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[시론 칼럼] 한국에너지의 중심축 원전을 생각한다
  • 김대식 前 울산대 교수
  • 승인 2017.07.13 22:30
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김대식 前 울산대 교수

1948년 5월 14일 북한이 남한에 대한 일방적인 송전중단사건으로 인해 전기기술 전문가인 미국의 워커 시슬러와 대한민국 이승만대통령이 원전에 대한 인연을 맺게된 계기가 됐고, 한국이 원전 선진국으로 도약하게된 만남이 이루어지게 됐다. 시슬러는 1g의 우라늄 원자핵 속에 저장된 에너지는 석탄 3,000kg이 내는 에너지와 같으며, 사람의 두뇌로 우라늄 속에 저장된 에너지를 추출해 활용하는 원자력발전(원전)은, 원자력인재를 육성한 후 20년이 지나야 전깃불을 켤 수 있을 것으로 예측했다. 이승만정부는 1958년 한양대, 1959년엔 서울대에 원자력공학과를 신설하고, 원전선진국인 미국과 영국에 237명의 원전관련 과학기술자를 유학 보내 인재육성에 심혈을 기울였다. 시슬러 예견대로 20년이 지난 후, 박정희 대통령이 강력히 추진한 고리 1호기가 이들에 의해 1978년 4월 상업운전에 들어갔다. 

박정희 대통령시대에 일본 다음으로 아시아에서 두 번째로 핵 발전국 대열에 참여한지 40년이 지난 후, 문재인대통령은 2017년 6월19일 고리 1호기 영구 정지 선포식기념사에서 탈 원전 시대를 선포했다. 문재인 대통령의 탈 원전 정책 기저인 원전의 안전성 의구심은, 지진으로 인한 일본 후쿠시마 원전사고로 야기된 것으로 보인다. 특히 후쿠시마 원전사고는 발음도 헷갈리는 히로시마 원폭과 이미지가 결합되면서 원전폭발은 곧바로 핵폭발을 연상케 했다.

원전은 핵물리학에서 출발한 과학과 기술의 융합결정체이자, 인류가 만들어낸 과학기술의 한 분야이기 때문에 사람이 기술로 안전하게 통제할 수 있는 제3의 불이다. 원자핵은 양성자와 중성자란 미립자로 구성 됐다. 전하를 띠지 않은 중성자를 적당한 속도로 원자핵에 접근시키면 원자핵이 폭발하면서 막대한 에너지가 방출되고 새로운 원자가 만들어 지면서 중성자, 양성자와 같은 미립자와 방사선도 방출된다. 이와 같은 핵반응에서 질량과 에너지는 서로 변환될 수 있는 물리 변수임을 밝혀낸 아인슈타인의 상대성이론(E=mc2)에 따라, 핵반응에서 사라진 미량의 질량이 변환된 엄청난 에너지로 물을 끓여서 수증기를 만들고, 만들어진 과열된 수증기의 압력으로 터빈과 발전기를 돌려 전기를 생산하는 발전시스템이 원전이다.  

원전에 사용되는 핵연료는 중성자로 충격을 가했을 때 핵 분열하는 우라늄235인데 이는 자연에 존재하는 천연우라늄 중 0.73% 정도로 미량 존재한다(나머지는 분열하지 않는 우라늄238로 구성). 추출한 우라늄235를 핵연료로 사용하려면 자연 상태에서 아무리 양이 많다고 하더라도 핵분열 반응이 일어나지 않게끔 3∼5%농도로 저농축 시켜 사용한다. 핵폭탄이 되려면 60∼95%정도 고농축의 우라늄235이 자동으로 핵분열 할 수 있는 임계질량이 있어야 되기 때문에, 원전의 원자로는 절대로 원자폭탄이 될 수 없는 것이다.

원전의 원자로는 중성자와 저농축 우라늄235의 핵 사이에서 발생하는 핵분열 연쇄반응에 기반을 둔 반응기이다. 원전의 중성자는 핵분열을 일으키고 또한 핵분열로 생성되기 때문에, 연쇄 핵반응을 유발시키는 마법의 미립자라 불려진다. 원전에서 연쇄반응이 폭발반응으로 비화되지 않도록 중성자 흡수재인 붕소탄화물로 핵분열속도를 제어하면서 일정한 출력의 전기를 만드는 것이다. 중성자가 핵분열을 일으키려면 핵분열 시 방출되는 고속중성자(2,000-20,000km/sec)를 저속중성자(2km/sec)로 늦춰줘야 하는데, 물이 감속재와 함께 냉각재로 사용된다. 그래서 핵분열 반응이 일어나는 핵 연료봉 다발인 노심(爐心)은 원자로 안에서 물에 잠겨있어야만 한다. 일본 후쿠시마 원전은 원자로에서 가열된 물이 터빈을 작동시키는 물(증기)과 동일한 하나의 냉각수 회로를 가진 비등경수로다. 

원전은 설계 위험치 이상 큰 지진이 일어나면 자동으로 중성자 흡수재를 충전한 제어봉이 노심으로 들어가 핵반응을 중지시키면서 전기생산도 중지된다. 정지된 원자로이지만, 핵연료는 냉각수가 보충되지 않으면, 가시지 않은 잔열(殘熱)로 원자로 물이 증발돼 노심 상부가 물 밖으로 나오면서 과열반응이 일어나고, 보일의 법칙(Boyle’s law)에 따라 증기 속에서 온도가 상승하면서 압력도 증가하게 돼 증기폭발이 일어난다. 더 위험한 것은 원자로 노심이 용융(melt down)돼 수소폭발이 일어나는 것이다. 녹아버린 핵연료봉의 원료이자 피복재인 지르코늄(zr)이 고온에서 잔존해 있는 물과 반응해 수소를 생성하는 것이다. 발생된 수소가 격납용기 안에서 10%가 되면 산소와 결합해 폭발을 일으키는데 이것이 수소폭발인 것이다.

프랑스 원전은 백금 족 금속 촉매제로 수소와 산소가 결합해 물로 변환시켜 수소폭발을 방지시키는 수소재결합 시스템인 PAR(Passive Autocatalytic Recombiner)이 있지만, 안타깝게도 사고당시 일본 원전은 설치되지 못했다.(클로드 알레그르, 원자력, 대안은 없다)

동일본 대지진(리히터 규모9.0)이 일어났을 때(2011년 3월 11일) 도호쿠(東北)지방 후쿠시마, 아오모리, 미야기 현 등에 있는 15기의 원전은 당일 가공할 만한 쓰나미를 맞았다.내진 설계치(7.1)보다 강한 가공할만한 강진에도 도호쿠 지역 15기의 원전은 모두 지진을 이겨냈는데 이는 원전 건설 시 지진예방에 대한 토목, 건축 기술이 빛을 본 것이다. 15기 원전 중 가동 중인 11기 원전은 모두 지진을 견디고 설계대로 자동정지 됐다. 그러나 잠시 후 산더미처럼 몰려온 쓰나미에 후쿠시마 제1원전의 4기는 속절 없이 당했다. 이는 지진으로 모든 외부전원이 끊어졌지만, 15기 원전 중 11기 원전에선 (지상에 설치한) 비상발전기가 가동돼 사고가 일어나지 않았고, 후쿠시마 제1원전의 4기는 비상발전기가 작동되지 않아 사고가 일어난 것이다(이정훈, 그래도 원자력이다).

후쿠시마 제1원전은 안전개념 없이 비상발전기를 지하실에 설치했는데 이는 쓰나미로 인해 비상발전기가 바닷물에 잠겨 가동이 되지 않아 복수기(condenser, 끌어들인 바닷물로 증기를 응축시켜 냉각수로 되돌리게 하는 역할)의 해수펌프가 작동할 수 없게 됐고, 이로 인해 노심을 제어하는 냉각수를 보충 받지 못해 발생하는 사고인 LOCA(Loss Of Coolant Accident)로 확대돼 수소폭발을 야기 시킨 것이다.

후쿠시마 제1원전은 대지진은 이겨냈으나, 수소폭발을 막지 못했다.이는 원전에서 농축우라늄과 더불어 핵심원료라 할 수 있는 물의 관리를 제대로 하지 못해 일어난 인재(人災)이지 지진과 쓰나미로 인해 발생한 천재(天災)는 아니다. 또한 수소폭발에도 불구 단 한명의 인명피해가 없었고, 그 이후에도 방사능 희생자를 내지 않는 방재강국의 모습은 우리도 배워야 할 관리방법이다.  

우리나라는 3세대 원전(APR-1400) 가압경수로를 설계제작하고 운영하는 기술은 프랑스와 어깨를 나란히 할 정도로 최고의 기술력을 보유한 원전선진국으로 인정받고 있다. 일본은 비등경수로 원전 제작설계 능력은 세계 최고이지만, 후쿠시마 원전사고로 우리나라 가압경수로에 비해 안전성의 단점이 많이 부각됐다. 2020년대는 설계수명이 다한 430여기에 이르는 세계원전 폐로결정과 함께 안전성을 강화시킨 신규원전으로 대체되어 질 것이다.

문재인 정부는 미국의 환경영웅 마이클 쉘렌버거의 탄원대로, 한국형 3세대원전인 신고리 5·6호기를 완공시키고, 이를 기회로 우리 원전기술이 세계 기후위기를 해결하는데 필요한 저렴하고 풍부한 에너지를 제공하고, 수출되도록 도와주는 정책도 신중히 검토해 주길 바란다.     

  
 

 

 

 

 

 

 

 

 

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