우라늄 핵분열과 원자로

39. 우라늄 핵분열과 원자로

앞서 말한 대로 천연우라늄에는 안정적인 우라늄238이 99.3%이고 핵분열을 일으킬 수 있는 불안정상태의 우라늄235는 0.7%밖에 되지 않는다.
그리고 원자력발전소의 핵연료로 사용되는 우라늄은 이 천연우라늄을 정제하여 우라늄235가 3~4% 정도 되도록 농축한 것이다.

핵무기로 사용되는 우라늄은 95% 정도로 농축된 우라늄이다.
그런데 1990년대 들어서 미소간 핵무기감축협상의 결과로 많은 핵무기가 해체되었다.
아직 남아있는 핵무기만으로도 인류가 몇 번이나 전멸되고도 남지만, 어쨌든 상당량의 핵무기가 감축되면서 핵무기에서 나온 우라늄235를 천연우라늄에 적당량 섞어서 발전소용 우라늄을 만들기도 하였다. 이러한 핵연료봉은 MOX라고 부른다.  

원자로에서 핵분열은 어떻게 일어나는가?
그것은 중성자로 우라늄235의 핵을 때림으로써 시작된다.
중성자로 핵을 때리면 불안정한 우라늄235는 핵분열을 일으키고 다른 안정적인 원소로 바뀐다.
그리고 그 질량 차이만큼 에너지를 내면서 중성자 세 개 정도를 아울러 내놓는다.
그러면 그 중성자들은 다른 우라늄235를 때려서 핵분열을 일으킨다.
그렇게 해서 핵분열이 연쇄적으로 일어나게 된다.

한 놈을 쥐어박으면 그놈은 열을 내고 쪼개지면서 중성자로 그 옆의 놈들을 또 쥐어 팬다.
그러면 그 옆의 놈도 열을 내고 쪼개지면서 중성자로 그 옆의 놈들을 쥐어박는다.
그래서 원자로 안은 우라늄 235들끼리 중성자로 쥐어 패고 열 내고 쪼개지는 난장판이 벌어진다.
인간은 고걸 이용해서 ‘으흐흐.... 열심히 싸워라......’ 그 열로 물을 가열하고 증기를 만들어서 터빈발전기를 돌린다.

중성자를 얻어맞는다고 다 쪼개지고 갈라지는 건 아니다.
우라늄238은 점잖게 중성자를 모른 체 하기도 하고 중성자를 받아들여 제식구로 만든 다음 풀로토늄으로 바뀌기도 한다.
또 중성자들이 난리를 치는 걸 그냥 두면 너무 과열되기 때문에 카드뮴 봉을 연료봉 사이에 집어넣어 중성자를 흡수해서 줄이고 원자로 냉각수에다 붕산(Boron Acid)을 넣어서 중성자들을 감속시키고 진정시킨다.

원자로를 안전하게 돌리는 것은 냉각재와 중성자감속에 달려있다.
드리마일아일랜드나 체르노빌, 후쿠시마 원전은 모두 원자로냉각재, 즉 물이 원자로에 제대로 공급되지 못 하는 냉각재상실사고, 그래서 우라늄봉이 물로 냉각되지 못 하고 허공에 노출되어 녹아버린 사고이다. 우라늄봉이 녹으면 우라늄이 흘러나오고 위험이 확대된다.

드리마일 아일랜드 원전은 이러한 상황에서 원자로건물 상부에 설치된 비상분무기로 붕산수가 뿌려지고 비상냉각수가 회복되어 그 정도에서 다행히 사고를 수습하였다.
그러나 후쿠시마 원전은 이러한 상황에서 그러한 안전시설이 작동하지 못 하였다. 동경전력관계자들이나 관료들은 상세한 정보를 밝히지 않고 숨겼다. 미국의 기술지원도 거부했다.
궁여지책으로 바닷물을 퍼 넣었다. 소방차를 동원하고 헬기를 동원하여 건물 안으로 퍼 넣었다.
이러한 방법으로 인하여 바닷물에 섞인 여러 가지 불순물들이 방사성동위원소로 바뀌어 오염되고 그 오염된 바닷물이 증발되어 주변으로 확산되고 바다로 흘러들어가 광대한 지역을 방사능으로 오염시키고 말았다.

냉각재 다음이 중성자감속이다.
중성자를 어떤 방식으로 감속시키고 조절하느냐에 따라 원자로의 노형이 달라진다.
서방의 대표적인 원자로형은 가압경수로이다.
경수(輕水)란 가벼운 물, 즉 보통 물을 말한다.
원자로계통에 물을 높은 압력으로 순환시키면서 붕산을 넣는 것이다. 붕산의 농도에 따라 중성자의 속도가 달라진다.
그리고 연료봉 사이에는 카드뮴 봉을 집어넣는데, 운전중일 때는 카드뮴 제어봉이 위로 들려져 있다가 원자로를 정지해야 할 경우에는 자동적으로 아래로 떨어지면서 카드뮴이 원자로 안으로 들어가 중성자를 흡수하여 원자로를 세우도록 설계되어 있다.

한국의 다른 원자력발전소들은 전부 가압경수로들이다.
그런데 월성원자력은 중수로이다.
중수로(重水爐)는 무거운 물, 중수(重水)를 사용하는 원자로라는 뜻이다.
보통의 물(輕水)은 H2O인데 중수는 D2O이다.
무슨 뜻인고 하니 수소원자 두 개, 산소원자 하나는 같은데 중수를 이루는 수소원자는 중성자가 두 개인 수소, 즉 중수소(重水素) 'D'이다.
이 중수소는 자연계에 흔하지 않다. 깊은 호수나 바다 밑에서 정제해서 얻는데 매우 비싸다(월성원자력 직원들의 표현을 빌리자면 박대통령이 마시던 시버스 리걸 양주보다 더 비싸다고.....).
또 중수소는 수소폭탄의 원료가 된다.

월성원자력의 중수로는 중수를 냉각재로 사용하면서 천연우라늄을 사용한다. 즉 우라늄 238이 대부분인 천연우라늄을 그대로 사용한다는 말이다.
그래서 우라늄 235가 빨리 소진되기 때문에 우라늄연료봉을 자주 바꿔주어야 하고 그래서 운전 중에도 원자로를 정지시키지 않고 교체할 수 있도록 되어 있다.
당연히 발전소 안에 쌓이는 폐연료봉의 양도 가압경수로에 비하여 훨씬 많다.

이러한 월성원자력의 중수로는 캐나다(AECL: Atomic Energy Canada Limited)에서 개발된 것이다.
천연우라늄을 사용하면 우라늄 비용은 줄지만 중수비용이 너무 비싸 경제성에서 유리한 것은 없다.
그런데 천연우라늄에 많이 들어있는 우리늄238이 중성자를 흡수하여 풀로토늄239로 바뀌는 양이 훨씬 많아질 수밖에 없으므로 박정희 대통령이 풀로토늄 핵폭탄을 염두에 두고 미국의 견제를 뚫고 캐나다의 중수로를 도입하였다는 추측이 나온다.  

비등수형원자로(BWR)는 가압경수로형이 원자로계통과 터빈계통을 완전히 분리하는데 비하여 원자로에서 증기가 직접 터빈까지 가서 터빈을 돌리는 적극적인 시스템을 사용한다.
좀 더 높은 효율성으로 미국에서도 많이 사용되고 있고, 그리고 최근 중국에서도 채택되고 있다. 한국에는 없다.

구소련에서 개발된 체르노빌원전 같은 원자로는 경수를 냉각재로, 그리고 인공흑연을 감속재로 쓴다.
천연우라늄을 사용한다.
흑연으로 만들어진 파이프들이 핵연료를 감싸고 있는 모양으로 원자로가 서방의 가압경수로와는 판이하게 다르고 크기도 훨씬 더 크다.
이러한 원자로는 핵무기를 만들기 위한 플로토늄 생산을 위한 원자로를 발전용으로 개발한 것으로 알려져 있다.

또 서방의 가압경수로는 원자로가 1미터 이상 두께의 튼튼한 철근콘크리트 건물에 들어가 있는데 체르노빌 같은 구소련의 원자로들은 일반건물과 별로 다르지 않은 건물로 지어져 있었다.
체르노빌원전사고는 냉각수상실로 노심이 용융되고 인공흑연들이 연소하면서 엄청난 연기를 뿜어내면서 원자로건물지붕을 날려버리고 방사능물질들이 확산된 사고이다.

흑연감속로에는 구소련의 흑연감속 비등경수 압력관형 원자로 말고도 용융염원자로, 영국에서 개발된 마그녹스라는 노형도 있고 영국이 이를 개량한 개량가스냉각로라는 노형도 있다.
그리고 서구의 원자로들도 안전성을 높여 비상상황에서 굳이 조작하지 않고 가만 두어도 자동으로 냉각, 정지, 안정되는 방향으로 기기와 설비가 작동되도록 하는 안전원자로(Passive Reactor)의 모델이 제시되는 등 꾸준히 연구되고 있다.
또한 벨기에를 주축으로 추진하고 있는 미래형원전에 참여하는 문제도 한국이 추진해야 할 과제이다.

핵연료가 사용되고 나면, 대표적인 가압경수로의 경우를 보자면, 우라늄238 95% 정도, 풀로토늄 0.9%, 우라늄235가 분열되어 다른 물질로 변화된 물질들이 3% 정도 된다.
그리고 우라늄235인데도 아직 남아 있는 미연소 우라늄도 0.8%정도 된다.

이쯤에서 핵폐기물 문제를 좀 짚어보기로 하자.
우선 발전소에서 나오는 핵폐기물에는 두 가지가 있다.
첫째는 사용하고 난 핵연료, 고준위폐기물이다.
둘째는 운전중 방사능으로 오염된 쓰레기들이다.
방사능이란 놈이 멀쩡하던 다른 물질을 방사성동위원소로 만들어서 방사능이 나오게 오염시킨다. 이를 저준위폐기물이라고 한다.
저준위폐기물은 고체, 액체, 기체폐기물로 나누어 처리하는데, 누르고 태우고 끓이고 압축시켜서 부피를 줄인 다음 드럼통에 넣어서 폐기물저장고에 집어넣는다.
더 큰 문제는 사용하고 난 핵연료, 고준위폐기물이다.  

사용하고 난 핵연료는 금방 식는 게 아니고 계속 열이 난다.
연탄재가 금방 안 식는 것처럼....
한국의 원자력발전소에서는 이것들을 큰 콘크리트 물탱크에다 넣어두고 냉각시킨다. 그렇게 물속에 쌓아둔 사용후핵연료가 엄청나게 많다. 앞으로 5년 정도 지나면 더 이상 보관할 데가 없게 된다고 한다.
그래서 영구방폐장을 건설하려고 했는데 환경단체들이 들고 일어나고 주민들이 결사반대하여 안면도, 굴업도, 울진, 영덕, 부안으로, 쫓겨 다니다가(부안군수는 방폐장 유치하자고 했다가 돌 맞았다.) 지금 경주에 방폐장을 건설하고 있는데 앞으로 더 크고 더 넓은 방폐장이 더 필요하게 될 것이다.

영국, 프랑스 같은 나라는 지하에 저장한다.
폐기물저장소 이에 공원까지 꾸며놓았다.
스웨덴 같은 나라에는 바닷가의 천연동굴을 개조하여 방페장으로 사용한다.
일부 국가에서는 6~7년 지난 핵연료는 열이 좀 덜 나므로 물에서 끄집어내어 공기냉각식 저장고에 보관하기도 한다.

미국은 이미 오래전에 사용후 핵연료를 재처리하지 않고 영구보관하는 방향으로 정책결정을 하였다.
네바다 유카마운틴인가 오하이오엔가 엄청난 규모의 방폐장을 건설하고 영구처리를 하고 있다.
미국에서 원자력을 들여오고 한미원자력협정을 맺고 있는 한국도 마찬가지로 영구보존처리방식을 택하고 있다.
미국이 이렇게 하는 이유는 재처리하면 나오는 엄청난 양의 플로토늄이 핵폭탄으로 전용될 수 있다는 우려, 그래서 모든 국가로 하여금 아예 재처리를 못 하도록 금지하고 미국 스스로도 솔선수범하는 모양을 취하는 것이다.
프랑스와 일본만이 재처리를 하고 고속증식로를 건설하여 시험운전을 하고 있다. 시험케이스인 셈이다.

한국은 2014년에 한미원자력협정이 갱신되는데 일본처럼 핵연료재처리를 할 수 있도록 요구할 것인가, 지금처럼 방폐장 지어서 언제까지가 될지 모르지만 계속 보관만 하고 있을 것인가를 결정하고 앞으로의 원자력추진방향을 협의해야 한다.

프랑스의 수퍼피닉스, 일본의 몬주 고속증식로(Fast Breeder Reactor)는 이미 사용된 핵연료를 계속 사용할 수 있다는 점에서. 그리고 풀로토늄을 분열시키면서 계속 풀로토늄을 만들어내는, ‘때면 땔수록 연료가 불어나는’ “꿈의 원자로”라 불린다.
고속증식로가 되면 지금처럼 폐연료봉이 거의 나올 필요도 없고 오히려 지하에 저장되었던 사용후핵연료를 꺼내서 재사용할 수도 있다.
그야말로 꿈같은 이야기다.
그러나 일본이 몬주에 고속증식로를 짓고 운전하고 있지만 사용되는 액체금속냉각재(소듐)로 인하여 많은 문제를 겪고 있다.

소듐은 가열상태에서 산소나 물, 콘크리트 등을 만나면 화재와 폭발을 일으킨다. 또한 섭씨 98도 이하로 떨어지면 고체가 되어(물이 얼어붙는 것처럼) 동파를 일으키고 파이프와 용기 등 시설을 망가뜨린다.
이 때문에 일본의 몬쥬 고속로는 화재사고로 10년 이상 정지되어 있다가 수리를 마치고 잠깐 운전에 들어갔다가 다시 정지되고 말았다.

원자로 이야기는 이 정도로 마치자.
그런데 한국에서 원자력발전소를 건설했던 실무경험자로서 한 가지 말하고 싶은 것이 있다.
사실 많은 사람들이 믿는 대로 원자력발전은 그리 경제적이지 않다.
원자력은 적은 핵연료로 엄청난 에너지를 얻는 것이기 때문에 원자력 에너지는 쌀 것이라고 기대하였지만 미국의 경우 원자력 에너지가 화력보다 더 쌌던 적은 없다.
더구나 1979년 드리마일 아일랜드 원자력발전소 사고 이후 강화된 원자력규제요건으로 원자력발전소 건설비는 폭등해버렸다.
한국도 최근 들어 석탄화력의 발전단가가 대용량화와 기술개발, 표준화로 원자력보다 오히려 더 유리하다.  
그리고 핵연료의 특성에서 보는 바와 같이 우라늄 238은 전혀 사용도 못 하고 풀로토늄도 못 쓰고 우라늄235만 조금 쓰고는 핵연료를 통째 영구폐기처분을 해야 하는 점도 원자력의 경제성을 제한하는 원인이 된다.

그런데 한국만이 예외였다.
원자력의 놀라운 경제성을 보여준 유일한 국가가 대한민국이다.
특히 고리 1호기가 그랬다.
세계에서 그처럼 값싸게 건설한 원자력발전소는 없었다.
고리 3, 4호기(95만kw 2기) 건설비는 2조 2,000억원 정도 들었다.
대장쟁이가 땀 흘린 영광 1,2호기는 고리 3,4호기 설계를 복제하였기 때문에 설계비용이 절감되었고 총공사비 2조 440억원이 들었다.
이 역시 세계에서 가장 저렴한 원자력발전소 건설이었다.

미국에서는 70~80개월이나 걸린 건설공사를 한국사람들은 60개월 이내 마쳐버렸다.
밤샘작업, 돌관작업, 무휴작업.......
그야말로 미친 듯이 일했다.
80년대 초반 미국의 용접사 인건비가 시간당 25불일 때 한국의 용접사는 일당 20불이었다.
한국의 인건비수준이 10분의 1에도 미치지 못 하였다.
당시 대장쟁이가 받던 봉급(월 2~30만원) 또한 세계최저임금수준이었던 것은 물론이다.
그러면서 밤새우고 머리를 싸매고 하루라도 빨리 건설해야 한다는 국가적 사명감으로 젊음의 피를 짜내었다.

그 결과로 한국의 원자력발전소의 발전원가는 세계에서 유례없이 저렴할 수 있었던 것이다.
왜냐하면 원자력발전소에서는 연료비가 차지하는 비중이 매우 낮고 발전원가의 절반 이상이 건설비용이기 때문이다.

여러분은 포항제철의 신화가 어디에서 왔다고 생각하는가?
역시 7~80년대, 세계에서 가장 값싸면서도 우수한 인력 때문이었던 것이다.
한국의 조선, 자동차, 중공업 마찬가지다.
7~80년대에 피땀 흘리면서 바친 세계 최저렴, 최우수 인력이 이루어놓은 것이다.

원자력발전소가 그처럼 저렴한 원자력전력을 생산해내자 많은 기생충들과 업둥이들이 한전에 달라붙었다.
정부관계자들, 핵폐기물 연구한답시고 10년 세월 유럽관광이나 다니던 박사들, 수많은 연구소들, 기술자립을 핑계로 한 한전 뜯어먹기......
영광3,4호기는 기술자립한답시고 그렇게 시작되었다.
달라는 대로 주고 가르쳐가면서 기자재를 사줘서 살려낸 한국중공업....... 거저먹기 원자력연구소.......
에이, 이런 이야긴 그만 두자.

왜 이 이야기를 하는가?
일본이 지금 몬쥬 고속증식로를 시험가동하고 있다.
일본은 고속증식로기술을 개발하여 앞으로 세계원자력시장을 석권해보고 싶을 것이다.
그러나 미안하지만 대장쟁이가 볼 때 고속증식로가 일본에게 그러한 영광을 가져다주기는 어려울 것 같다. 물론 우라늄을 수십 배나 더 사용할 수 있는 고속증식로는 매력적이기는 하다. 그러나 원자력발전소의 전력단가를 결정하는 것은 우라늄, 핵연료가 아니다. 그리고 지구상의 우라늄이 고갈된다면 몰라도 우라늄을 지금처럼 사용한다 해도 앞으로 100년은 더 갈 수 있기 때문에 세계 각국이 고속증식로를 애써 개발하려고 하지 않을 것이기 때문이다.

더구나 고속증식로가 액체금속냉각재의 문제를 해결하지 못 한다면 더욱 어려울 것이다. 기존 가압경수로 같은 재래식 원자력발전소에 비하여 건설비가 훨씬 비쌀 수밖에 없는 고속증식로를 어느 나라가 위험을 무릅쓰고 도입할 것인가?

결국 사람이었다.
세계에서 가장 빠른 성장과 세계에서 가장 저렴한 전력공급, 세계에서 가장 강한 경쟁력......., 모두가 사람에게서 나온 것이었던 것이다.

에고~
대장쟁이가 지금 무슨 이야기를 하고 있는 거여?

아, 한 가지 빠뜨린 중요한 이야기 더 있다.
일본 말이다.
안 된 이야기지만 히로시마, 나가사키 원폭으로 참변을 당한 일본이 아이러니하게도 많은 원자력발전소를 건설하였고 2011년 3월 11일 일본북동부를 뒤흔든 지진과 쓰나미로 후쿠시마원전이 노심용융을 일으키고 방사능을 누출하는 최악의 사고를 당하였다.

그런데 몬쥬.......
몬쥬 고속증식로가 설치된 지역도 지진 안전지역이 아니다.
몬쥬 고속증식로에서 만일 최악의 사고가 난다면 막대한 양의 풀로토늄 때문에 후쿠시마보다 더욱 무서운 결과가 초래될 수 있다.
왜 지진대에 놓여있는 일본이 그토록 원자력발전소에 집착해왔는지.......

핵융합?
태양에서 일어나는 핵융합을 지구에서 만든다면?
인공태양?
수소원자 두 개를 합쳐서 헬륨원자 한 개를 만들고 그 질량 차이만큼 에너지를 얻는 핵융합반응로를 개발한다면 이건 그야말로 꿈같은 일이 될 것이다.
그러나 우라늄의 핵은 크지만 수소의 핵은 매우 작다.
따라서 아주 고온으로 만들어, 수천만도, 1억 도의 고온 플라즈마를 만들어야 핵융합반응이 일어나는데 그러한 고온을 견딜 수 있는 그릇을 만들 수가 없다. 공중에 띄워놓는 방법도 없고.......
그래서 수소폭탄은 가능하지만 핵융합로는 지금으로서는 그야말로 꿈일 뿐이다.

에고~
아무튼 원자력은 그렇다.
어서 원자력을 대체하는 꿈의 에너지원이 개발되었으면,
그리하여 방사능 걱정 없이 마음 놓고 에너지를 사용할 수 있는 날이 속히 왔으면 좋겠다.

에고~
오늘도 너무 길었네.
어서 다음 이야기로 넘어가야 할텐데.......