고, 1986년 구 소련 체르노빌 원전 폭발사고, 2011년 일본 후쿠시마 원전 사고 등으로 원전 안전에 대한 불신은 극에 달하고 있다.

이 때문에 원전 연구자들은 안전성 확보를 최우선적으로 고려하고 있다. 세계 원전의 60% 정도를 차지하고 있고, 우리나라에서 가동 중인 원자로 대부분을 차지하고 있는 가압형 경수로의 경우 핵연료 펠릿-연료 피복관-원자로 압력 용기-4㎝ 두께의 철판 격납용기-120㎝ 두께의 콘크리트 원자로 건물 등 5중 방호장치를 갖추고 있다.

이 같은 방호장치에도 불구하고 갖가지 원전관련 비리 및 사고가 잇따라 발생하면서 안전에 대한 불신은 높아지고 있다. 여기에 방사성 폐기물 처분, 사용후핵연료 처리, 폐로 처리 등 비용을 포함하면 원자력 발전이 여타 발전방식에 비해 경제적이지 않다는 목소리도 높아지고 있는 추세다. 반면 우리나라 전력사용량의 증가와 전기생산 비용을 따지면 원전이 아직까지는 다른 발전방식보다 싸기 때문에 원자력 에너지를 확대해야 한다는 목소리가 첨예하게 대립하고 있다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr