이지사이언스시리즈 Easy Science Series 16 희망에너지, 행복에너지 원자력

16 이지사이언스시리즈 Easy Science Series 쉬운과학즐거운상상이지사이언스시리즈 16 이지사이언스시리즈 (Easy Science Series) 는, 미래창조과학부와한국과학창의재단그리고미래부산하정부출연연구원이공동으로, 일반인이쉽고재미있게읽을수있도록제작하고보급하는과학기술대중도서시리즈입니다. 출연연의기획하에소속연구원이나관련전문가가집 한국원자력연구원 (KAERI) 은 희망에너지, 행복에너지 필에참여해출연연과관련된과학아이템을흥미진진하게풀어냅니다. 아울러연구원의연구개발성과도소개하며현장의목소리를전달합니다. 1959 년우리나라최초의국책과학기술연구소로설립된 이지사이언스시리즈는국가경쟁력의근간이되는핵심과 국내유일의원자력종합연구기관으로과학기술기반구축과안정적에너지공급등을통해국가산업발전에핵심적 원자력 학기술에대한국민의이해를높이며, 과학지식소양을함양하는데도움이되도록일반대중의눈높이에맞춘과학기 역할을담당해왔습니다. 지난반세기동안한국표준형원전원자로계통설계, 중수로및경수로핵연료국산화, 다목적연구용원자로하나로 (HANARO) 자력설계및건설, 방사성동위원소신약개 원자력 한국원자력연구원지음 술교양서입니다. 출연연의우수연구성과와과학기술위상을널리알리고과학기술인의자긍심을고취하는한편, 과학기술인과사회의소통을통해융합과창조의새로운아이디어를창출하는데기여하고자합니다. 발, 방사선융합기술개발등국내원자력연구개발역사에 이지사이언스시리즈는책자형태뿐아니라전자책형태로 빛나는이정표를남기며우리나라과학기술발전과경제성 도제작되고보급돼스마트폰을포함한 IT 기기에서활용할 장에기여했습니다. 수있습니다. 특히전자책에는독자의흥미를끌수있도록 이뿐만아니라요르단, 네덜란드등에연구로기술을수출 동영상, 퀴즈등이담겨있습니다. 발간된이지사이언스시 하고중소형일체형원자로스마트 (SMART) 를연구개발 리즈는사이언스올 (www.scienceall.com) 과각출연연 하는등, 우리나라가세계원자력수출시장의강국으로부 홈페이지에서무료로받아볼수있습니다. 상하는데기여하고있습니다. 원자력안전분야연구와미래원자력시스템개발에도매 진하고있습니다. 보다향상된기술개발을통해원전안전 성을정밀하게평가하는한편, 안전성과경제성, 핵비확산 성을획기적으로향상시키고방사성폐기물의발생량을대폭줄일수있는제4세대원자력시스템을개발하고있습니다. 표지설명한국원자력연구원이자력으로설계 건설한연구용원자로하나로 한국원자력연구원은앞으로도세계원자력 R&D 를선도하 (HANARO) 는중성자산란장치등다양한연구시설을구축해세계 고, 국민모두에게풍부한에너지와깨끗한환경, 건강한삶을선사하기위해노력해나갈것입니다. 최고수준의다목적연구로로활용되고있다. 하나로가있는수조위에올라가아래를내려다보면고에너지입자가물속에서광속보다빨리움직일때발생하는푸른빛, 바로체렌코프의빛을볼수있다.

이지사이언스시리즈 Easy Science Series 16 희망에너지, 행복에너지 원자력

희망에너지, 행복에너지 원자력 한국원자력연구원지음 이지사이언스시리즈 16 희망에너지, 행복에너지 원자력 2015 년 3 월 31 일초판 1 쇄인쇄 2015 년 3 월 31 일초판 1 쇄발행 저자 한국원자력연구원 기획 미래창조과학부 발간 한국원자력연구원, 한국과학창의재단 홈페이지 www.kaeri.re.kr www.scienceall.com 제작 ( 주 ) 동아사이언스 출판등록 2001. 3. 15 ( 제312-2001-000112호 ) 주소 (140-877) 서울시용산구청파로 109 전화 (02)3148-0745 팩스 (02)3148-0809 홈페이지 www.dongascience.com ISBN 978-89-88114-38-4 93550 * 잘못된책은바꾸어드립니다. ** 본책의내용에대한무단전재및복제를금합니다. *** 본책의내용을인용할시에는반드시출처를표기합니다.

머리말 원자력이란 원자력은인류의에너지난을해결할 히든카드 로불린다. 원자력의원료인우라늄은 1그램만으로도석유 9드럼, 석탄 3톤과맞먹는에너지를생산할수있다. 에너지빈국인우리나라는한해에너지원의 90% 이상을수입하고있으며, 석유, 천연가스등이대부분을차지한다. 적은양으로도풍부한에너지를얻을수있는원자력발전이꼭필요한이유다. 원자력은환경을지키는 청정에너지 이기도하다. 원자력발전은석탄, 석 인류의역사는에너지를찾아떠난여행이라고해도과언이아니다. 인류는기원전 50만년경불을발견한데이어, 물 ( 수력 ) 과바람 ( 풍력 ), 가축 ( 축력 ) 등자연의힘을이용해왔다. 18세기부터는석탄과석유, 천연가스등화석연료를본격적으로사용함으로써좀더풍부한에너지를얻었다. 에너지원의변화는농경중심의전통사회가산업사회로나아가는원동력이되었고, 인류는역사상가장빠른속도로눈부신발전을이뤄냈다. 그러나화석연료는몇가지중요한문제를안고있다. 화석연료를사용할때, 지구온난화를야기하는원인중하나인이산화탄소가대량으로발생한다. 또한전세계적으로화석연료의사용량이대폭증가함에따라매장량이점점줄어들어수십년내에바닥을드러낼것으로예상되고있는것이다. 인류는이에대한해결책으로 원자력 을주목하고있다. 원자는눈에보이지않는아주작은알갱이지만그안에숨겨진힘은어마어마하다. 원자력은크게두가지로나뉘는데, 원자핵이한데뭉칠때에너지를방출하는핵융합과, 반대로원자핵이쪼개지는핵분열로나눌수있다. 유와달리이산화탄소를거의배출하지않아지구온난화문제의해결사로여겨지고있다. 세계적으로햇빛, 바람, 지열, 바이오연료등친환경신재생에너지가부각되고있는추세에서, 원자력이가진친환경성은큰장점이다. 원자력은우리삶에꼭필요한전기를생산해낼뿐만아니라, 인류의과학기술발전에도이바지하고있다. 연구용원자로를통해생산한중성자를활용해물질의구조를분석하고, 의료용및산업용방사성동위원소생산및이용, 첨단신소재개발등다양한연구를수행하고있다. 그뿐아니라농업, 생명, 식품, 환경, 공업, 우주과학등과학분야와방사선기술간융합연구를실시해신산업을창출하고우리삶의질을높이는데기여하고있다. 인류가원자력을발견하고본격적으로사용하기시작한것은 100여년에불과하지만, 원자력은 제3의불 이라불릴만큼우리삶의모습을바꿔놓았다. 앞으로도우리가원자력을안전하고평화적으로이용한다면, 미래는달라질것이다. 우리의후손들에게원자력을선물하기위해우리가지금해야할일은원자력을올바로이해하고사용하는것이다. 대표적으로우리가낮에보는태양은수소가끊임없이핵융합하며에너지 를만들어내고있다. 반면원자력발전소에서는핵분열을통해발생하는열 로물을끓이고증기를만들어터빈을돌림으로써전기를생산해낸다. 2015 년봄 한국원자력연구원

원자력기술수출국으로도약 (AREVA), 미국 (GE)- 일본 (HITACHI) 컨소시엄과치열 한경합끝에사업수주에성공했다. 우리나라가지난 30 여년간지속적으로원전을건설및운영함으로써쌓은기술력과노하우가바탕이 우리나라는 1959 년국내최초의원자력연구소를설립한이후원자력기 술자립을위해다방면으로애써왔다. 중수로핵연료및경수로핵연료국 산화, 연구용원자로하나로 (HANARO) 의자력설계와건설, 한국표준형원전 된결실이었다. 이로써우리 나라는미국, 캐나다, 프랑스, 러시아, 일본에이어세계여 UAE 원자력발전소조감도 (APR1400 4 기 ) 개발등다양한성과를이뤄내며세계에서가장빠른시간안에원자력기술자립을이뤄낼수있었다. 그리고이제는원자력기술수출국으로새롭게도약하며세계적인위상을높이고있다. UAE 원전수출과기대효과 2009년 12월, 우리나라는 UAE가발주한총 400억달러규모의원전건설 섯번째원전수출국으로이름을알리게됐다. UAE 원전수출을통한직접적인효과는중형차 (2만달러 ) 100만대, 30만톤급초대형유조선 (1.1억달러 ) 180척을수출하는것과맞먹는다. 이뿐만아니라연평균 1만명이넘는고용창출효과를기대할수있으며, 한국형원전의인지도를높임으로써장기적으로추가수출의길을더욱확대하는데기여할것이다. 사업을수주하는데성공했다. 최초의원전플랜트수출이자사상최대규모 의해외수주였다. UAE 원전사업은 UAE 아부다비에서서쪽으로약 270km 떨어진바라카 직접수출효과후속수출효과고용창출효과 (Barakah) 지역에한국형원전 APR1400 4 기를건설하는사업으로, 2017 년 1호기준공을비롯해 2020년까지 4기의원전을순차적으로건설하는것을목표로하고있다. 2009년당시 UAE가발주한국제공개경쟁입찰에서우리나라는프랑스 200 억달러 UAE 원전사업기대효과 중형차 100 만대 초대형유조선 180 척 200 억달러 60 년간운영, 정비, 연료공급폐기물처리등 향후사업기간 (10 년 ) 에연인원 11 만명 006 이지사이언스시리즈 원자력 007

스마트 (SMART) 개발과수출핵연료국산화와한국형원전개발로원자력기술자립을완성한한국원자력연구원은또다른도전에나섰다. 뼛속부터우리기술로만든 100% 메이드인코리아 원자로를만드는것이다. 1997 년시작된도전은 15년만인 2012년마침내결실을맺었다. 바로스마트 (SMART) 원자로이다. SMART 는기존의대형원전과모습이나쓰임새가조금다르다. 우선, 대형원전보다출력규모가 10분의 1 정도적은중소형원전 (100MWe) 이다. 이때문에비교적건설공기가짧고건설비용도저렴하다는장점이있다. 또한전력생산뿐만아니라해수담수화가가능해인구 10만 ~50만명이거주하는소규모도시에전력과물을공급할수있는다목적원자로이다. 형원전은증기발생기, 가압기, 원자로냉각재펌프등원자로계통을이루는주요기기들을하나의압력용기안에모두설치했다. 이로써기기들을잇는대형배관이파손되는사고를원천적으로방지할수있다. 수출전략형원자로로 스마트건설조감도 SMART 는 2012 년 7 월 4 일원자력안전위원회로부터표준설계인가를받음 으로써세계최초로개발완료된일체형원전이라는신기원을이뤘다. 일체 개발된 SMART 는원전도입을희망하나대형원전건설이어려운나라를중 심으로수요가확대될것으로전망되고있다. 대형원전을건설하기위해서는 1기당 3조 ~4조원이상의비용이소요되며, 건설기간도계획부터준공까지 10년가량걸린다. 원자력발전도입을희망하지만경제력이약한나라는감당하기어려운대형프로젝트다. 또한넓은국토에인구가분산돼있거나도서지역의경우송전망구축에지나치게 가압기 펌프 많은비용이소요되기때문에이러한나라들은중소형원전도입을고려하 고있다. 증기발생기 노심및핵연료 더알아보기 표준설계인가 : 동일한설계의발전용원자로를반복적으로건설하고자할경우, 인허가기관이원자로및관계시설의표준설계에대해종합적인안전성을심사해인허가를주는제도이다. SMART 는원자력안전위원회로부터표준설계인가를받았다. 대형원전과 SMART 의비교 008 이지사이언스시리즈 원자력 009

2015년 3월 3일, 우리나라토종원자로 SMART 가중동의사우디아라비아로부터첫러브콜을받았다. 사우디내 SMART 건설및원자력인력양성등을위한양국간 MOU가체결된것이다. 사우디는 2040 년까지전력의 20% 수준을원전으로공급한다는계획에따라원전도입을추진하고있으며, 우수성과안전성이입증된 SMART 원자로를활용하여자국이겪고있는물부족현상을해소하고중 소규모도시에전력을공급할계획이다. 앞으로는 중소형원전의시대 라고불릴만큼세계중소형원전시장규모가점차확대되고있다. 미국에너지부에따르면중소형원전의세계시장규모는 2050년까지 3,500억달러 ( 약 400조원 ) 에달할전망이다. 미국, 중국, 러시아, 프랑스, 아르헨티나등세계 10여개국이앞다퉈중소형원자로를 개발중이며, 우리나라는이번사우디와의 MOU를통해 SMART 상용화단계를밟게됨으로써중소형원자로시장에서명실상부한선두주자로자리잡았다. 우리나라는 2009년 UAE 대형상용원전수출과요르단연구용원자로수출에이어중소형원전 SMART 수출에성공함으로써원전수출포트폴리오를구축했다. 이를통해원자력수출국으로의입지를다지고원자력수출산업화에좀더박차를가하고있다. 원전수출은직접적인수익뿐만아니라일자리창출등막대한부가가치를창출해낸다. 또한국가원자력연구개발성과를다시 R&D 사업에재투자함으로써연구개발사업의선순환구조를구현할수있다. 앞으로 SMART 원자로에서나온열 90% 를전기생산에활용 (10 만명사용가능 ) 바닷물을증발시킨뒤식혀담수로전환 ( 담수플랜트 ) 는우리나라대표수출상품으로자리매김하고, 국가경제발전의견인차로서 역할을다해나갈것이다. 전력망연결또는독립사용 SMART 원자로에서발생한증기 민간에담수공급 SMART 원자로에서우라늄을태워나오는열로증기생산 SMART 의다양한활용 010 이지사이언스시리즈 원자력

목차 CHAPTER 3 머리말 원자력이란 도입 원자력 기술 수출국으로 도약 CHAPTER 1 004 006 제3의 불, 원자력 01 원자란 무엇인가? 018 02 원자의 구조를 밝혀라! 023 03 상상 그 이상의 원자력 028 04 원자력 에너지가 필요한 이유 033 원자력 이야기 원자력의 평화적 이용 038 CHAPTER 2 원자력의 역사 01 세계 최초의 원자로 042 02 맨해튼 프로젝트 046 03 원자로의 발전 053 04 제4세대 원자로의 등장 058 원자력 이야기 원자력 잠수함과 항공모함 062 원자력이 만드는 에너지의 미래 01 힘 좋고 오래가는 특급 보일러, 발전용 원자로 066 02 중성자를 잡는 감속재 068 03 냉각재는 원자로의 생명수 070 04 핵분열 연쇄 반응의 파수꾼, 제어봉 072 05 원자로의 물은 100도에서 끓지 않는다 074 06 경수로와 중수로 076 원자력 이야기 원자력발전소에서 물고기를 키운다? 078 07 다양한 분야에 이용되는 소형 원자로 080 08 수소 경제 시대의 문을 여는 열쇠, 초고온가스로 083 CHAPTER 4 연구용 원자로는 팔방미인 01 우리나라 최초의 연구용 원자로 088 원자력 이야기 원자력발전의 시작 090 02 국가대표 연구용 원자로, 하나로 092 03 연구용 원자로는 호랑이 선생님 096 04 셜록홈즈도 울고 갈 중성자 099 05 수소연료전지 자동차 탄생의 비밀 104 원자력 이야기 우리 연구로 기술을 세계로 106

CHAPTER 5 원자로를 움직이는 힘, 핵연료 CHAPTER 7 원자력의 생명은 안전 01 핵연료 우라늄의 일생 110 01 발전용 원자로의 안전시스템 152 02 우라늄 농축, 우라늄아 모여모여 114 02 비행기 충돌에도 끄떡없는 원자력발전소 154 03 핵연료, 완벽함을 추구하다 116 03 지진에도 끄떡없는 원자력발전소 156 04 사용후핵연료 처리방법과 소듐냉각고속로 118 04 원자력 안전을 떠받치는 아틀라스(ATLAS) 158 원자력 이야기 하나 피복관 특허 승소 사건 122 05 원자로 안전도우미, 원자력 로봇 164 06 원자력, 사이버테러를 막아라! 168 원자력 이야기 인류가 반성해야 할 원전 사고 1 172 원자력 이야기 인류가 반성해야 할 원전 사고 2 174 CHAPTER 6 우리와 함께하는 방사선 01 방사선이란 무엇일까? 126 02 널리 이용되는 인공방사선 130 원자력 이야기 우주에도 방사선이 있다고? 132 03 방사선의 놀라운 능력 1 : 방사선은 팔방미인 134 04 방사선의 놀라운 능력 2 : 암세포 꼼짝 마라! 139 05 빛의 속도로 달리는 양성자 가속기 143 원자력 이야기 우주에서 맛보는 한식 148 CHAPTER 8 다 쓴 원자로와 폐기물 처리 01 방사성폐기물 관리 178 02 방사성 물질 미생물로 없앤다! 182 03 원자로의 수명은? 184 04 원자로의 노후 준비 186 05 폐로, 어떻게 해야 할까? 188 06 폐로 사용의 성공적 사례 190 원자력 이야기 원자력과 생활하는 해외의 사례 192 이미지 출처 및 참고문헌 194 필자 소개 196

E a s y S c i e n c e S e r i e s CHAPTER 1 01 원자란무엇인가? 02 원자의구조를밝혀라! 03 상상그이상의원자력 04 원자력에너지가필요한이유 제 3 의불, 원자력 원자력이야기원자력의평화적이용

01 원자란무엇인가? 450년경엠페도클레스는만물의근원이 물, 불, 흙, 공기 라고주장했다. 한편, 기원전 400년경데모크리토스는세상만물은더이상쪼갤수없는 원자 (atom) 로구성되어있다고했다. 원자는 더이상쪼갤수없는 이라는뜻의그리스어인 atomos 에서유래된말이다. 데모크리토스는원자를균일하고, 단단하고, 무게가있고, 압축되지않고, 파괴되지않으며, 원자의형태와크기의차이가물질의다양한성질을결정한다고생각했다. 원자, 더이상쪼개지지않는최소입자? 누구나한번쯤은 우리가사는세상은무엇으로이루어져있는가 하는생각을해보았을것이다. 이에대해고대그리스의철학자들은나름의대답을내놓았다. 그들은세상만물이하나또는몇가지근본물질로구성되어있다고생각했다. 기원전 600년경탈레스는만물의근원을 물 이라고주장했고, 기원전 이러한원자에대한개념은오늘날의개념과는다르기는하나비슷한부분도있다. 19세기에들어서영국의과학자돌턴은근대원자설을내놓았다. 돌턴은물질은작고, 똑같으며더이상쪼갤수없는입자들의집합체라주장하며이입자의이름으로데모크리토스가말한 원자 라는말을그대로차용했다. 돌턴의원자론의내용은다음과같다. 물질의근원에 기원전 600년탈레스, 만물의근원생명체에있어서물은아주중요한물질이므로, 만물의근원은 물 이라고주장했다. 기원전 450년엠페도클레스의 4원소설만물의근원은물, 불, 흙, 공기이고, 이네가지원소가서로다른비율로섞여여러가지물질을만들어낸다고주장했다. 사랑과미움이라는힘이원소를서로당기기도하고밀쳐내기도한다고생각했다. 기원전 400년데모크리토스의원자설물질은 원자 (atom) 로이루어져있는데, 원자는더이상쪼갤수없이매우작고단단하며, 눈에보이지않는알갱이라고주장했다. 1803년돌턴돌턴은처음으로실험적근거를가지고근대원자설을주장했다. 이원자설이오늘날원자론의바탕이되었다. 대한역사 1926년 ~ 현재, 전자구름모형현대에와서는원자가운데에원자핵이있고, 원자핵은양성자와중성자로이루어져있으며, 이원자핵둘레를전자가구름처럼퍼져있다고생각하게되었다. 1913년보어원자핵을중심으로전자가일정한궤도를돌고있다고주장했다. 태양을중심으로행성이도는것과같다고해서태양계모형이라한다. 1903년톰슨 1897년에전자를발견해원자구조에대한생각을새롭게바꿔놓았다. 1903년에는 건포도원자모형 을제시했는데, 빵에건포도가박혀있는것처럼양전하를띤구에전자가박혀있다고생각했다. 1911년러더퍼드원자핵을발견한러더퍼드는원자의중심에질량의대부분인원자핵이있고, 그둘레를전자가돌고있다고주장했다. 018 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 1 제3의불, 원자력 019

1 모든물질은더이상쪼갤수없는원자로구성된다. 2 같은원소의원자들은크기, 모양, 질량이같다. 3 화합물은두가지이상의원자가일정한비율로결합해만들어진다. 4 화학변화가일어날때원자들은변하지도새로생기지도소멸되지도않는다. 하지만이러한돌턴의원자설도이후과학의발달에따라수정되었다. 원자의놀라운힘돌턴의원자론에서원자는더이상쪼개지지않는가장작은알갱이라고했다. 하지만 1896년프랑스의베크렐이우라늄원소에서방사선이나온다는것을발견한후돌턴의원자론은수정될수밖에없었다. 원자에서무엇인가가나온다는것은원자를더작은알갱이로쪼갤수있다는의미이기도 했던것이다. 원자가더쪼개질수있다는것을알게된과학자들은원자의구조를연구하기시작했다. 오늘날보편적으로받아들여지는원자의구조는원자의가운데원자핵이있고, 원자핵은양성자와중성자로이뤄져있다. 그리고원자핵둘레에전자가구름처럼퍼져있는형태이다. 원자의크기는대략 10-9 ~10-8 센티미터정도인데원자핵은원자크기의만분의일에불과하고, 전자는그보다더욱작다. 원자를잠실종합운동장크기라고한다면, 원자핵은그가운데에놓인축구공만하고전자는경기장둘레에붙어있는개미만한크기라고할수있다. 그러나원자핵이원자질량의 99.99% 를차지하고있다. 아주작은핵이질량의대부분을차지하고전자가바깥에서돌고있는데, 신기하게도원자핵과전자사이의공간은비어있다. 따라서실제원자의대부분은빈공간 양성자 중성자 원자핵 ( 중성자 + 양성자 ) 전자 으로이루어져있는것이다. 원자의성질을결정하는것은원자핵속에들어있는양성자의개수이다. 그리고원자의질량은원자핵을이루는양성자와중성자의수에의해결정 된다. 오늘날원자는원자번호와원자량을 X 로표시한다. 이때 X 는원자 기호이고, A 는원자량, Z 는원자번호를나타낸다. 예를들어지구상에자연 적으로존재하는가장무거운원자인우라늄의경우 U 로표시한다. 우 라늄 -238 의경우양성자와전자의수는 92 개이고, 원자량은양성자와중성 자의질량을합한것으로 238 이니중성자의수는 238 에서 92 를빼고남은 235 146개가된다. 그런데우라늄에는원자량이다른 U도있다. 이는원자핵 속에들어있는중성자의수가다르기때문이다. 이처럼양성자의수는같고 Α Ζ 92 238 92 원자구조원자핵은양성자와중성자로이뤄져있으며원자핵둘레에는전자가있다. 중성자의수가다른것을 동위원소 라한다. 020 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 1 제3의불, 원자력 021

제3의불, 원자력에너지양성자의개수가원자의성질을결정하는것을알게된과학자들은양성자의수를바꾸면원자를다른원자로바꾸는것이가능하지않을까하고연구하기시작했다. 1919년러더퍼드는질소원자를산소원자로바꾸는데에성공했다. 게다가중성자의발견으로원자핵을변환시키는것이훨씬수월 02 원자의구조를밝혀라! 원자핵분열실험을성공시킨오토한 (Otto Hahn, 1879~1968 년 ) 해졌다. 전기를띠지않는중성자는전기적인반발 이없이원자핵에쉽게부딪칠수있기때문이다. 로마대학의엔리코페르미는원자핵에중성자를 원자모형연구의시작 원자가더쪼개질수있다는것을알게된과학자들은원자의내부구조를 연구하기시작했다. 하지만원자내부를들여다보는것이불가능했기때문 쏘아넣어새로운원자 40여가지를만들어내는데성공했다. 하지만과학사에서이보다더큰발견은원자핵에중성자를충돌시키면원자핵이두조각으로깨진다는것이다. 즉, 원자핵이분열하는것이다. 이실험을처음성공시킨사람은독일의오토한과스트라스만이다. 이들은 1938년중성자를우라늄원자핵에충돌시키면우라늄원자핵이불안정해져두조각으로깨진다는것을발견했고, 오토한은 1944년이연구업적으로노벨화학상을받았다. 이후우라늄원자핵이작은원자핵으로분열할때엄청난에너지를방출한다는것이밝혀졌다. 그원리를이용해원자폭탄이만들어졌고, 원자력발전도가능해졌다. 우리나라는원자력발전이 30% 정도를차지하고있다. 1킬로그램의우라늄에서얻을수있는에너지는석탄 300톤에서얻을수있는에너지와맞먹을정도여서원자력에너지는제3의불이라는별명도붙었다. 에내부구조를연구하기위해원자모형이제시되었다. 모형이란자연에서발견되는현상이나실험결과를알아내기위한수단이되지만그자체가실제와같은것은아니다. 따라서새로운사실이발견되면모형은다시수정되어더욱더자연현상을제대로설명할수있는모형으로발전되어왔다. 원자모형도마찬가지로새로운사실이하나씩발견되면서조금씩수정되어왔다. 영국의과학자돌턴은원자가단단하고쪼갤수없는속이꽉찬당구공과같다고생각했다. 그는화학변화가일어날때질량보존의법칙과일정성분비의법칙, 자신이발견한배수비례의법칙이발생한다는것을설명하기위해원자의존재를가정하고원자모형을제안했는데, 이를돌턴의당구공모형원자설이라고한다. 돌턴이가정했던원자의존재는그후많은과학자들의실험에의해증명되었고, 모든물질이원자라는아주작은입자로이루어져있다는것도확인 022 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 1 제3의불, 원자력 023

되었다. 그러나그의원자설중 원자는더이상쪼갤수없다 는가설은나 원자모형의변천사 중에수정되었다. 이후원자는더작은입자인양성자, 전자, 중성자로이루어져있다는것이밝혀졌고, 핵분열의발견으로원자가쪼개진다는것도알 돌턴, 1803 년 톰슨, 1903 년 러더퍼드, 1911 년 보어, 1913 년 현대원자모형, 1926 년 ~ 현재 게되었기때문이다. 그밖에도 원자의종류가같으면크기와질량이같다 는설은같은원자지만질량이서로다른동위원소의발견으로수정되었고, 설명할수없었던기체반응의법칙은훗날분자의개념이도입되어설명할 수있었다. 이처럼돌턴의원자론은많은부분이수정되어야했으나그의원자설가치가근본적으로허물어진것은아니다. 원자라는개념을이해하고설명하는데있어돌턴의원자설은매우중요하다. 그의연구는이후원자에대한연구가활발히이루어지는데에도큰역할을했다. 원자는더이상쪼갤수없는단단한작은공과같다 ( 당구공모형 ). 양전하가가득차있는곳을음전하를띤전자가움직이고있다 ( 건포도모형 ). 원자의중심에크기가매우작고질량이큰양전하의원자핵이있고, 그둘레를음전하를띤전자가움직이고있다. 원자핵을중심으로전자가일정한궤도를그리며돌고있다. 태양계모형이라고도한다. 전자구름모형으로, 원자핵둘레에전자가구름처럼퍼져있다. 원자모형의변천사 19세기말과학자들은전기장이원자나분자에미치는영향을연구했다. 1897년톰슨은음극선실험을통해음극선이마이너스 (-) 전하를띤매우작은입자들의흐름이라는것을발견했다. 음극과양극으로된두개의금속판사이로음극선을쏘아보냈을때음극선이양극판쪽으로휘어지고, 음극판에서는멀어지는현상을발견하고음극선이음극을띤전자라는입자로되어있음을알아낸것이다. 이때문에그는원자에양전하와음전하가고르게분포되어있다고생각했다. 마치양전하를띤푸딩같은원자속에전자가건포도처럼여기저기박혀있다고생각한것이다. 그의원자모형을건포도푸딩모형이라고도하는이유가여기에있다. 톰슨의제자였던러더퍼드는새로운사실을밝혀냈다. 금박의막에양전 하를띤알파입자를투과시키면대부분의알파입자는그대로통과한다. 그런데일부알파입자는반사되거나양옆으로산란된다는사실을발견한것이다. 이를통해원자의중심에원자핵이있고그주위에전자가있는원자모형을제시했다. 비로소원자핵의존재를알게된것이다. 덴마크의닐스보어는 1913년새로운원자구조모형을발표했다. 그는원자의구조가마치태양계와같다고주장했다. 행성이일정한궤도를유지하면서태양을도는것처럼전자가원자핵주위의일정한궤도를돌고있다는것이다. 그는바깥쪽궤도를도는전자가안쪽의낮은궤도로전이할때그에너지차에해당하는불연속적인에너지를가진광자가방출된다는이론도발표했는데, 이것은양자론의기초가되었다. 보어의모형을태양계모형이라고한다. 024 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 1 제3의불, 원자력 025

현대양자역학의장을열다 19세기말과학자들은뉴턴역학과맥스웰의전자기학만있다면물리학의모든법칙들이설명될수있다고생각했다. 뉴턴역학은입자, 즉눈에보이는것을담당했고맥스웰의전자기학은파동을다뤘기때문이다. 이시절사람들은세상의모든것은파동과입자로나뉜다고생각했다. 이두가지는서로다른것으로취급되었다. 하지만이러한이론에는치명적인문제가있었다. 흑체복사가있었기때문이다. 흑체 란모든전자기파를흡수할수있는물체인데, 흑체로이루어진상자를가열했더니흑체안에무한히많은파동들이각각의에너지를가지고존재한다는결과가나온것이다. 이러한문제를해결한사람이독일의물리학자막스플랑크이다. 플랑크는실험내용을바탕으로수식을만들었는데, 이수식이의미하는것은파동의에너지자체가불연속적이라는것이었다. 지금까지사람들이믿어왔던진리가깨진것이다. 이것이양자역학의시작이다. 얼마후아인슈타인은광양자이론을발표했다. 이이론은빛이입자로존 성을가진것이라는게밝혀졌다. 이러한불연속적인값들을설명할수있는이론이바로양자역학이다. 양자의사전적정의는 어떤물리량이연속값을취하지않고어떤단위량의정수배로나타나는비연속값을취할경우, 그단위량을가리키는용어 이다. 즉, 모든물리량이불연속적인값을가지며이불연속적인, 즉양자화된것들의움직임을설명해주는것이바로양자역학이라는뜻이다. 양자 양자역학의시작을알린막스플랑크 (Max Karl Plank, 1858~1947 년 ) 재한다는것을증명한실험이었다. 이로인해빛은파동이자입자라는양면 역학은고전물리학에서한단계나아가현대물리학의새로운장을열었다. 전자의입자성과파동성을결합한양자역학에의하면원자주위의전자는 더알아보기 빛은입자인가파동인가? 빛은입자인가아니면파동인가 하는질문은오랫동안과학자들을고민하게만들었다. 뉴턴은빛이에너지를운반하는작은덩어리입자라고보았다. 빛이장애물을만나그림자를만드는성질은이러한관점에서자연스럽게설명됐다. 반면맥스웰은그의전자기이론으로부터빛이전자기적파동 ( 전자기파 ) 의일종이라는사실을증명했으며, 헤르쯔가라디오파를발생시켜그특성이빛과똑같다는것을입증하기도했다. 이후현대물리학에서는빛의성질을입자성과파동성을동시에지녔다고정의한다. 그위치를정확히나타내는것이불가능하다. 그래서원자핵주위를도는전자가일정한위치에서확률적으로존재한다고말하며, 이를오비탈이라한다. 이러한오비탈모형으로원자핵을돌고있는전자를표시하면마치구름처럼퍼져서운동하는것으로보이므로양자역학에기초한현대의이러한원자모형을전자구름모형이라고한다. 026 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 1 제3의불, 원자력 027

03 상상그이상의원자력 핵분열반응이란? 핵분열반응은아무때나그냥일어나는것은아니다. 핵분열성원소가중성자를만나결합해불안정하게되면핵분열반응을일으킨다. 핵분열성원소에는우라늄, 플루토늄이있다. 우라늄은 1789년마르틴하인리히클라프로트가발견했는데, 그당시새로발견한태양계가장바깥쪽행성인천왕성 (Uranus) 의이름을따서우라늄이라고이름지었다. 우라늄은자연계에존재하는가장무거운원소이다. 자연계에존재하는 원자력발전의원료가되는우라늄-235 1그램에서나오는에너지는석탄 3톤과석유 9드럼에해당하는에너지와맞먹는다. 어떻게이런막대한에너지가나오는것일까? 이를알기위해먼저핵자 ( 양성자 + 중성자 ) 의결합에너지에대해알아볼필요가있다. 원자핵을이루는양성자와중성자는핵력에의해아주좁은공간에서서로결합해갇혀있다. 이핵자를하나씩분리하려면이들을결합하고있는핵력을이겨낼수있는힘이필요한데, 이힘이굉장하다. 이렇게핵자를하나씩분리하는데필요한힘은바로핵자들이서로결합하고있는힘에해 우라늄은우라늄-238(99.3%), 우라늄-235(0.7%), 극소량의우라늄-234로구성되어있다. 우라늄동위원소중에서우라늄-235는느린속도의중성자 ( 열중성자 ) 와만나면불안정하게되어핵분열반응을일으킨다. 이때크립톤-85( 85 Kr), 제논-135( 135 Xe) 또는바륨-141( 141 Ba) 과같은핵분열생성물이나오고, 2개내지 3개의중성자와더불어커다란에너지를방출한다. 이에너지는반응전에비해반응후에총질량이약간줄어드는데, 이러한질량의차이가에너지로변환된것이다. 이때나온중성자는매우빠른속도의중성자 ( 속중성자 ) 로감속재라는물 당하므로이를핵자의결합에너지라고한다. 핵자의결합에너지는원소에 따라조금씩다르다. 자연계에존재하는원소중에서핵자당결합에너지가가장큰것은철 (Fe) 이다. 자연계에존재하는원소는안정적인원소가되려는경향이있다. 에너지 [ 열, 방사선 ] 따라서질량수가철보다큰원소는쪼개져서가능한한철에가까운원소가되려하고, 질량수가작은원소는서로결합해철에가까운원소가되고자한다. 쪼개져서질량수가작은원소로되는것이핵분열반응이고, 합쳐져서 중성자 중원소우라늄 중성자 [2~3 개방출 ] 질량수가큰원소로바뀌는것이핵융합반응이다. 핵분열반응 028 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 1 제3의불, 원자력 029

질 ( 물또는흑연등 ) 의핵과충돌하면에너지를잃고느린속도의중성자가된다. 이렇게속도가느려진열중성자는인근의우라늄핵과다시결합해또다른핵분열반응을일으켜속중성자를방출한다. 이속중성자는다시감속재와충돌해열중성자가되고인근의우라늄-235 핵과결합해핵분열반응을일으키게된다. 이와같이핵분열반응이연쇄적으로일어나는것을연쇄반응 (Chain Reaction) 이라한다. 나로구성되어수소보다 2배정도무겁다. 핵융합의원료가되는중수소는지구상에매우풍부하게존재하고있어보통의물 3리터에서약 100원의비용으로 0.12그램의중수소를추출할수있다. 지구상의물에서중수소를추출한다면약 10억년을사용할수있는양이므로무한정한에너지나다름없다. 삼중수소의핵은양성자하나와중성자 3개로이루어져있다. 삼중수소는 반감기가 12.5 년인방사성동위원소로자연에는많이존재하지않지만, 중 핵융합반응이란? 핵융합반응은태양계에서일어나는반응이다. 가벼운핵들이서로결합해더무거운원소가될때질량결손이일어나면서에너지가방출되는반응을말한다. 이반응은수소가풍부한태양이나다른항성들에서에너지를생성하는반응으로중수소 (Deutrium, D) 와중수소, 혹은삼중수소 (Tritium, T) 와중수소의반응이있다. 중수소는수소의동위원소이다. 중수소의핵은양성자하나와중성자하 열, 방사선형태로에너지방출 중수소 헬륨 중성자 수소 핵융합반응 대덕연구단지내국가핵융합연구소에있는한국형초전도핵융합연구장치 K-STAR 030 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 1 제3의불, 원자력 031

수를감속재로사용하는원자로캔두 (CANDU) 형월성원전 1, 2호기에서생산되거나리튬 (Li) 에중성자를충돌시켜인공적으로생산할수가있다. 핵융합반응으로엄청난에너지가발생하고, 그원료가되는중수소는거의무한정하면서산출물도방사능이없는헬륨이다. 따라서핵융합을이용해인류가바라는깨끗하고지속적으로사용할수있는꿈의에너지원으로만들기위한연구가진행되고있다. 우리나라에는대덕연구단지내국가핵융합연구소에 K-STAR 라는한국 04 원자력에너지가필요한이유 형초전도핵융합연구장치가있어핵융합기초실험을진행하고있다. 프랑스남부까다라시지역에는국제공동으로추진하고있는 ITER( 국제핵융합실험로 ) 사업이진행되고있다. 이곳에서핵융합기초연구를바탕으로핵융합에너지의실용적생산이가능한가를기술적으로실증하기위한실험용핵융합로가건설되고있다. 그런데핵분열이나핵융합반응의특징은이반응에방사선이발생한다는점이다. 방사선은알파선, 베타선, 중성자, 감마선또는핵반응에서방출되는각종입자선이나전자기파를말한다. 핵반응에서는방사선이직접방출되거나방사선을내는방사성동위원소가발생한다. 따라서원자력분야는핵분열과핵융합이라는핵반응에서발생하는에너지를이용하거나, 방사선을이용하는산업과과학기술분야를말한다. 원자력분야는전기를생산하는원자력분야와방사선이용등그밖의비발전분야로나누기도한다. 경제적이고안정적인원자력우리는살아가면서이미원자력과밀접한관계를맺으며살고있다. 우리나라에는 2014년기준으로 23개의원자력발전소가운영되고있다. 여기서나오는전기는우리나라전체전기생산량의약 1/3로원자력발전소가없으면전기수급에큰차질이있게된다. 원자력발전은다른에너지원에의한발전에비해가장저렴한에너지원이다. 원전단가에는원자력발전에필요한모든직접 간접비용뿐만아니라원전해체비용, 사용후핵연료처분비용및중저준위폐기물관리비용등사후처리비용까지이미반영된가격이다. 2011년말기준으로원전단가는 39.7원 /kwh, 석유는 184.7원 /kwh,, 태양광은 421.91원 /kwh, 으로다른전력원에비교했을때가장싼전력원이다 1. 원자력은적은양의우라늄으로대량의전기를생산할수있어매우 집약적인에너지원이라할수있다. 우라늄 5그램만으로 4인가족 1가구가 8개월동안사용하는전기생산이가능하다. 우리나라는매년에너지원의약 97% 를해외에서수입하고있다. 자원이거의없는우리나라는석유수입량이세계 4위에해당하고석탄과천연가스 032 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 1 제3의불, 원자력 033

500 400 421.91 원 /kwh 300 200 100 39.7 184.7 0 원자력발전 석유 태양광 에너지원별전기생산비용 (2011 년말기준 ) 번장전되면적어도 1 년반은태울수있고우라늄자원은 3 년에서 5 년의 비축량이있으므로우리나라의에너지안보에크게기여할수있다. 우리나라원전운영현황 친환경적이고효과적인원자력 지구온도는지난 100 년동안약 0.8 증가했다 2. 이를지구온난화라하 는데, 온난화의원인에대해서는간빙기라는장기적인지구기온변화의한 도전량수입에의존하고있다. 1970년대에석유파동을겪었던것처럼화력발전의원료가되는석유나석탄, 천연가스는자원매장량이한정되어있고, 지역적으로편중이심하다. 따라서에너지자원의대부분을수입에의존하는우리나라는무엇보다에너지안보가매우중요하다. 반면원자력발전의원료가되는우라늄은전세계적으로고르게분포되어있어세계에너지정세에크게민감하지않다. 따라서우라늄을수입에의존하더라도다른에너지원보다안정적인공급이가능하다. 또한우리나라의대표적인원전인가압경수로의경우, 우라늄연료가한 현상으로보는시각도있다. 하지만대부분의과학자들은화석연료사용에의한이산화탄소와같은온실기체농도의증가와산림벌채같은인간의활동에의해발생한것으로추측하고있다. 지구온난화는인간뿐아니라모든생태계와자연에까지피해를준다. 지구온난화가지속되면기온의상승뿐아니라아열대기후와사막의확장이일어난다. 국부적으로는극단적인홍수나가뭄과같은이상기온현상이일어나고생태계에도큰변화를가져온다. 최근우리나라에서명태가거의잡히지않고있으며, 전에는볼수없었던열대어류가등장하고상어나괴물 034 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 1 제3의불, 원자력 035

해파리등이해안가에자주출몰하고있다. 지구의평균온도가 1 가높아질때마다전체생물중 30% 가멸종위기에놓인다고한다. 지구의기온이계속상승하면북극의빙하가녹게되고, 해수면의상승을가져올뿐아니라얼음밑에잠자고있던메탄가스가방출되어지구온난화를가속시키게된다. 따라서세계적으로지구기온의상승을 2 이하로묶어두기위한다양한방법을강구하고있다. 원자력은이산화탄소를거의방출하지않는저탄 자연조건에따라전력생산이크게변화한다. 때문에안정적인전력공급원으로역할을하기에무리가있고 60헤르츠를유지해야하는양질의전기생산에도어려움이있다. 반면원전은기저부하를담당하고있어항상양질의전기를안정적으로공급할수있다. 따라서에너지안보, 기후변화에대한대응, 발전의경제성, 성장동력으로서의수출기대등을고려하면원자력발전은우리나라에있어가장현실적이면서다른어느것으로대체할수없는에너지원이다. 소에너지로서화석연료사용을효과적으로줄이는한방법이다. 국제에너지기구 (International Energy Agency, IEA) 는 세계에너지전망 2014년판에서다른에너지원형태의발전보다원자력발전이이산화탄소를대규모로줄일수있는효과적인방안중하나라고밝혔다. 2011년일본의후쿠시마제1원전사고이후어떤사람은원자력의안전성에의심을갖고태양광이나풍력등신재생에너지로우리나라발전의주공급원을삼아야한다고주장한다. 그러나우리나라의자연여건상신재생에너지를확대하는것에도한계가있다. 대형풍력발전의경우풍속이초속 3~4미터이상에서발전이가능하고초속 12미터에서최대발전량을보이며, 풍속이초속 25미터이상이되면기계를보호하기위해발전을정지해야한다. 우리나라에서풍력발전이가능한지역은평균풍속이초속 7미터이상이되는내륙산악지역 ( 설악산, 오대산, 태백산, 덕유산 ) 일부와남동해안, 제주도가있을뿐이다. 그리고태양광발전이가능한지역역시남부해안가일부와영남일부지역에국한되어있다. 또한신재생에너지는아직기술수준이낮고일조량이나바람의세기등 제주도에있는풍력발전소 036 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 1 제3의불, 원자력 037

원자력이야기 원자력의평화적이용 원자력 이라하면사람들은대개두가지이미지를떠올린다. 먼저무시무시한핵폭탄의위력과공포를떠올리고, 그다음엔커다란격납고로연상되는원자력발전소를떠올린다. 공포를먼저떠올리는것은불행하게도원자력이세상에그모습을드러낸것이제2차세계대전때일본히로시마와나가사키에떨어진핵폭탄이었기때문이다. 이후냉전시대를거치면서미국과소련의군비경쟁으로폭발력이월등히증가된핵폭탄부터수소폭탄의개발까지이어졌다. 사람들은제2차세계대전을종식시킨핵폭탄의위력을실감했기때문에상상할수없는공포에사로잡혀왔다. 냉전시대가끝나고평화공존시대로접어들어핵폭탄의감축과핵확산금지에대한많은노력을해왔다. 그럼에도사실상핵무기를보유한나라가존재하고있으며, 앞으로핵무기를개발하려고하는국가도있다. 현존하는핵무기만으로도인류를멸망시킬정도로충분한양인데, 핵무기개발을포기하지않는나라가있다는것은전세계를공포에빠뜨리기충분한것이다. 이때문에세계는핵무기감축과더불어원자력을평화적으로유용하게사용하고자하는노력을지속하고있다. 세계는원자력을군사목적이아니라세계평화와인류복지에공헌하는데사용하도록국제연합 (UN) 에서국제원자력기구국제원자력기구로고 오스트리아빈의국제원자력기구전경 (IAEA) 라는독립기구를설치했다. IAEA는 1953년드와이트아이젠하워미국대통령의유엔총회연설 평화를위한원자력 (Atoms for Peace) 을계기로유엔본부에서채택되어 1957년 7월 29일에설립되었다. 세계원자력의평화적이용을위한위대한첫걸음이시작된것이다. 이기구는전세계원자력의평화적이용을위한연구개발실용화를장려하고이에필요한물자, 서비스설비를제공한다. 또한과학적 기술적인정보교환을촉진하며, 핵분열물질이군사목적으로사용되지않도록보장조치를취하며원자력에대한감시자역할을하고있다. 집행기관은 35개국으로구성된이사회이며본부는오스트리아빈에있다. 우리나라는 1956년 10월 26일국제원자력기구헌장에서명했고, 1957년 6월 17일국회의비준을받아 1957년 8월 8 일헌장비준서를기탁함으로써창설회원국이되었다. 북한은 1974년에가입했지만 1994년 6월 13일탈퇴했다. 038 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 1 제3의불, 원자력 039

E a s y S c i e n c e S e r i e s CHAPTER 2 01 세계최초의원자로 02 맨해튼프로젝트 03 원자로의발전 04 제4세대원자로의등장 원자력의 역사 원자력이야기원자력잠수함과항공모함

01 세계최초의원자로 약간의질량결손이발생한다는것을알아챘다. 이때발생하는손실은아인슈타인의질량에너지등가법칙에딱들어맞는 200MeV( 메가전자볼트 ) 의에너지였다. 마이트너는이를계산해보고서를작성했고, 닐스보어를통해미국으로전달했다. 한편헝가리출신의유대인물리학자레오실라르드는핵분열연쇄반응에대해연구했다. 1938년미국으로건너간그는페르미와같이일하면서연쇄반응에의한원자로개념을생각해내공동으로미국특허를얻었다. 원자로가개발되기까지 핵물리학의아버지 라불리는엔리코페르미는 40여종의새로운동위원소를만들어내고, 열중성자를발견한공로로노벨물리학상을수상했다. 페르미는중성자가수소핵과부딪히면그속도가낮아지고속도가낮아진중성자는우라늄원자핵에쉽게흡수되어우라늄이쪼개지고더많은방사선을방출한다는것을알아냈다. 열중성자의개념이등장한것이다. 당시미국물리학계는비약단계에이르러있었고, 유럽에서는핵물리학의연구가동시다발적으로급진전되고있었다. 히틀러의탄압을피해유럽의물리학자들이미국으로모여들자미국에서는핵분열현상을무기나공업에이용할수있는가능성을검토하기시작했다. 1938년독일의한과스트라스만은실험을통해우라늄원자핵의핵분열현상을발견했고, 스쿼시코트에세워진최초의원자로, 시카고파일-1 핵분열이일어날때두개이상의중성자가함께튀어나와연쇄반응이일어날수있다는확증이나왔다. 연쇄반응이일어날수있는가능성이있는물질은우라늄-235와플루토늄-239라는것도알려졌다. 이제연쇄반응을실험으로입증할원자로가필요했다. 중성자에관해서는페르미가최고의권위자였기때문에페르미를중심으로연쇄반응실험이시작되었다. 처음에는시카고근교의아르곤숲속에원자로를건설하려고계획했지만노동자들의파업이일어나서바로 이연구에참여했던마이트너는이핵분열현상착수할수없는형편이되었다. 그래 핵물리학의아버지라불리는엔리코페르미 (Enrico Fermi, 1901~1954년 ) 에우라늄핵이두개의다른핵으로쪼개질때서최초의원자로는시카고대학운동레오실라르드 (Leó Szilárd, 1898~1964년 ) 042 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 2 원자력의역사 043

장스탠드아래에있던사용되지않는스쿼시코트에만들어졌다. 우라늄과감속재인흑연을차례로쌓아만든 최초의원자로의이름은 시카고파일-1(CP-1) 이다. 이원자로는시카고대학운동장에 6톤의우라늄과 50톤의산화우라늄, 그리고감속재역할을하는 400톤의흑연벽돌을층층이쌓아서만들었기때문에위로차곡차곡포개놓은더미라는뜻의파일 (pile) 이라는이름이붙었다. 가로 7미터, 세로 7미터의타원형으로제작된시카고파일-1은중성자흡수체로카드뮴막대기를사용했다. 카드뮴막대기는파일안에집어넣으면연쇄반응이줄어들고, 빼내면연쇄반응이일어나는제어봉역할을했다. 당시에는방사선이인체에얼마나해로운지알수없었기때문에카드뮴막대기를줄에매달아사람이줄을당겨인출하고줄을내려흑연파일에집어넣었다. 1942년 12월 2일수요일오전 8시 30분시카고대학교의스쿼시코트에는당대최고의핵물리학자들이모여있었다. 스쿼시코트의한쪽벽에는 3미터높이의발코니가있었는데, 거기에는세계최초의원자로실험장치를조작할수있는기계가준비되어있었다. 발코니에는페르미, 월터친, 허버트앤더슨, 아서콤프턴등내로라하는과학자들이서서실험을준비하고있었다. 드디어세계최초의원자로실험이시작됐고, 실험은점심시간이후에도 계속되었다. 페르미는카드뮴으로코팅한제어봉막대기를천천히움직였다. 그러자방사성계수관이튀었다가안정되었다. 오후 3시 20분페르미는옆에서있는콤프턴에게 이제원자핵반응을제어할수있게되었어 라고감격스럽게말했다. 콤프턴은당시하버드에있던맨해튼프로젝트의책임자인제임스코난트에게장거리로전화해서 이탈리아항해사가신세계에상륙했어요 라고소리쳤다. 이후원자로는 1/2와트의출력상태로 28분동안가동되었고, 실험은성공적으로끝이났다. 곧이어미국의아르곤원자력연구소에출력 100킬로와트의제2의원자로가, 그리고워싱턴주의동쪽끝핸포드지역에폭탄제조용플루토늄을본격적으로생산하는원자로가건설되었다. 세계최초원자로시카고파일 -1(CP-1) 044 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 2 원자력의역사 045

02 맨해튼프로젝트 를전달했다. 이편지에는우라늄을이용한새로운에너지개발과강력한폭탄제조의가능성에대한내용이담겨있었다. 미국정부는이들의건의를받아들였고 1941년 12월마침내루스벨트대통령의지시로원자폭탄개발특수임무를수행하는 S-1 프로젝트 가시작되었다. 이후이프로젝트는 맨해튼프로젝트 로명칭이변경되었다. 맨해튼프로젝트는우라늄-235를이용해폭탄을제조하는방법과우라늄-238을플루토늄-239로변환해폭탄을만드는방법, 두가지방향으로 아인슈타인의편지 1939년 8월물리학자실라르드는만약독일이먼저연쇄반응을핵폭탄에이용한다면전세계가매우위험해질것이라생각했다. 독일보다먼저폭탄을개발해야한다는내용을담은편지의초안을작성한실라르드는아인슈타인의서명을받아당시미국대통령이었던루스벨트대통령에게문서 연구가진행되었다. 연구에참여한과학자들은 히틀러보다먼저 라는생각을가슴에품고불철주야로원자폭탄개발에매진했다. 리틀보이와팻맨맨해튼프로젝트의연구책임자로는 37세의캘리포니아공과대학교수인 오펜하이머가선정됐다. 여기에로렌스, 유리, 콤프턴등일찍이핵폭탄개발을추진해왔던과학자들이함께참여했다. 오펜하이머는탁월한리더십으로핵폭탄개발에반대하는수많은과학자들을맨해튼프로젝트를추진하던뉴멕시코로불러들였다. 그러나막상맨해튼프로젝트에착수하려고하니준비된것이하나도없었다. 핵폭탄을개발하려면제일먼저자연적으로연쇄반응을일으킬만한양 ( 임계질량 ) 의우라늄이있어야한다. 우라늄은사실흔하게구할수있는원소이다. 비록 1톤의암석에 2그램밖에들어있지않지만매장량은금보다 400배나많다. 문제는농축된원석이없어정제해야한다는것이었다. 우라늄-235를농축하는방법은 1942년에개발됐다. 아인슈타인 ( 왼쪽 ) 과루스벨트대통령 ( 오른쪽 ) 또핵폭탄을만들려면중성자의속도를늦출감속재가필요했다. 보통의 046 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 2 원자력의역사 047

물 (H2O) 을이루고있는수소 (H) 는중성자를흡수하므로, 중성자를포획하지않는중수 (D2O) 가필요했다. 그러나중수는우라늄을부식시키는결점을안고있어서, 맨해튼프로젝트에서는순수한흑연을감속재로사용했다. 이론으로존재했던우라늄의연쇄반응은최초의원자 중에존재하는중성자에의해스스로폭발하기때문이다. 그래서포신형우라늄탄과내폭형플루토늄탄두가지방법으로핵폭탄을만들기로결정했다. 드디어 1945년초여름 3기의핵무기를만드는데성공했다. 3기의핵무기가운데 2기는플루토늄핵폭탄이었는데, 각각 가제트 (Gadget) 와 팻맨 (Fat Man) 이라는이름이붙었다. 다른한개의우라늄핵폭탄은 리틀보이 (Little Boy) 로불렸다. 리틀보이 는긴관의양끝에우라늄-235를분리해넣은것이고, 팻맨 은속이빈공모양으로만들었다. 이들은레이더를이용해화약을폭발시키면우라늄과플루토늄이한곳에모여임계질량을형성하도록설계됐다. 당시과학자사이에서리틀보이는루스벨트를, 팻맨은처칠을일컫는별명이었다고한다. 1945 년 8 월 6 일히로시마에떨어진 리틀보이 ( 위 ) 와 1945 년 8 월 9 일나가사키에떨어진원자폭탄 팻맨 ( 아래 ) 로인 시카고파일-1 을통해확인되었고, 우라늄말고핵분열하는또다른원소가발견됐다. 바로원자번호 94인플루토늄-239이다. 시카고파 독일의우라늄계획미국이맨해튼프로젝트를추진하는동안독일, 일본, 소련에서도핵폭탄개발계획이수립됐다. 아인슈타인이루스벨트대통령에게편지를쓰던 1939년 8월독일의물리학자하이젠베르크는독일나치의군병기청으로부 일-1 실험후시카고파일-2를만들어원자로특성을연구했고, 워싱턴주에대규모의흑연감속플루토늄생산로를건설해 1945년까지 3기가완성되었다. 중수로쪽은개발이지연되어 1944년에최초의중수로시카고파일-3(300kW) 이완성되었다. 이후플루토늄생산로시카고파일-6 5기를건설해핵폭탄의원료인플루토늄을생산했다. 1945 년우라늄 -235와플루토늄-239를충분히확보한과학자들은이를어떻게폭탄으로만들지에대한마지막고민을해결해야했다. 임계질량을가진핵연료를한곳에모아두었다가는목표지점에싣고가기도전에대기 터소집영장을받았다. 독일은하이젠베르크를중심으로 우라늄계획 을수립했으며, 곧바로오토한과슈트라스만, 발터보테, 한스가이거등이이프로젝트에합류했다. 연합군의추적을피하기위해마련된핵폭탄개발장소는스타티름이라는작은마을이었다. 독일은미국보다핵폭탄을개발하는데훨씬유리한고지를점령하고있었다. 점령지인노르웨이중수공장에서만든 400리터의중수를손아귀에넣었고, 벨기에에서 1200톤의우라늄을빼앗았기때문이다. 게다가독일은우라늄-235를쉽게농축하는방법까지개발했다. 다만부족한것이있었다 048 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 2 원자력의역사 049

졸리오퀴리부부 면히틀러가핵폭탄에대해무지했다는점이었다. 결국독일은계획을미루다가핵폭탄을개발하지못했다. 1943년에이르러서는재정이극도로악화되어엄청난돈이들어가는핵폭탄개발은더욱엄두를낼수없었다. 설상가상으로노르웨이의 머는 배타적인것은서로보완적 이라는보어의상보성을내세웠다. 핵폭탄은죽음의무기지만, 향후더많은사람이살상당하는것을방지하고역으로전쟁을끝내고인류의평화를가져올수있다는것이었다. 결국네사람은만장일치로일본의인구밀집지역에핵폭탄을투하할것을결정했다. 사막에서핵폭탄을실험하는전시효과만으로는일본을위협할수없다는판단에서였다. 마침내인류역사상가장참혹했던운명의날이결정되었다. 1945년 8월 6일새벽 3시 30분최초의핵폭탄인 리틀보이 는일본의산업도시인히로시마에투하됐다. 우라늄으로만든 4.5톤의 리틀보이 폭탄은히로시마상공에서폭발했다. 반경 3킬로미 중수공장은 1942 년영국특수부대에의해폭파됐다. 또프랑스에서만든 중수는졸리오퀴리부부가나치의손아귀에들어가지않도록빼돌렸다. 하 이젠베르크가핵폭탄개발을일부러지연시켰다는이야기도있다. 터는쑥대밭이되었고, 순식간에 8 만명의목숨을앗아갔다. 그해 말사망자는 14 만명에이르렀 다. 지금까지히로시마원폭으로 핵폭탄의투하미국은제2차세계대전의주범인독일이핵폭탄을개발하지못할것이라는것을알고있었다. 게다가독일은 1944년 6월 6일노르망디상륙작전이후완전히패색이짙었으며, 미국이핵폭탄을만들기에충분한우라늄과플루토늄이마련된 1945년 5월에는독일이항복하고말았다. 그러나미국은핵폭탄을사용하겠다는생각을버리지않았다. 아직일본이남아있었기때문이다. 1945년 5월오펜하이머, 페르미, 로렌스, 콤프턴등 4명의과학자는일본에핵폭탄을투여할것인지를결정하기위해모였다. 이자리에서오펜하이 사망한사람은 20만명으로알려졌는데, 당시히로시마인구의 3 분의 2에해당하는숫자이다. 플루토늄으로만든 5톤의 팻맨 은 8월 9일나가사키에떨어져 7만명의목숨을앗아갔다. 인류의전쟁사에서그유례를찾기힘들정도의어마어마한파괴력이었다. 일본은 1945년 8월 나가사키에투하된원폭에서피어오르고있는버섯구름 050 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 2 원자력의역사 051

15 일무조건항복했고, 이로써당시 20 억달러라는천문학적비용이들어간 맨해튼프로젝트는대장정의막을내렸다. 03 원자로의발전 맨해튼프로젝트그후오펜하이머는유명인사가됐지만, 핵폭탄으로받은충격에서헤어나지못했다. 수소폭탄개발에참여하기를거절한오펜하이머는 1965년 TV 인터뷰에서원자폭탄개발을회상하면서힌두교의한구절을인용해 나는죽음, 세계의파괴자가됐다 고말했다. 아인슈타인은루스벨트에게편지를보내원자폭탄개발을독촉한것을두고, 자기인생의최대실수가운데하나라고자책했다. 전쟁 억제용 으로만사용될것이라믿었던핵무기가실제로사용되고또한핵군비경쟁이격화되는것을보고자신의선택을후회한것이다. 그는말했다. 총알은사람을죽이지만, 핵무기는도시를파괴한다. 탱크로총알을막을수있지만, 인류문명을파괴하는핵무기를막을수있는수단은존재하지않는다. 아인슈타인의지적처럼, 파괴력이엄청나마땅한방호수단이없고민간인과전투원을구분하지않으며그피해가당사자는물론주변국과미래세대에까지미치는핵무기는다른무기와는구별되어야한다는인식을한것이다. 더구나미국이이엄청난무기를히로시마와나가사키에떨어뜨리는것을목도하면서, 아인슈타인을비롯한많은과학자들은인간의이성과지혜에깊은좌절을경험하게된다. 1 최초의원자로가개발된이후현재까지다양한원자로가개발되었다. 원자로는편의상여러가지종류로나누어구분하는데, 그것을구분하는방법또한여러가지가있다. 사용목적에따라연구용원자로, 실험용원자로, 발전용원자로, 동력추진용원자로, 난방용원자로, 다목적용원자로등으로나뉜다. 크기에따라서는전기생산규모로대개 300메가와트이하는소형원자로로, 700메가와트이하는중형원자로라고하고, 그이상의용량은대형원자로로구분한다. 상업발전용원자로는경제성을고려해대형원자로가주를이루는데, 다시원자로의주요부품재료인핵연료나감속재, 냉각재등의구성과종류에따라구분한다. 예를들면발전용원자로인경우에도흑연로, 경수로, 가스냉각로, 중수로등과같은것은바로감속재와냉각재의종류에의해구분된것이다. 여기서감속재라는것은중성자의속도를느리게하는물질이다. 핵분열로생성된중성자의속도는매우빨라우라늄-235와잘반응하지않는다. 그렇기때문에중성자의속도를낮춰주는감속재가필요하다. 원자량이작 을수록중성자의속도를쉽게느리게하기때문에대개물이나흑연이감속 052 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 2 원자력의역사 053

재로사용된다. 연구용원자로는상업발전용원자로와달리전기를생산하지않는다. 대신원자로에서생산되는중성자와방사선을이용해여러가지실험과연구를수행하거나교육에사용하고동위원소를생산하는데사용된다. 대개수십메가와트정도의출력으로열이많이나지않기때문에도심에건설할수도있다. 우리나라의경우연구용원자로는대전한국원자력연구원에있는 하나로 (HANARO) 가유일하다. 2017년완공을목표로부산기장군에동위원소및반도체생산전용로인수출용신형연구로를건설중이다. 동력용원자로는먼거리를운항하는화물선이나대형상선, 또는잠수함등의엔진동력역할을하는것을말한다. 이것은석탄이나디젤엔진대신에원자력에의한엔진으로추진력을갖는다는뜻이다. 원자로에서생긴열로수증기를만들고그수증기의힘으로터빈을돌리고그힘으로스크류를돌리는원리이다. 원자력쇄빙선, 원자력화물선, 원자력잠수함등이있다. 지금까지개발된동력용원자로는거의모두가가압경수형원자로이고고속로가일부있다. 다목적원자로는원자로에서발생한열을발전이나동력으로사용할뿐만 아니라제철이나화학공업또는지역난방, 해수담수화등여러가지다양한목적에사용하는원자로를말한다. 현재세계여러나라에서다양한형태의원자로가추진되고있다. 특히, 최근에는석유를대체할에너지원으로주목받고있는수소를대량생산하기위해서초고온가스로의형태로수소생산원자로에대한연구가활발히진행중이다. 러시아나스웨덴같은추운지방의나라에서는원자로에서발생하는수증 연구용원자로하나로 (HANARO) 원자력쇄빙선아르크티카호 054 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 2 원자력의역사 055

기를이용해인구 4만 ~5만명정도의도시에서도지역별로난방용원자로를가동하고있으며노르웨이에서는원자로의수증기를제지공장에서사용하기도한다. 이와같이원자로에서발생하는수증기를이용하는방법은대체적으로발전용원자로를이용해발전도하면서또한편으로는남은열로수증기를만들어그것을다른곳에이용하는것이다. 하나의원자로는분류방법에따라동시에여러가지원자로개념으로불리는데, 사용목적외에현존하는발전용원자로를냉각재와감속재의종류에따라구분하면다음과같다. 4 ) 가압중수로캔두 (CANDU) 형원자로라고도한다. 감속재로중수를사용한다. 가압중수로는캐나다, 아르헨티나, 중국, 인도, 파키스탄, 루마니아그리고우리나라에건설되어있다. 5 ) 일체형원자로우리나라는중소형일체형원자로 (System-integrated Modular Advanced ReacTor, SMART) 스마트 를개발했다. 스마트는주요기기를하나로합쳐대형사고의가능성을원천적으로제거해안전성을높인원자로이다. 스마트는 2012년한국원자력안전기술원으로부터세계최초로표준설계인가를획득 해중소형원전의세계시장을선점하는야심찬목표를추진하고있다. 1 ) 흑연경수로흑연을감속재로사용한다. 냉각재로경수를사용하는흑연경수로와이산화탄소를사용하는흑연가스로가있다. 연료로천연우라늄을사용할수있으나일반적으로저농축우라늄을사용한다. 2 ) 가스냉각로흑연을감속재로사용하고, 이산화탄소를냉각재로사용한다. 개량형가스냉각로나고온가스냉각로는농축우라늄을연료로사용한다. 3 ) 경수로감속재와냉각재로보통의물인경수를사용한다. 핵연료는저농축우라늄을사용한다. 여기에는가압경수로와비등경수로가있다. 경수로는형태가작고운전하기가비교적쉽다는장점이있다. 현재전세계여러나라에서운영중이거나건설중인발전용원자로의 80% 가경수로이고, 그중가압경 수로가약 70%, 비등경수로가 30% 를차지한다. 중소형일체형원자로인스마트 (SMART) 의모형 056 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 2 원자력의역사 057

04 제 4 세대원자로의등장 격적으로건설 운영되었다. 대표적인제3세대원자로는우리나라의한국표준형원전인 APR1000(APR, Advanced Power Reactor / 1000, 1000MW의발전용량을의미 ), 미국의 AP600, 월성 1호기같은캔두6형원전등을들수있다. 제3세대플러스원자로는새로운안전성개념과경제성개념을도입해제3세대를향상시킨것이다. 유럽의 EPR, 미국의 AP1000, 우리나라의 APR1400, APR+, 일체형원자로인스마트가이에해당된다. 원자로의변천흔히상용발전로는건설된시기와안전성, 경제성등의특성에따라제 1세대, 제2세대, 제3세대, 제3세대플러스, 제4세대원자로로구분하기도한다. 제4세대원자력시스템은 2020~2030년경상용화를목표로경제성, 안전성, 지속가능성, 핵확산저항성을강조한원자력시스템이다. 전세계공모를통해 100여개의미래형원자로후보중에서 6개유망혁신원자력시스템을 2002년 7월선정해현재한국과미국, 프랑스등여러나라에서공동개발하고있다. 제 1 세대원자로는 1950 년대, 1960 년대에원자력을평화적목적으로사용 하기위해처음으로개발된원형로형태의원자로들을말한다. 초창기원자 로로미국의쉬핑포트원자로, 영국의마그녹스원자로가이에해당된다. 제 2 세대는원자력이본격적으로상업용발전로로서역할하기시작한 원자로의변천사 제 1 세대제 2 세대제 3 세대제 3 세대플러스제 4 세대 1960년대부터건설되어운영된원자로들이다. 현재세계에서운영되고있는대다수의원자로가여기에해당되고우리나라에서는고리 1, 2호기원전과월성원전들이이에해당된다. 1950~1960 년대초초기원자로 1970 년대이후상용화된원자로 1990 년대이후표준 개량형원자로 2015 년이내도입가능한경제성 안전성을향상시킨원자로 2020~2030 년경상용화를목표로한미래혁신원자로 제3세대원자로는개량표준형원자로라할수있다. 1979년의스리마일섬 (TMI) 원자력사고이후원전의안전성에관심이고조되었다. 따라서안전성과경제성을함께향상시키기위해표준화하고개량화하는일련의기술개선과개발움직임이활발해졌고, 제3세대원자로는이결과로등장한 미국의쉬핑포트원자로, 영국의마그녹스원자로등 현재운영되는대다수의원자로고리 1, 2 호기 APR1000 캔두 6 형 유럽의 EPR 미국의 AP1000 우리나라의 APR1400 소듐냉각고속로초고온가스로가스냉각고속로납냉각고속로초임계압수냉각로용융염원자로 원자로들이다. 제 3 세대원자로는 1980 년대부터개발되어 1990 년대부터본 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 058 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 2 원자력의역사 059

제4세대원자력시스템제4세대원자력시스템은네가지혁신적인기술목표를추구하고있다. 첫번째기술목표는연료자원활용성을증대시켜에너지공급의지속성을확보해야한다는것이다. 지속성은두가지면에서고려될수있다. 하나는자원이용효율을혁신적으로높이거나자원의재활용기술개발을통해자원을오랫동안사용할수있도록하는것이다. 다른하나는원자력시스템의사용으로발생되는폐기물량을최소화해환경부담을줄이는것이다. 두번째기술목표는일반대중이공감할수있는정도의안전성과신뢰성을가지도록한다는것이다. 이를위해서제4세대원자력시스템은안전시스템을구축하며, 중대사고의발생이거의일어나지않도록개발한다. 이러한 소규모전력망에적합한소형전력공급능력을갖는것, 고온을이용한수소와공정열을생산하는것, 그리고긴수명을가진방사성핵종인악티나이드를관리할수있는것이다. 이러한점이고려된제4세대원자력시스템은소듐냉각고속로와초고온가스로이다. 현재우리나라는이두가지시스템개발약정에서명하고, 공동연구에참여하고있다. 초고온가스로와소듐냉각고속로에대한자세한설명은각각 3장과 5장에서다뤄질예정이다. 제4세대원자력시스템의종류분류제4세대원자력시스템특징 혁신적안전개념의적용은국민이해및수용성확보에크게기여할수있을것으로기대된다. 세번째기술목표는경제적인에너지공급시스템이되도록한다는것이다. 모든에너지생산시스템과비교해전수명주기비용 ( 건설부터수명기간 고속로 소듐냉각고속로 SFR(Sodium-cooled Fast Reactor) 가스냉각고속로 GFR(Gas-cooled Fast Reactor) 소듐을냉각재로사용. 우라늄재활용도높고, 플루토늄, 악티나이드등폐기물저감 헬륨을냉각재로사용 악티나이드관리로폐기물저감가능 동안의운영비용을모두합한것 ) 에서높은경쟁력을가지도록하고, 또한초기투자비를획기적으로줄임으로써재정적위험부담을없애고투자위험도를감소시키는것이다. 마지막네번째기술목표는혁신적인핵확산저항성과물리적방호개념을개발해적용하는것이다. 핵물질을다른용도로사용할수없게하고, 테러에대한대비도완전하게갖춰명실상부안전한에너지원으로역할을할수있게하는것이다. 고속로 열중성자로 열중성자로 납냉각고속로 LFR(Lead-cooled Fast Reactor) 초임계압경수냉각로 SCWR(Supercritical Water-cooled Reactor) 용융염원자로 MSR(Molten Salt Reactor) 납등의액체금속을냉각재로사용 수소생산및해수담수화용도의이동형원자로로개발중 물의임계점이상에서운전되는고온 고압시스템 기존경수로에비해열효율이 3 배이상향상 액체형연료를사용. 연료의성형이필요없고핵물질전용의위험이없음 개발의문제로실용화는 2023 년이후가능 이러한기술목표를바탕으로우리나라의제4세대원자력시스템이갖춰야할역할은대규모전력망에적합하도록대형전력공급능력을갖는것, 초고온가스로 VHTR(Very High Temperature Reactor) 세라믹피복입자핵연료, 흑연감속재, 헬륨냉각재 열병합발전가능, 수소생산 060 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 2 원자력의역사 061

원자력이야기 미국해군 원자력잠수함과항공모함 미국은원자폭탄을일본열도히로시마와나가사키에두차례투하하며제2 차세계대전을승리로이끌었다. 이때입증된가공할만한핵분열에너지를냉전시대의무기체계에도입하기시작했다. 이는평화적이용의대표적인사례인원자력발전소의건설보다앞서는것이다. 원자력을무기체계에도입한첫번째사례는원자력잠수함노틸러스호이고두번째사례는원자력항공모함엔터프라이즈호이다. 1955년 1월 17일원자력에의한항해를시작한미국최초의원자력잠수함 노틸러스호는길이 97미터, 배수량 3180 톤으로기존의재래식잠수함보다훨씬크다. 원자로에서만들어진증기로동력을공급받아잠수상태에서 20노트이상의속력으로항해할 USS 엔터프라이즈호 (CVN-65) 수있고속력도유지할수있다. 노틸러스호는방사능오염을최대한방지하고, 디젤-전기동력을보조동력으로사용하는등여러면에서원자력잠수함의표준이되었다. 1980년에항해를마친노틸러스호는코네티컷에있는박물관에전시되어있다. 세계최초의원자력항공모함인엔터프라이즈호 (CVN-65) 는 1961년건조된미국해군의항공모함이다. 고농축우라늄가압수형원자로 8기를탑재한엔터프라이즈호는기준배수량이 7만 5700톤, 길이가 335.9미터, 비행갑판최대너비가 76.8미터에이른다. 최대속도는 35킬로노트, 순항속도는 30킬로노트이다. 1961년취역한엔터프라이즈호는 1962년쿠바미사일위기부터 2012년아프간분쟁에이르기까지현대세계전쟁역사의산증인이었다. 이후 2012년 12월취역한지무려 51년만에퇴역했다. 엔터프라이즈호는연료의재공급없이순항속도로지구를 20바퀴항해할수있는능력이있다. 미국해군 USS 노틸러스호 (SSN 571) 062 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 2 원자력의역사 063

E a s y S c i e n c e S e r i e s 01 힘좋고오래가는특급보일러, 발전용원자로 02 중성자를잡는감속재 03 냉각재는원자로의생명수 04 핵분열연쇄반응의파수꾼, 제어봉 05 원자로의물은 100도에서끓지않는다 CHAPTER 3 원자력이만드는 에너지의미래 06 경수로와중수로원자력이야기원자력발전소에서물고기를키운다? 07 다양한분야에이용되는소형원자로 08 수소경제시대의문을여는열쇠, 초고온가스로

01 힘좋고오래가는특급보일러, 발전용원자로 증기를만드는물질이다. 감속재와냉각재로는주로물을사용한다. 원자력발전소에서냉각재가흐르는특수한통로를 1차계통 이라한다. 1차계통에서는핵분열이실제로일어나고, 이과정에서발생하는열을이용해증기를발생시킨다. 2차계통 은증기발생기에서생겨난뜨거운증기로터빈과발전기를돌려서전기를만들어내는부분이다. 증기발생기를통과해높은압력과열을가진증기는터빈을분당 1800회정도로회전시키며, 이때터빈에연결된발전기에서전기를생산하게된다. 화력발전소에서는물을끓여만든증기의팽창력을이용해터빈을돌려전기를생산한다. 원자력발전소역시물을끓여발생한증기의힘으로터빈을돌려전기를만든다는점에서화력발전소와같다. 다만화력발전은석유, 가스또는석탄등의화석연료를태울때에나오는열로증기를만들고, 원자력발전은우라늄등의핵분열연쇄반응과정에서나오는열로증기를만 마지막으로터빈을돌리고난증기를다시물로바꿔주는역할을하는것이 3차계통이다. 여기서증기를물로식혀주는역할은주로바닷물또는강물을이용한다. 이때차가운바닷물이복수기라는열교환기내부를흐르기때문에바닷물과방사능에노출된 3차계통내부의증기는직접만나지않는다. 든다는점에서차이가있다. 화력발전소에서물을끓이는것을 보일러 라고하는데, 원자력발전소에서는 원자로 가화력발전소의보일러와같은역할을하게된다. 둥근원통형용기의원자로안에는핵분열을일으키는우라늄과제어봉, 감속재, 냉각재등이함께들어있다. 우라늄이외의것들은핵분열연쇄반응을조절하는데사용되어우리가필요한만큼의열을발생시킨다. 이때연쇄반응의시간이무척중요하다. 연쇄반응이너무빨리일어나면한번에너무많은열이발생돼위험할수있기때문이다. 연쇄반응을적당한수준으로낮추기위해서는우라늄핵과충돌하는중성자의개수와충돌속도를조절해야한다. 제어봉은중성자의발생개수를조절하고, 감속재가중성자의속도를조절하는역할을맡는다. 냉각재는핵분열로생긴열에서 1 차계통 2 차계통 3 차계통 원자로의구조와 1 차, 2 차, 3 차계통의위치 066 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 3 원자력이만드는에너지의미래 067

02 중성자를잡는감속재 적인핵분열반응이일어남으로써열이발생하는것이다. 연속적으로핵분열반응이일어나게하기위해선다른핵들을분열시킬수있는중성자를만드는일이필요하다. 그런데중성자속도가너무빠르면우라늄-235와반응하기어려우므로중성자의속도를떨어뜨려야하는데, 이때사용하는물질을감속재라고한다. 좋은감속재는중성자를산란시키는능력이크고, 중성자를흡수하는성질은적은것이다. 그리고한번의충돌에서중성자에너지가크게감소될수 원자력발전소의기본적인원리는연속적인핵분열반응을통해열을발생시키는것이다. 핵분열반응이란원자력발전에필요한연료우라늄-235가외부의중성자와부딪쳐두개의새로운원자핵으로갈라지는반응을말한다. 이때 2~3개의중성자도함께만들어진다. 이중성자가다시우라늄-235와부딪쳐핵분열이일어난다. 이렇게연속 록좋은감속재라할수있다. 원자력발전소에서주로사용되는감속재는중성자를잘흡수하지않는가벼운핵종들 ( 일반적으로원자번호가낮은원소및그화합물 ) 로, 대표적인것이경수 ( 물, H2O), 중수 ( 무거운물, D2O), 흑연 (C) 등이다. 전체원자로중경수를감속재로사용하는원자로가약 75% 이고, 흑연을 사용하는원자로가 20%, 중수를사용하는원자로는 5% 정도이다. 경수를감속재로사용하는대표적인원자로는비등수형원자로와가압수 우라늄 - 235 핵 열에너지 고속중성자 열중성자 형원자로이다. 우리나라의경우월성원자력발전소 1~4호기를제외한, 작동중이거나건설중인나머지원자로가가압수형원자로이다. 흑연을감속재로사용하는대표적인원자로는가스냉각로인데, 우리나라 열중성자 우라늄 -235 가외부의중성자와부딪힌다. 핵분열이일어나두개의핵과 2~3 개의중성자로갈라진다. 감속재 ( 물, 흑연 ) 중성자의속도를늦추어또다시핵분열이일어나게해준다. 에는없다. 중수를감속재로사용하는대표적인원자로로는우리나라월성 원자력발전소 1~4 호기가있다. 감속재의역할 068 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 3 원자력이만드는에너지의미래 069

03 냉각재는원자로의생명수 이낮은액체금속 ( 소듐, 납, 납-비스무트등 ) 이사용된다. 소듐은고속로의냉각재로가장많이사용되는물질이지만, 물이나공기와접촉했을때격렬한화학반응및연소반응이일어난다는단점이있다. 액체납이나납-비스무트합금은화학적으로안정된상태이기때문에화학반응이없다는장점이있다. 하지만비스무트의양이한정되어있어가격이매우비싸다. 한편, 이산화탄소, 헬륨등의가스를냉각재로사용하는가스냉각로는원자로의출구온도가높다. 특히초고온가스로 (VHTR) 는헬륨을냉각재로사 원자로의냉각재는원자력발전소내의핵연료반응에의해발생한에너지를전달받아이를 2차계통으로전달해주거나터빈을돌리는열전달매체이다. 냉각재는핵연료에서나오는높은에너지를외부로전달하는역할을하기때문에열전달특성이좋은물질이어야한다. 또한원자로에서발생하는 용해원자로의온도를 900 까지높여전력생산의효율을높일수있다. 또한고온전기분해를통해대량으로수소를생산할수있다는장점도있다. 가스를냉각재로활용할경우원자로내에물과금속피복재가필요없기때문에증기폭발이나수소폭발이발생하지않는다. 중성자를흡수하지않아야하며, 핵연료의피복재나원자로내부의구조물을부식시키지않아야한다. 원자로의종류에따라다르지만이러한조건을충족해냉각재로사용되는물질은경수, 중수, 액체나트륨 ( 소듐 ), 이산화탄소, 헬륨등이있다. 우리나라의발전용원자로의경우, 가압경수로에서는경수를, 캔두형원자로에서는중수를사용하고있다. 경수, 즉물은지구상에풍부한물질이며, 값이싸다는장점이있다. 중수는경수와물리적, 화학적특성이매우유사하지만경수에비해중성자감속능력이크기때문에천연우라늄을사용하는중수로에서냉각재로사용된다. 그러나중수는생산비용이크다는단점이있다. 한편, 가압경수로 가압중수로와는달리, 고속중성자에의한핵분열반응 을이용하는고속로에서는열전달특성이뛰어나면서중성자의감속능력 가압경수로의냉각재흐름 070 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 3 원자력이만드는에너지의미래 071

04 핵분열연쇄반응의파수꾼, 제어봉 때문에제어봉이라고한다. 제어봉은열중성자 ( 원자핵에서방출된중성자 ) 를흡수하기쉬운은 인듐 카드뮴또는붕소 하프늄등을스테인리스나알루미늄으로피복해만든다. 제어봉을원자로노심에삽입하면열중성자가제어봉에흡수되어핵분열이멈추고, 반대로제어봉을빼면노심의반응도가높아져서핵분열이증가한다. 이처럼제어봉을노심에넣었다빼는것을반복하는방식으로핵연료 원자로는핵분열연쇄반응으로열을발생시키는데, 연쇄반응이너무빨리일어나면위험할수있다. 따라서연쇄반응을적당한수준으로조절해야한다. 이때우라늄핵과충돌하는중성자의수량을조절하는물질은제어봉, 가연성독물질 (burnable poison), 수용성독물질 (chemical shim) 등이다. 의반응도를조절해원자로출력을제어한다. 이외에도제어봉은중성자분포를균일하게하고, 제논진동을억제하는역할도수행한다. 제어봉의종류로는부분제어봉, 조절제어봉, 정지제어봉 가연성독물질로는유로피움 (Eu2O3), 산화에르븀 (Er2O3) 등이사용되고, 수용성독물질로는붕산용액이주로사용된다. 가연성및수용성독물질은원자로의운전주기전반에걸쳐서서히핵분열연쇄반응을조절하는반면, 제어봉은원자로노심안의중성자밀도를짧은시간안에조절할목적으로사용된다는점에서차이가있다. 즉, 제어봉은원자로출력을조절하기위해노심내에서생성되는중성자를흡수해중성자수를조절하는물질이다. 보통봉형태로노심에삽입하기 등이있다. 부분제어봉은제논진동등을억제하기위해원자로출력을부분적으로제어하는역할을한다. 조절제어봉은원자로출력을원하는수준으로유지하기위해제어하는역할을하며, 정지제어봉은원자력발전소에이상이발생했을때원 제어봉 원자로압력용기 핵연료집합체 더알아보기 비등수형경수로 : 경수를쓰는발전용원자로종류중하나이며, 가압형경수로와더불어전력생산에많이쓰이는원자로이다. 경수를냉각재와중성자감속재로사용하며, 원자로내에서냉각재인경수를비등 ( 액체를끓임 ) 시킨다는점에서가압형경수로와차이가있다. 자로노심에투입해운전을정 지시키는역할을한다. 원자로제어봉의구조 072 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 3 원자력이만드는에너지의미래 073

05 원자로의물은 100 도에서끓지않는다 원자로냉각재계통이액체상태인물로만가득차있는상태에서내부압력이급격하게오르면원자로용기나배관이깨진다. 반면에기체상태인증기는압력이증가하면부피가감소하고, 압력이감소하면부피가늘어나압력의변화를완충시켜줄수있다. 가압기는이러한원리를이용해원자로계통의압력이감소하면전기히터로증기를발생시켜압력저하를막아주고, 압력이증가하면저온관의차가운물로증기를응축시켜원자로냉각재계통의압력을안정적인고압상태 보통의물에압력을가해원자로의감속재와냉각재로이용하는방식의원자로를 경수로 라고부른다. 경수로에는비등형경수로와가압형경수로가있다. 비등형경수로는원자로안에서물을직접끓인증기로터빈을돌리는방식이고, 가압형경수로는물에압력을가해증기발생기에서증기를만들어터빈을돌리는방식이다. 로유지시켜주는기능을한다. 또한, 원자로계통의압력이너무높아지는비상시에대비해가압기에는증기방출용안전밸브가있다. 안전밸브는원자로냉각재계통의압력이설계압력의 110% 이상을넘지않도록충분한양의증기를방출할수있도록설계되어있다. 가압형경수로는원자로에서발생한방사능을띤고압의물이순환하는 영역을격납건물내부에둘수있어서비등형경수로보다더안전하다. 이러 한안전성의차이때문에전세계원전의약 70% 이상이가압형경수로이 다. 가압형경수로의가압기는원자로안의냉각수가끓지않도록고압상태 가압기 를유지시키는기능을담당한다. 물의끓는점은증기의압력이주변의압력과같아지는온도이다. 즉, 물의압력이높아질수록끓는점은높아진다. 가압형경수로는이러한원리를이용해물을약 155기압까지압력을높여자연상태에서 100 인물의끓는점을 340 까지높게만든다. 기체상태인증기보다액체상태인물이감속재와냉각재로성능이훨씬좋기때문이다. 그런데액체상태인물은압력을가해도부피가줄어들지않는다. 따라서 가압형경수로의구조와가압기 074 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 3 원자력이만드는에너지의미래 075

06 경수로와중수로 다. 그러므로중수로에서는우라늄을농축하지않은천연우라늄을핵연료로사용할수있으나, 경수로에서는우라늄-235 함량이높아야하므로핵연료를만들때에는우라늄농축과정이필요하다. 천연우라늄을핵연료로사용하는중수로의구조는그림과같이연료봉을중수로채워진칼란드리아탱크안에설치해더쉽게연쇄핵분열이일어나도록했다. 중수로에서는원자로의연료봉을매일일정분량씩새로운연료봉으로교체해야하므로원자로운전중에연료봉을교체할수있는특수한 우리나라에는두종류의원자력발전소가건설되어전력을생산하고있다. 우리나라최초로부산고리지역에건설된고리원자력발전소를포함해영 광, 울진지역에건설된모든원자력발전소의원자로는가압형경수로이며, 연료장전기가필요하다. 경수로는원자로용기내에우라늄 -235 농축연료 봉을장전하며, 약 1 년에한번씩원자력발전소를정지시킨후에연료봉의 약 1/3 씩를새로운핵연료로교체한다. 경주월성군지역에건설된월성원자력발전소 1 호기부터 4 호기의원자로 는중수로이다. 원자력발전소의원자로에서핵분열이일어날때열이발생하는데, 이열에너지를증기발생기로전달하는역할을하는물질을냉각재라고한다. 사용하 가압기 증기발생기 증기 는냉각재의종류에따라서원자로를경수로와중수로로구별한다. 우리나라의월성원자력발전소는캐나다에서개발되고, 중수를냉각재로 칼란드리아 제어봉 복수기 사용한다는뜻으로일명캔두형원자로 (CANDU Reactor, Canadian Deute- 연료봉 경수펌프 rium Natural Uranium Reactor) 라고도불린다. 원자력발전소에서사용하는냉각재는두가지의역할을한다. 그중하나는핵연료에서발생된열에너지를제거하는역할이며, 또다른하나는감속재의역할이다. 압력관 중수 ( 감속재 ) 핵연료탑재기 격납건물 중수펌프 (1 차냉각장치 ) 중수로의냉각재로사용하는중수는경수에비해핵분열과정에서생산 된고속중성자를연쇄핵분열에필요한열중성자로좀더쉽게바뀌게한 캔두형원자로의구조원자로를순환하는계통은노란색과주황색, 열교환기를거쳐터빈으로들어가는계통은빨간색과파란색, 칼란드리아관안에있는중수는분홍색으로나타나있다. 076 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 3 원자력이만드는에너지의미래 077

원자력이야기 원자력발전소에서물고기를키운다? 원자력발전의열효율은 33~35% 정도이다. 따라서전기가되지못한에너지의대부분은냉각수로바다또는강등으로배출된다. 이것을온배수라한다. 터빈의효율을높이기위해복수기로보내는증기는진공에가까운저압이며, 그온도는 30~40 이다. 이증기를물로되돌리기위해 20 정도의해수를끌어와증기와섞어다시배출하는데, 이때온도가 7 정도상승한다. 온배수의방수는해수의흐름, 파랑의상황, 해안선이나해저의형상, 어업이나바다의동식물의실태등을고려해환경생태계에최소한의영향을주도록처리한다. 온배수의온도는주변의해수보다크게높지는않으나방수량이많은것이특징이다. 그래서최근온배수를어업에이용해어패류종묘의육성, 또는성어의양식에활용하는연구가이루어지고있다. 특히겨울철양식어종의성장속도를높여생산비용을크게절감할수있다. 이러한양식기술은수중해역에서직접이루어지는해양양어기술과육상시설을사용한육상온수양어기술로분류할수있다. 해양양어를할경우에는주의해야할점이있다. 온배수가방출될경우해역전체에서어패류의성장에영향을미칠수있어서이것을재배어업으로이용하기위해서는활어조등의어패류를가둘수있는시설을갖춰야한다. 활어조와같이한정된범위가아니고보다광범위한해역을해양목장으로이용할수있으면큰효과를얻는것이가능하다. 일본후쿠이현쓰루가발전소 1호기의경우약 20m 3 /s로온배수와해역내의해수가교류해어류양식에좋은조건을이루고있다. 망활어조를사용해방어, 참돔, 복어등의양식이이루어지고있는것이다. 껍질길이 cm ( ) 육상양어장에서의양식사업은종묘의생산, 중간육성및성어의생산등을 목적으로이루어진다. 종묘생산은감소한자원이나특정어종의자원을증가시 키기위한것으로, 인위적으로대량생산된종묘를방류해자원의보전과증가 에기여하는것이다. 현재대상이되고있는어종은 100 여종이다. 종묘를생산 하려면우선어미고기가필요하다. 필요한시기에필요한만큼의알을얻기위 해서는영양가가충분한사료를준건전한산란용어미고기를장기간사육해야 한다. 그러려면겨울에도적정한수온이유지돼야하는데이때에도발전소의온 배수를이용할수있다. 이와같이원자력발전소의온배수를적절히활용한다면지역어업활성화에 크게기여할수있다. 물론이를위해해양환경분석및어패류특성연구등을 위한노력이필요할것이다. 3 2 1 0 온배수에서의성장 온배수이용에의한치점복성장예 1 자연해수에서의성장 50 100 150 300 078 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 3 원자력이만드는에너지의미래 079

07 다양한분야에이용되는소형원자로 스마트원자로는소규모의전력생산과담수생산등에이용할목적으로세계최초로개발된일체형소형원자로이다. 이와같이원자력은전력생산뿐만아니라쇄빙용선박, 원자력상선, 심해탐사선, 부유원자력발전소, 해수담수화등다양한분야에서동력원을제공하는수단으로이용이확대될수있다. 얼음을깨며극지방을통과하는쇄빙선은일반선박에비해대용량의동력원이필요하다. 최초의원자력쇄빙선은 1956년러시아의레닌 (LENIN) 호 원자력발전소의원자로는핵분열로발생된열을이용해전기를생산한다. 이때증기발생기와터빈같은대형기기가이용된다. 하지만전기를생산하는경우가아니면터빈-발전기대신원하는동력에너지로변환할장치를개발해사용할수있다. 이렇게원자력에너지를다양한용도로이용하게위해대형원자로대신소형원자로가개발되고있다. 대표적인것이스마트 (SMART) 원자로이다. 이다. 이후에도러시아는아르크티카 (Arctica) 호를비롯한아홉척의원자력쇄빙선을북극항로개척과북극자원탐사등의목적으로사용하고있다. 미국에는아이젠하워대통령의제안으로건조된사바나 (Savannah) 호가있다. 사바나호는미국이원자력을평화적인목적에사용한다는것을보여주기위해만들어진것으로가압경수형원자로가탑재된선박이다. 독일도 1968년가압경수형원자로를탑재한광석운반선인오토한 (Otto- Hahn) 호를취항시켜 9년간운항했다. 일본에서는심해탐사선에사용할목적으로가압경수형원자로의개념설계를완료했다. 크기와무게를최소화하기위해터빈과발전기도격납용기내에설치했다는것이특징이다. 이뿐만이아니다. 초소형원자로는우주비행을위한열과전기의동력원으로도연구되어왔다. 미국의우주탐사계획인보이저프로젝트 (Voyager Project) 에서도초소형원자로의개념이활용되었다. 보이저프로젝트는태양계의외곽에위치한목성 토성 천왕성 해왕성등을탐사하기위한계획 미국의원자력선사바나호. 아이젠하워대통령은원자력이평화적으로사용된다는것을보여주기위해사바나호를건조했다. 이다. 미국은 1977 년 8 월에보이저 2 호, 9 월에보이저 1 호우주선을각각발사 080 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 3 원자력이만드는에너지의미래 081

08 수소경제시대의문을여는열쇠, 초고온가스로 미래청정에너지로알려진수소는대부분천연가스를열분해해서얻는다. 하지만수소분해과정에서온실가스인이산화탄소가대량으로발생하고, 수소를만들기위해투입되는에너지에비해산출되는수소에너지의양이 보이저 1 호. 보이저 1 호와 2 호에는초소형원자로가장착되어있다. 크게많지않아경제성이떨어진다. 이때 원자력 을이용하면미래청정에 너지수소를깨끗하고경제적으로만들수있다. 했다. 길이가 3.66 미터, 무게가 825 킬로그램인보이저 1 호와 2 호에는 2 대의 TV 카메라, 적외선측정기, 분광기, 자기측정기와전력을공급해주는원자로 가장착되어있다. 보이저 1호는 3개의방사성동위원소열전기발전기 (RTG) 가붐에장착되어있다. 각각의발전기에는 24개의압축된구형태의플루토늄-238( 238 PuO) 이연료로포함되어있다. 보이저 1호의 RTG는 2025년까지가동될예정이다. 이산화우라늄핵직경 : 0.5밀리미터 삼중피복연료입자직경 : 0.92밀리미터 초열탄소탄화규소피복초열탄소탄소버퍼 흑연 핵연료 초고온가스로 핵연료의개념도 ( 왼쪽 ) 와초고온가스로의구조 ( 오른쪽 ) 082 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 3 원자력이만드는에너지의미래 083

원자력발전소는우라늄핵분열과정에서발생한열로물을끓이고이때발생하는증기로터빈을돌려전기를생산한다. 하지만 원자력수소생산 은고온의열을전기로바꾸는대신그열로물을분해해수소를생산한다. 현재우리나라와미국등 10여개국에서연구를진행하고있다. 뜨거운열로물을분해해서수소를생산하려면물의온도가 950 정도 로높아야한다. 문제는이렇게높은열에견딜수있는원자로를만들기가쉽지않다는것이다. 그래서원자력을연구하는과학자들은흑연을감속재로사용한새로운형태의원자로, 바로초고온가스로 (VHTR, Very High Temperature gas-cooled Reactor) 개발에매진하고있다. 흑연은 4000 정도의매우높은온도가돼야녹기시작하기때문에높은 열에견딜수있는원자로를만드는데적합한재료이다. 또한초고온가스로의높은열을식히기위한냉각재로헬륨을쓰는방법이연구되고있다. 헬륨은다른물질과잘반응하지않는기체인데다물질을식혀주는능력도다른기체보다탁월하다. 또한헬륨은화학적으로안정된물질이기때문에방사성물질과맞닿아도스스로방사능을띠지않아공기중에누출되더라도환경오염을일으키지않는다. 초고온가스로는원자로의생명인 안전성 측면에서도기존의원자로보다한층뛰어날것으로기대하고있다. 초고온가스로의핵연료로사용될피복입자핵연료는구형의우라늄입자를탄소및탄화규소를이용해삼중으로둘러싼형태로직경이약 1밀리미터정도이다. 세겹의피복층을통해연소중에핵분열생성물이핵연료외부로누출될가능성을극소화했으며, 연소후플루토늄의회수가어려워핵비확산성을높였다. 이뿐만아니라전원이완전히끊겨도자연현상인공기의순환만으로스스로열을식히도록설계돼수소폭발이나증기폭발같은중대사고가원천적으로일어날수없도록개발되고있다. 머지않아원자력기술과물만있으면공해걱정없는수소자동차의연료를싼가격에얼마든지만들수있는날이올것으로기대된다. 초고온전기분해수소플랜트조감도 084 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 3 원자력이만드는에너지의미래 085

E a s y S c i e n c e S e r i e s CHAPTER 4 01 우리나라최초의연구용원자로원자력이야기원자력발전의시작 02 국가대표연구용원자로, 하나로 03 연구용원자로는호랑이선생님 04 셜록홈즈도울고갈중성자 연구용원자로는 팔방미인 05 수소연료전지자동차탄생의비밀 원자력이야기우리연구로기술을세계로

01 우리나라최초의연구용원자로 구로에대한이해를높이고연구로설계및운영에필요한기술자립에이바지했다. 방사성동위원소생산분야에서는질환진단용방사성동위원소, 산업용방사성추적자, 생명과학연구용방사성동위원소등 10여종을생산해국내방사성동위원소이용연구의기틀을마련했다. 또한중성자빔실험장치를이용한물성연구, 라디오그래피기술개발, 중성자방사화분석처럼중성자를이용한연구개발에도기여했다. 원자력전문인력이부족했던우리나라에서원자력관련실험실습과교 연구용원자로 (research reactor) 는핵분열과정에서생성되는중성자등을활용해다양한연구를수행하는원자로를말한다. 예를들어연구용원자로의중성자산란 ( 중성자가물질과충돌해운동방향이나에너지의상태가변환되어흩어지는현상 ) 장치를이용하면물질의내부구조를세심하게파악하고, 나아가신물질개발연구를할수있다. 또한방사성동위원소를생산하고, 이를질병진단및치료등의료분야와비파괴검사등산업분야에활용할수있다. 연구용원자로는핵연료와원자로구조재등재료의안전성과건전성을시험하는데도활용된다. 우리나라최초의연구용원자로는미국제너럴아토믹 (General Atomic) 사에서들여온열출력 100킬로와트 (1969년에 250킬로와트로출력증강 ) 의트리가마크 투 (TRIGA Mark Ⅱ) 이다. 1959년 7월, 서울공릉동에연구로 1호기가착공되어 3년만인 1962년가동을시작했으며, 1972년에는열출력 2메가와트인연구로 2호기 (TRIGA Mark Ⅲ) 가준공돼가동을시작했다. 연구용원자로 1호기와 2호기는 1995년까지가동되며여러분야에다양 육훈련에도이바지했다. 교육훈련으로양성한전문인력은원자력발전소운전요원등관련산업종사자 1400여명, 원자력공학전공학생 1700여명등 3000여명에이른다. 우리나라최초의원자로로대한민국원자력의시작을알린연구용원자로트리가마크 투는근현대과학기술연구시설로는처음으로 2013년문화재로등록되었다. 등록문화재는국보, 보물, 천연기념물처럼엄격히관리하는지정문화재는아니다. 그렇지만근대문화유산가운데건설 제작 형성된후 50년이지나고그보존과활용가치가특별히요구돼해당분야에서기념이되거나상징적가치가있는유물이선정된다. 트리가마크 투의제염해체작업이완료되면향 하게활용돼우리나라원자력기초기술의발전에공헌했다. 우선연구용원자로계통설비및원자력시스템연구에활용됨으로써연 후기념관으로만들어일반인들 에게공개될예정이다. 우리나라최초의연구용원자로트리가마크 - 투. 근현대과학기술연구시설로는처음으로문화재로등록되었다. 088 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 4 연구용원자로는팔방미인 089

원자력이야기 원자력발전의시작 : 이승만대통령과시슬러의만남 시슬러 ( 왼쪽 ) 와이승만대통령 ( 오른쪽 ) 6.25 전쟁의폐허를복구하는데정신없던 1956년 7월, 이승만대통령에게은발의서양노신사가찾아왔다. 그는워커시슬러라는미국인이었다. 시슬러는제2차세계대전이후유럽의전력계통복구를총지휘하고성공적으로임무를완수해 세계전기기술의대가 라는명성을얻은인물로세계에너지협의회 (WEC) 의장, 에 디슨전기협회회장, 미국원자력산업회의의장을역임한세계에너지계의거물이었다. 그는가방에서한뼘크기의갈색나무상자를꺼내이대통령에게보여주었다. 저는이것을에너지박스라고부릅니다. 이작은상자안에든것은 3.5파운드의우라늄입니다. 만일이상자에동일한무게의석탄이들었다고가정하고, 그걸원료로하면시간당전기 4.5킬로와트를생산해낼수있습니다. 하지만이상자의우라늄을원자로에서태운다면자그마치 1200만킬로와트의전기를생산할수있습니다. 석탄의 250만배이상의전기를만들어낼수있는셈입니다. 이대통령은그의이야기에놀라움을감출수없었다. 당시우리나라의발전시설대부분이북한에집중되어있었는데, 1948년 5월북한은일방적으로남한에대한전력송출을중단해버렸다. 게다가 6.25 전쟁의여파로당시우리나라의전력사정은열악하기그지없었다. 새로운에너지자원이시급한실정이었다. 이대통령은시슬러에게물었다. 시슬러씨. 그럼우리한국에서원자력발전을시작하려면먼저무엇부터해야하는지얘기해줄수있겠소? 다음해인 1957년, 시슬러는이대통령의지원을받아우리나라의전력회사와대학교등을돌아다니며젊은기술자들과학생들에게원자력에너지의가치에대해설명했다. 사람들은원자력을에너지자원으로새롭게인식하기시작했다. 사실원자력이인류에게첫선을보인것은다름아닌원자폭탄이었다. 사람들은여전히 1945년일본히로시마와나가사키에투하된원자폭탄의공포를기억하고있었다. 이러한상황에서원자력이평화적에너지로새롭게다가온것이다. 이승만대통령은원자력발전을위한전담기구와관계법제정에나섰다. 이에따라원자력연구개발및평화적이용을위한원자력과가신설되었고, 1957년우리나라는국제원자력기구에회원국으로가입했다. 이듬해인 1958년에는원자력법이제정되었고, 1959년에는원자력연구소가설립되었다. 그리고 1962년, 우리나라최초의연구용원자로트리가마크-투가가동을시작 했다. 트리가마크 - 투기공식때이승만대통령의모습 090 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 4 연구용원자로는팔방미인 091

02 국가대표연구용원자로, 하나로 1995년하나로의건설이완료된후처음으로핵분열로생성되는중성자와소실되는중성자가균형을이루는임계에도달했다. 이후 1996년출력운전을시작으로 2004년에는설계출력인 30메가와트에도달했고, 원자로본체만갖추고운행을시작한초기와다르게냉중성자연구시설등다양한연구장치를설치해오늘날의모습이되었다. 하나로는전기를생산하는발전로와같이우라늄을원료로사용하지만, 전기를생산하지않기때문에핵분열연쇄반응에서생성된열은버리고중 원자로는크게두종류로나뉜다. 바로전기를생산하기위한발전용원자로 ( 발전로 ) 와연구목적으로활용하기위한연구용원자로이다. 우리나라의발전로는고리, 한빛, 월성, 한울원자력발전소에모두 23개가있지만, 연구용원자로는한국원자력연구원에있는 하나로 가유일하다. 하나로는우리기술로설계하고건설한다목적연구용원자로다. 1989년건설이시작되어 1993년원자로의본체를설치하고, 다음해에 하나로 (HANARO) 라는이름을얻었다. 하나로 라는명칭은 우리나라에서연구용과개발용으로사용할수있는하나밖에없는원자로 라는뜻과 통일에대비해우리민족이하나로되자 는뜻을가지고있다. 우리말뜻이외에도영문의 High-Flux Advanced Neutron Application Reactor 의앞글자를따서지은것이기도하다. 성자만이용한다. 이런차이로인해하나로는발전로와구별되는다양한특성이있다. 하나로에는원자로를덮는뚜껑이없다. 하나로의원자로는수영장처럼생긴큰수조안에있는데, 지름 50센티미터, 높이 1.2미터정도로발전로에비해아담한크기다. 또한하나로의열출력은 30메가와트로, 3000메가와트이상의발전로에비해매우낮은편이다. 하나로는사람들이사는환경과유사한대기압 (1기압) 과저온 (45 정도 ) 상태로운전하기때문에발전로와달리고온, 고압증 기에서비롯된형태 더알아보기 냉중성자 : 중성자를영하 253도액체수소의감속재에통과시켜에너지를낮춘것. 일종의빔형태로 X선보다투과성이좋고아주낮은에너지를갖기때문에세포관찰, 물질구조분석등에유용하다. 열중성자 : 원자핵에서방출된중성자가다른원자핵과부딪치면서에너지를잃고속도가느려진상태. 의폭발이일어나지않는다. 따라서일본후쿠시마원전사고가발생했을때처럼전기 국내유일의연구용원자로. 하나로에설치된다양한중성자빔실험장치 092 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 4 연구용원자로는팔방미인 093

가끊어진상황에서도자연적인대류만으로충분히열을식힐수있다. 하나로가다른연구용원자로보다높은성능으로다양한목적에사용되는비결은중성자를연구로의위쪽과아래쪽에나눠서이용하기때문이다. 원자로위쪽은새로운물질을생산하는공장역할을하고, 원자로아래쪽은물질을분석하고신물질을연구하는현미경의역할을한다. 하나로의위쪽부분은 21세기의연금술공장과같다. 이곳에실리콘덩어리를넣으면중성자가원자핵까지파고들어품질이좋은반도체가생산된다. 이때생산된반도체는높은전압과전류가흐르는고속철도와하이브리드자동차등에사용된다. 또한방사성을띠지않는원소를넣으면중성자를흡수해방사성동위원소가생산되는데, 여기에서생산되는의료용동위원소와산업용동위원소는그종류가 120여가지에이른다. 또한원자력발전소 에서사용되는재료를검증하고시험할수있어, 원자력발전소가안전하게전기를생산할수있도록돕는다. 한편, 거대한현미경과같은역할을하는원자로의아래쪽에서는중성자를이용해제트기엔진의결함을분석하고, 조선소에사용되 하나로의운전과관리를위해 24 시간운영되는제어실 는강판을정밀검사하는식으로물질의구조를연구하는역할을한다. 병의원인이되는단백질의분자구조를파악해적합한약을설계하는데에이용되거나음식물의영양및독성분석, 문화재의산지나연대분석등다양한분야에활용된다. 연구용원자로의성능은바로고품질의중성자가얼마나많이생산되느냐에달려있다. 하나로는성능면에서세계 10위안에드는고성능의연구용원자로이다. 건설이후 2014년 2월 10일, 가동일수로 3000일을달성했으며, 운영신뢰도 97%, 동위원소생산시설가동률 97%, 활용설비이용률 97% 를충족해네덜란드, 호주와같은선진국의연구용원자로와비교해도뒤지지않는세계최고의성능을유지하고있다. 매년 90여개기관이이용하고, 하나로에핵연료를장전하는모습. 푸른빛은가속된하전입자가빛보다빠른속도로매질을통과할때나타나는체렌코프 (Cerenkov) 현상으로인해생긴것이다. 3500 명이상의방문자가이용하는하나로는앞으로도우리나라원자력기 술의발전과연구로수출을위한교두보역할을수행할것으로기대된다. 094 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 4 연구용원자로는팔방미인 095

03 연구용원자로는호랑이선생님 다. 이를위해하나로 (HANARO) 에서는시험계획수립, 설계 해석, 장치개발, 안전성검토, 조사시험, 조사후시험, 결과분석 평가등일련의업무를체계화하여원스톱서비스를제공하고있다. 그뿐만아니라 1995년부터산 학 연이용자들이요청한다양한중성자조사시험을수행함으로써우리나라의원자력중장기연구개발사업과안전성연구의기반시설역할을충실히수행해왔다. 경수로압력용기소재국산화사업과재질개선연구, 핵연료피복관및집 우리삶에꼭필요한에너지를얻기위해우리나라를포함한원자력선진 합체국산화부품조사특성자료생산, 고리 1 호기수명연장사업, 미래원 국에서는성능과안전성이향상된원자력시스템및새로운개념의미래원자력시스템인소듐냉각고속로 (SFR), 초고온가스로 (VHTR), 핵융합로 (Fusion Reactor) 에대한개발연구가활발히추진되고있다. 원자력발전소에사용되는재료는발전소의가동연수가증가함에따라우라늄핵연료의핵분열연쇄반응에서발생하는중성자에노출되어기계적인특성이서서히저하된다. 따라서원자력발전소의안전성을확보하기위해서는원자로노심부에사용되는모든재료가원자로설계수명까지재료의건전성이유지되는지를설계단계에서부터충분히입증해야한다. 연구용원자로의조사시험장치는원자력발전소의핵연료및노심재료의중성자조사효과평가에사용되는것으로원자력발전소의가동환경을재현할수있고, 중성자조사효과를가속화시킬수있는장치이다. 일본후쿠시마원전사고에서볼수있듯이예측할수있는모든상황에대비한철저한안전성평가가더욱중요해졌다. 따라서새로운핵연료및재료, 그리고미래원자력시스템에대해서연구로를이용해, 엄격한호랑이선 생님처럼철저한사전성능및안전성평가를수행하는것이반드시필요하 하나로 (HANARO). 연구용원자로인하나로는미래원자력시스템의호랑이선생님이다. 096 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 4 연구용원자로는팔방미인 097

자력시스템용구조재료개발연구, 스마트개발사업및수출용연구로사업처럼국가주요원자력기술을개발하기위한중성자조사시험을수행했다. 최근에는 2011년중소형원자로인스마트 (SMART) 개발사업및 2013년수출용연구로개발사업에참여해설계및인허가업무에필수적인주요핵심재료와신형핵연료에대한조사특성데이터베이스를생산하고제공했다. 이러한과정을통해우리나라원자력기술의선진화와수출에핵심적인기여를하고있다. 04 셜록홈즈도울고갈중성자 1932 년영국의제임스채드윅 (James Chadwick) 이발견한중성자는원자 핵을구성하는것중전하가없는핵자를말한다. 제임스채드윅은중성자 설계 해석 장치개발 안정성검토 발견으로 3년뒤노벨상을수상했다. 중성자가발견된지 10년후어니스트울란 (Ernest Wollan) 과클리포드슐 (Clifford Shull) 은중성자를물질의미세 구조분석에이용할생각을해냈다. 이들의연구성과로중성자산란이라는새로운물질구조연구분야가시 작된것이다. 그공로를인정받은클리포드슐은 1994 년개별적인연구로 동일한업적을거둔버트램브록하우스 (Bertram Brockhouse) 와함께노벨 물리학상을수상했다. 계획수립 조사시험 이들이연구한중성자산란기술이란, 간단히말해중성자가물질의원자 핵과부딪쳐서생기는독특한방향전환을파악해물질의구조를살펴보는 기술이다. 일반적으로빛을물질에쪼이면빛이물질을구성하는원소와의 결과분석 평가 절단 상호작용을일으켜물질의구조를알수있게된다. 중성자의경우물질과의 조사후시험 상호작용특성이매우독특하기때문에 X 선이나전자를이용했을경우에 보기어려운물질의구조를파악할수있다. 특히무거운원소의경우산란 하나로조사시험이용자의지원절차 강도가커서물질의내부를깊숙이들여다보기어렵지만가벼운원소인수 098 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 4 연구용원자로는팔방미인 099

국내유일의연구용원자로인하나로 (HANARO) 에서도다양한소재의특성을연구하기위해중성자산란장치를활용하고있다. 특히리튬이차전지및수소저장물질등에너지관련물질에대한연구는하나로중성자빔이용연구의주요응용분야이다. C 스위스폴쉐러연구소 (Paul Scherrer Institute) 광학카메라촬영중성자이용촬영 X 선촬영 광학카메라, 중성자, X 선을이용해촬영한동상의이미지비교 위기극복을위한신기술개발에사용되는중성자연구세계각국은환경오염, 에너지고갈이라는위기를극복하고자여러가지새로운대체에너지를개발하거나이문제를해결할신기술개발연구에매진하고있다. 이러한노력들중대표적인것인이차전지와관련한연구이다. 이차전지는다양한연구가필요한분야이다. 스마트폰, 노트북등모바일 IT 기기의수요가증대하고있고, 전기자동차에사용되는중대형이차전지의필요성 소, 리튬, 탄소, 산소등의생명체나에너지저장소재로사용되는원소와중성자가반응할경우에원소의배열구조나움직임을구체적으로살펴볼수있다는장점이있다. 또한중성자의경우중성을띠고, 자기모멘트 ( 자기장에서자극의세기와 N, S 양극간길이의곱 ) 가있어서자성체내의자기구조를탐구하기에도좋다. 위사진은왼쪽부터광학카메라, 중성자, X선영상장치로촬영한동상의이미지를비교한것이다. 광학카메라는동상의표면만을관측할수있고, X선은동상내부의골격형태를볼수있다. 하지만중성자로는광학카메라와 X선영상으로얻을수없는동상내부의구체적인구조정보들을얻을수있다. Li O Mn O Li X 선과중성자 (Neutron) 의가벼운원소위치측정비교중성자의경우 X 선보다정확하게리튬 (Li), 산소 (O) 등가벼운원소의위치와움직임을파악할수있다. 100 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 4 연구용원자로는팔방미인 101

이높아지고있다. 게다가태양광, 풍력등에필요한대형에너지저장매체의수요까지늘어나고있기때문이다. 리튬이차전지를연구할때, 리튬이온이전해질을통해서양극과음극사이를어떻게이동하는지이해하는것과, 충전과방전이될때전극물질의구조가어떻게변화하는지이해하는것은이차전지의성능을높이는데매우중요하다. 보편적으로전극소재의구조변화연구에는 X선회절측정법 (XRD) 이널리이용되고있다. 하지만 X선은물질에대한투과율이매우나쁘고, 가벼운원소의움직임을보기어렵기때문에전극물질내부의리튬, 산소와같은가벼운원소의위치와양을정확히평가하기쉽지않다. 반면중성자는물질에대한투과력이좋아서충전과방전에따른이차전지내부구조의변화를관찰하기쉽고, 충전과방전이될때전지의특성이어떻게변화하는지도연구할수있다. 또한중성자는가벼운원소인리튬과산소의위치와움 직임을효과적으로관찰할수있어서고성능이차전지개발에크게활용될수있다. 우주에존재하는가장단순한원소의하나인수소는가연성이큰기체이기때문에불이붙는속도가매우빨라폭발의위험성이크다. 그런데최근수소가환경오염없이에너지를발생시키는친환경에너지원으로주목받고있다. 가까운미래에화석연료가아닌수소를주연료로사용하는수소경제사회가도래할것이라예측하기도한다. 문제는수소를얼마나안전하고편리하게저장하고연소시킬수있느냐이다. 신재생에너지를이용해수소를생산하고, 안전하고효율적으로전기에너지를생산하면서도환경오염을걱정하지않는유토피아를꿈꾸고있지만, 일상생활에서사용하기편리하도록수소를저장하는기술의개발은매우더딘상황이다. 더많은수소를더안전하게저장하기위해서는수소가물질내에서저장되거나해리되는과정을실제상황에서측정하고해석하는기술이필요하 다. 중성자는모든원소중에서수소에대한산란강도가매우크고, 수소저장환경 ( 고온 저온, 고압등 ) 을구현하는실험장치를투과하는능력이뛰어나서실상황측정에큰강점이있다. 현재하나로에서도중성자빔을이용해수소저장물질을연구하고있다. 하나로의중성자산란기술이우리나라수소경제시대를앞당길것이다. X 선회절측정법저온 (50K) 에서수소 (D 2) 를충전해중성자회절데이터를얻고이를해석해수소저장위치를구할수있다. 102 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 4 연구용원자로는팔방미인 103

05 수소연료전지자동차탄생의비밀 고정량적으로분석이가능하므로, 효과적으로물을관리하기위한방법을개발하는데에중성자 오늘날자동차의주연료는화석연료인석유이다. 그런데미래에도자동 차는석유로달리게될까? 매장된석유의양이무한하고, 환경에무해하다 영상법이활용되고있다. 한국원자력연구원은 2008년세계에서 2015 HYUNDAI MOTOR COMPANY 면전혀문제가없을것이다. 하지만석유매장량은한정되어있어갈수록 채굴하기힘들고, 화석연료사용으로발생하는환경오염의문제도무시할 네번째로하나로중 성자라디오그래피 수소연료전지자동차 수없다. 그래서나온대안중에가장유망한것이수소를이용하는수소연료전지자동차이다. 수소연료전지는수소를산화시킬때발생하는에너지를전기로변환시키는일종의배터리이다. 에너지효율은무척높은데반해에너지생성과정에서오직물만배출되는친환경연료이기때문에차세대자동차연료로세계적인자동차회사들이주목하고있다. 명실공히차세대자동차시장은수소연료전지자동차분야를선점하는기업이주도하게될것이다. 따라서유용한수소연료전지를개발하기위한다양한연구가세계적으로활발히진행중이다. 수소연료전지는운전중에발생하는물의분포및양에따라성능의변화 장치 (Neutron Radio-graphy Facility) 에수소연료전지실증장치를설치해현대-기아자동차와공동으로수소연료전지의성능및내구성을향상하기위한다양한연구를수행하고있다. 수소연료전지의단순성능평가에서시작된공동연구는최적운전조건도출, 분리판재질및형상에따른영향평가, 작동온도에따른영향평가및이론과의검증등으로수소연료전지의성능향상에크게기여하고있다. 이는 2013년현대-기아자동차가세계에서최초로수소연료전지자동차양산에성공하는성과로이어졌다. 이처럼한국원자력연구원은중성자를활용해서수소연료전지성능을향상하기위한제반분석기술을지속적으로개발하고있다. 이는국내산업체의국제경쟁력향상에크게기여할것이다. 가무척심하다. 이를해결하기위한여러가지방법중에서, 중성자를이용 한중성자영상법이유일하게수소연료전지내부에존재하는물을볼수있 104 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 4 연구용원자로는팔방미인 105

원자력이야기 우리연구로기술을세계로 2014 브라질월드컵이한창이던 6월, 우리나라원자력연구개발기술이원자력선진국을제치고통쾌한승전보를울렸다. 우리나라가네덜란드연구용원자로개선사업 ( 오이스터프로젝트 ) 을국제경쟁입찰에서우선협상대상자로선정된것이다. 유럽원자력기술수출사업을수주하는데성공한것은국내원자력연구개발역사상처음이다. 그리고그해 11월우리나라에서양국정상이참석한가운데오이스터사업계약서명식이이뤄짐에따라, 한국원자력기술이본격적으로유럽시장에진출하게되었다. 오이스터사업은네덜란드델프트공대에서운영중인연구용원자로를개조하고냉중성자연구설비를 2018년까지구축하는사업으로, 계약금액은약 1,900만유로 ( 약 250억원 ) 에이른다. 유럽지역에는세계최고성능의연구로인프랑스 ILL, 독일 FRM-2 등이있다. 그런유럽지역에국산연구로기술을수출했다는것은국내원자력기술력이세계최고수준임이입증되었다는뜻이다. 이에앞서 2009년한국원자력연구원 대우건설컨소시엄은아르헨티나, 중국, 러시아등의원자력강국을제치고요르단연구용원자로 (JRTR) 건설사업을수주한바있다. JRTR은원자력요원교육훈련과방사성동위원소생산, 중성자과학연구등에활 네덜란드델프트공대연구로의전경 용할열출력 5 메가와트급의연구및 교육용원자로를포함한원자력시스템일체를구축하는사업이다. JRTR 은요르단수도암만에서북쪽으로 70킬로미터떨어진이르비드에위치한요르단과학기술대학교 (JUST) 내부지에건설될예정으로, 원자로설계와엔지니어링, 건설, 사업관리등프로젝트전과정을우리기술로수행하고있다. 그밖에우리나라는태국연구용원자로개선사업 (2009년), 말레이시아연구용원자로디지털시스템구축사업 (2012년) 등연구로기술을꾸준히수출해왔다. 이러한수출의배경에는한국원자력연구원이세계 10위권의연구용원자로하나로 (HANARO) 를자력설계 건설 운영하면서축적한경험과높은기술력, 숙련된인력등이있었다. JRTR 이들어서게될요르단원자력연구센터기공식장면 106 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 4 연구용원자로는팔방미인 107

E a s y S c i e n c e S e r i e s CHAPTER 5 01 핵연료우라늄의일생 02 우라늄농축, 우라늄아모여모여 03 핵연료, 완벽함을추구하다 04 사용후핵연료처리방법과소듐냉각고속로원자력이야기하나피복관특허승소사건 원자로를움직이는힘, 핵연료

01 핵연료우라늄의일생 늄의함량이높은 (70~90% 정도 ) 노란색가루로만들어지며, 이를우라늄정광혹은옐로케이크 (Yellow cake) 라고부른다. 우라늄을핵연료로사용하기위해서는천연우라늄에약 0.7% 가포함된핵연료우라늄동위원소인우라늄-235의양을높이는과정이필요하다. 이를위해옐로케이크를농축공정에사용되는불화우라늄 (UF6) 으로변환시킨다. 변환된불화우라늄내에존재하는우라늄-238과우라늄-235의무게차이를이용해우라늄-235를분리해농축한다. 국내에서가동중인 23 개의원자력발전소에서소비되는우라늄의양은 연간약 500 톤정도이다. 자연에존재하는우라늄을핵연료로사용하려면, 선행주기 후행주기 적절한형상과특성을가진제품으로가공해야한다. 또한, 수명이끝나방 발전소 출된사용후핵연료는재처리과정을통해새로운연료로활용되거나적절한시설에서저장되는형태로폐기된다. 이처럼원자력발전소에서우라늄으 핵연료집합체 사용후핵연료 로부터전기를생산하는데필요한모든일련의산업적공정, 즉핵연료우라늄의일생을핵연료주기라고하는데, 이는선행핵연료주기와후행핵연료주기로나눌수있다. 저장 열화우라늄 성형 / 가공 UO2 재변환농축 UF6 플루토늄 235 U 임시저장재처리 선행핵연료주기선행핵연료주기란우라늄광석을가공하여핵연료로제조하는과정으로, 채광정련변환농축재변환성형및가공 의단계로구성된다. 농축 UF6 변환옐로케이크, U3O8 고준위폐기물중간저장 채광은우라늄이포함된광석을채굴하는행위로원광에우라늄이 0.1% 정련 이상존재하는경우경제성이있는것으로평가된다. 원광 채광된우라늄원광은제분과정을거쳐균일한크기의가루로만들어진 채광 처분 후화학적여과과정 ( 정련 ) 을거치게된다. 이러한정련과정을거치면우라 우라늄처리과정 110 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 5 원자로를움직이는힘, 핵연료 111

발전용핵연료의우라늄-235의최대농축도는 5% 이하이며, 필요에따라이보다낮은농축도의우라늄도사용된다. 우라늄-235가분리되고남은농축부산물을열화우라늄이라고한다. 농축불화우라늄은화학공정을거쳐핵연료로사용되는최종화학적형태인이산화우라늄 (UO2) 분말로재변환된다. 성형및가공단계는선행핵연료주기의마지막단계로, 이산화우라늄분말을원자로에사용하기적합한형태의핵연료집합체로제조하는공정이다. 우선, 이산화우라늄분말을소결체로제조해야한다. 소결체는분말형태의이산화우라늄을단단한세라믹형태의이산화우라늄으로만든것이고, 이과정을소결이라한다. 이렇게만들어진소결체들을피복관에넣어밀봉해핵연료봉을만들고, 이핵연료봉을묶어핵연료집합체를만드는것이다. 이렇게만들어진핵연료집합체가원자로에서연료로사용된다. 한국원자력연구원은경제성과안전성이향상된고성능핵연료소결체기술을개발하고있으며, 제조경제성과핵연료성능을크게향상시키는큰결정립 UO 2 소결체기술을 2012 후행핵연료주기후행핵연료주기는수명이다한핵연료가원자로밖으로인출된후최종처분까지의과정이다. 원자력발전으로전기생산의목적을다한핵연료를사용후핵연료라한다. 원자력발전을하고나오는폐기물에는방사선의세기에따라방사선이적게나오는것은중저준위폐기물, 방사선이크게나오는고준위폐기물로나눌수있는데, 사용후핵연료는고준위폐기물에해당된다. 보통핵연료원자로에들어간지 3년정도가된연료는수명이다한것으로여겨새것으로교체하는데, 이때사용후핵연료가발생한다. 수명이다했다고는해도방사선의세기가강하기때문에매우조심스럽게다뤄야한다. 사용후핵연료는일정기간발전소내부저장소에서열을식힌후임시저장시설혹은영구처분시설에보관되거나재처리공장으로옮겨진다. 사용후핵연료재처리는사용후핵연료내에존재하는플루토늄과같은핵분열성원소들을추출해재활용하는과정을말한다. 사용후핵연료를재활용하는주기를재순환핵연료주기라하고, 사용후핵연료를적절한시설에서저장처분하는주기를비순환핵연료주기라고한다. 우리나라는후행핵연료주기에대한국가적인정책논의가진행중이며, 현재사용후핵연료는발전소내부의저장소에저장되어있다. 한국원자력연구원은사용후핵연료를저장하기위한건식저장관련기술을개발중이며재순환핵연료주기기술도함께개발중이다. 년에산업체에유상 이산화우라늄소결체 양도했다. 112 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 5 원자로를움직이는힘, 핵연료 113

02 우라늄농축, 우라늄아모여모여 다. 따라서우라늄을농축하기위해선우라늄-235와우라늄-238의약 1.3% 정도의원자무게차이를이용하는방법밖에없다. 우라늄농축에주로활용되는방법은기체확산법, 원심분리법등이고, 농축효율을높이기위해노즐분리법, 레이저분리법등이연구되고있다. 우라늄농축에는일반적으로불화우라늄이사용된다. 불화우라늄은 80~90 로만가열해도기체가되는성질이있어서우라늄을농축하기에적합하기때문이다. 우라늄의일생을핵연료주기라고하는데, 이는선행핵연료주기와후행핵연료주기로나눌수있다. 우라늄을농축하는과정은선행핵연료주기과정에포함된다. 자연에서채취한우라늄중실제핵분열에사용되는우라늄-235( 235 U) 의함량은전체우라늄양의약 0.7% 에불과하다. 대부분의우라늄은열중성자와반응하지않는우라늄-238이다. 우라늄-238은고속중성자를이용하면핵분열이가능하기때문에고속로에서활용이가능하지만, 일반적인발전용원자로에서사용하려면우라늄-238의비율을줄이고단위부피당우라늄-235의함량을높이는농축과정이필요하다. 우라늄농축이어려운이유 기체확산법은우라늄을기체상태의불화우라늄으로만든후, 압력의차를이용해가벼운기체 ( 235 U) 와무거운기체 ( 238 U) 로분리하는방법이다. 원심분리법은분리하고자하는불화우라늄기체를원통용기와함께고속으로회전시킬때발생하는원심력의차이를이용하는방식이다. 기체확산법과원심분리법모두같은과정을반복해우라늄-235의농도를증가시키지만농축효율은낮은편이다. 노즐분리법은일정한굴곡이있는통로에고압의기체를주입해기체분자의질량에따른원심력차이로무거운성분이벽쪽으로붙어서흐르는현상을이용한것이다. 이방식은기체확산법보다는효율이크지만전력소모가크고큰압력을미세하게조정해야한다는기술적인단점이있다. 레이저분리법은천연우라늄중에서우라늄-235만을이온화시키는레이저를쏴이온화된우라늄-235만을가루로모으는방식이다. 최근에는레이저기술의발전에따라레이저분리법이크게발전하고있으며, 이를이용한농축비용과효율이크게상승할것으로보인다. 자연석상태의우라늄광석피치블렌드의모습. 자연상태우라늄광석에는우라늄 -235 의비율이약 0.7% 에불과하다. 는우라늄 -235 와우라늄 -238 의화학적성질이같기때문이 114 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 5 원자로를움직이는힘, 핵연료 115

03 핵연료, 완벽함을추구하다 는반드시빈공간을마련해두어야한다. 이공간은소결체가핵분열하면서발생시키는가스를가두거나, 고온에서핵분열하는소결체가팽창되어길어지는경우를대비하는역할을한다. 소결체는고온의열을발생시켜서전기를만드는순기능도하지만, 사람이나동물의몸에해로운방사능물질과가스도동시에만들어낸다. 따라서무엇보다도원자력발전을할때발생하는이롭지않은부산물이자연환경으로방출되지않도록차단하는것이중요하다. 1차적으로는소결체자체에 원자력발전에쓰이는핵연료는우라늄이다. 하지만더욱정확하게표현하자면핵연료봉묶음인핵연료집합체가쓰이는것이다. 핵연료봉은선행핵연료주기의마지막단계인성형및가공단계에서만들어진다. 핵연료봉은금속으로만든피복관에이산화우라늄소결체를길게한줄로채운후관의양쪽을금속마개로밀봉해만든다. 하단그림에서보는것처럼핵연료봉안에는소결체가채워진끝에일정한길이의빈공간이있고, 그공간에코일스프링이압축되어들어간다. 피복관의양끝은봉단마개로밀봉된다. 코일스프링은핵연료봉을운반할때소결체가부딪쳐깨지는것을방지하기위한고정장치이고, 핵연료봉내에 서밖으로나오지못하도록차단하고, 피복관은소결체를뚫고나온핵분열방출물을가두는 2차방호벽역할을한다. 소결체에의한 1차방호벽은소결체자체가핵분열하기때문에방사성물질을 100% 차단할수없다. 따라서실제적인차단벽역할을하는것을피복관이다. 이뿐만아니라피복관은핵분열연쇄반응으로발생하는열을냉각수에전달하는기능을하기도해원자력발전소에사용되는여러가지재료와 부품중에서도핵심부품중하 나이다. 상부봉단마개코일스프링빈공간 피복관 UO 2 소결체 하부봉단마개 2012 년한국원자력연구원은 세계최고의성능을내는피복관 ~4.5 미터 ~3.7 미터 재료를개발해그동안수입에의 핵연료봉구조 존하던피복관을대체할수있게 되었다. 국내기술로개발된하나 (HANA) 피복관연료봉 116 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 5 원자로를움직이는힘, 핵연료 117

04 사용후핵연료처리방법과소듐냉각고속로 이렇게중간보관한사용후핵연료는최종적으로재처리를할것인지영구 격리시킬것인지결정해야한다. 사용후핵연료문제의해결사, 소듐냉각고속로경수로핵연료의경우사용후핵연료소결체에핵연료로사용할수있는플루토늄등의핵분열성우라늄동위원소가존재하며, 이들물질은추출해가공하면경수로나소듐냉각고속로 (SFR, Sodium Fast Reactor) 등의핵연료 후행핵연료주기는원자로에서연소를마친사용후핵연료를인간의생활권에피해가없도록장기적으로관리하는과정이다. 이과정은사용후핵연료를미래의자원으로생각하는재처리과정과사용후핵연료를영구격리대상으로생각하는직접처분과정으로크게나눌수있다. 재처리과정을순환핵연료주기 (closed cycle) 라고하며, 영구격리처분하는과정을비순환핵연료주기 (open cycle) 라한다. 사용후핵연료는원자로에서인출된후에도계속발생하는붕괴열을제거하고방사선량을줄이기위해발전소내부의수조저장소에저장한다. 그러나발전소내수조저장소의용량한계때문에재처리혹은영구처분등의관리단계로가기전까지일정기간동안중간저장하는과정을거치기도한다. 사용후핵연료저장방법에는냉각방식에따라습식과건식이있다. 습식저장은저장수조에서물을이용해붕괴열을냉각시키고, 방사선을차단하는방식을말한다. 건식저장은콘크리트나금속을이용해방사선을차단하고, 공기나기체를통해붕괴열을냉각시키는방식으로, 현재월성원자력발전소에서중수로사용후핵연료에대해이미이방식을적용하고있다. 로재활용할수있다. 특히소듐냉각고속로는사용후핵연료처리문제를해결할수있는대안으로손꼽히고있다. 소듐냉각고속로는현재가동중인 3세대원전보다지속가능성과안정성, 경제성, 핵비확산성을획기적으로향상시킨제4세대미래원자력시스템이다. 고속중성자를이용해핵분열을일으키고이때발생하는열을물이아닌액체소듐으로전달해증기를발생시켜전기를생산한다. 소듐냉각고속로는파이로프로세싱기술과연계함으로써경수로사용후핵연료를재활용할수 소듐냉각고속로 (SFR) 의원형로모형 118 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 5 원자로를움직이는힘, 핵연료 119

있다. 파이로프로세싱기술은사용후핵연료를금속형태로환원시킨후우라늄을회수하는기술이다. 이때핵무기에사용되는플루토늄등의민감한물질을단독분리할수없다는점에서핵확산우려를없애고원자력의평화적이용을위한신기술로주목받고있다. 꿈의원자로라불리는소듐냉각고속로를실현하기위해우리나라도소듐냉각고속로연구개발에박차를가하고있다. 한국원자력연구원은지난 2012년소듐냉각고속로의성능을종합적으로실증하는소듐열유체종합효과시험시설스텔라-원 (STELLA-1) 을구축함으로써소듐냉각고속로에서일어날수있는각종현상및사고를정밀하게모의시험하고있다. 사용후핵연료처분재처리되지않는사용후핵연료는폐기물로간주해처분하게되는데, 방사능이새어나오지못하게적절한시설에영구격리시킨다. 사용후핵연료를처분하기위해 1950년대부터해양처분, 빙하처분, 우주처분, 심지층처분등다양한방식이연구되어왔다. 현재의기술로는심지층처분방식이가장안전한관리방법으로고려되고있다. 심지층처분은사용후핵연료를인간의생활권으로부터영구히격리하기위해부식과압력에장기간견딜수있는처분용기에사용후핵연료를넣고지하 300~500미터깊이의심지층에처분하는것을말한다. 대부분의국가 들이심지층처분방식을선호하고있다. 현재국내에서는사용후핵연료를발전소내부의수조저장소에저장하고있다. 하지만이수조저장소의저장용량이곧포화시점에이르기때문에사용후핵연료처분에대한방안을마련해야한다. 사용후핵연료를직접처분하는경우뿐만아니라재처리 재활용하는경우에도고준위방사성폐기물이발생하기때문에최종처분에대한방안은꼭필요하다. 특히사용후핵연료처분기술은각나라의자연환경조건, 자국원자력산업의특성에따라달라지므로다른나라에서개발된기술을그대로도입할수없다. 따라서한국원자력연구원은우리나라에적합한사용후핵연료처분기술을확보하기위해다방면으로노력하고있다. 소듐열유체종합효과시험시설스텔라 - 원 (STELLA-1) 120 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 5 원자로를움직이는힘, 핵연료 121

원자력이야기 하나피복관특허승소사건 피복관은소결체를뚫고나온핵분열방출물을가두는실질적인방호벽역할을한다. 핵연료봉구성품의핵심부품인것이다. 하지만오랫동안국내독자기술을확보하지못했던유일한부품이기도했다. 개발에엄청난시간과비용이요구되기때문에프랑스아레바와미국웨스팅하우스등이세계시장을장악해왔다. 하지만한국원자력연구원은독자적기술을개발하기위해 1997년지르코늄, 주석, 철, 크롬등으로이뤄진지르코늄합금핵연료피복관을국산화하는연구개발에착수했다. 당시 700여종에달하는후보합금에대한방대한기초연구를토대로기존에개발된피복관재료와차별화되고독자소유권을갖는신합금조성을찾아내는데성공했다. 특히이과정에서노르웨이의검증용연구용원자로에서 4년간성능을검증하고, 기존해외제품에비해성능이 40% 우수하다는평가결과를얻어냈다. 10~15년의격차를극복하고선진국과대등한기술력을확보하는데성공한것이다. 그러나이같은기쁨은오래가지않았다. 아레바 모의실험장치를이용한핵연료피복관성능검사 가기존특허에비해새로 하나 (HANA) 피복관시제품 운게없다는이유로특허무효소송을제기했기때문이다. 세계최대원자력기업중하나인프랑스아레바가비영리로운영되는대한민국의국책연구소를상대로제기한특허소송은말그대로 다윗과골리앗의싸움 이었다. 그로부터자그마치 7년여동안서류를통한기술입증공방이이어졌다. 국내에는전례없는국제특허분쟁을위한예산도, 인력도없었지만포기하지않았다. 연구진은독자개발한핵연료피복관관련원천기술의유효성을놓고세계최대원자력기업과당당히맞섰다. 아레바가특허무효소송을제기한이후부터국내특허전문가와유럽현지법무법인의조언을받아특허소송을준비했다. 결국아레바가유럽특허청 (EPO) 에제기한특허무효소송에서 특허가유효하다 는최종승소판결을지난 2013년받아냈다. 요르단연구용원자로수주및 UAE 원전수주등으로최근세계원자력시장에서두각을나타내고있는한국의원천기술확보를막기위한원자력선진국의소송공세에정면으로맞서얻어낸승리였다. 이는우리나라원자력연구진이독자적으로개발한원천기술의가치를국제적으로공인받은것이어서의미가더욱크다. 122 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 5 원자로를움직이는힘, 핵연료 123

E a s y S c i e n c e S e r i e s CHAPTER 6 01 방사선이란무엇일까? 02 널리이용되는인공방사선원자력이야기우주에도방사선이있다고? 03 방사선의놀라운능력 1 : 방사선은팔방미인 04 방사선의놀라운능력 2 : 암세포꼼짝마라! 우리와함께하는 방사선 05 빛의속도로달리는양성자가속기 원자력이야기우주에서맛보는한식

01 방사선이란무엇일까? 식을듣고어둠속에서빛을발하는인광물질역시 X 선을만들어낼지모른다는생각에다양한실험을시작했다. 이과정에서우연히우라늄화합물이 X 선과비슷하게투과력이강한빛을낸다는사실을밝혀낸것이다. 방사선의발견 1895년, 독일의뢴트겐은진공상태로만든유리관을이용해음극선의성질을알아보기위한실험을하고있었다. 실험을위해유리관은검은종이로완전히덮여있었고, 다른빛은전혀없었는데도근처에있던판에서초록색형광빛이나는것을발견했다. 이판은음극선에닿으면형광을발하는종 이어 1898년폴란드과학자퀴리부인은남편인피에르퀴리와함께우라늄이들어있는광물인피치블렌드에서우라늄처럼눈에보이지않는빛을내보내는물질들을분리해내는데성공했다. 퀴리부인은이를각각폴로늄 (polonium) 과 마리퀴리 (Marie Curie, 1867~1934 년 ) 이스크린이었다. 이런현상에호기심을느낀뢴트겐은실험을통해검은종이를뚫고나온무엇인가가인화지에사물의모양을맺히게한다는사실을밝혀냈다. 또한형광판에서빛 라듐 (radium) 이라고이름붙였다. 퀴리부인은모든원소는안정적인것과불안정한것으로나눌수있고, 우라늄이나폴로늄, 라듐처럼안정되지않은원소들은눈에보이지않는빛을내보낸다는사실을발견했다. 퀴리부인은이빛을방사선, 방사선을내보내는성질을방사능이라고이름붙였다. 이날때형광판위에손을덮으면손의뼈부 독일의물리학자빌헬름뢴트겐 (Wilhelm Röntgen, 1845~1923 년 ) 분에서는형광판이빛나지않는다는사실도알아냈다. 뢴트겐은이유리관에서나오는빛을 X 선 이라고이름붙였다. 얼마뒤새로운발견이사람들을다시놀라게했다. 프랑스의물리학자베크렐은프랑스과학아카데미회의에서 X 선에대한최신소 더알아보기 방사능 (radioactivity) : 불안정한원소 ( 방사성동위원소 ) 의핵이붕괴돼다른안정된원자핵으로변환하는현상과, 그과정에서방사선을방출하는물리적능력을나타내는말이다. 방사능을재는기준은방사성동위원소의초당핵변환수로, 단위는베크렐 (Bq) 이다. 방사선 (radiation) : 방사성동위원소가핵변환하는과정에서분출되는알파 (α) 선, 베타 (β) 선, 감마 (γ) 선등을이른다. 방사선은종류마다물체를통과할수있는투과력이다르며, 크게지구탄생부터존재해온자연방사선과인간이인위적으로만든인공방사선으로나뉜다. 126 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 6 우리와함께하는방사선 127

방사선이란무엇일까? 이렇듯인류가방사선을처음발견한것은불과 100여년밖에되지않았다. 그렇다면방사선의정체가무엇이기에방사선의발견이이토록주목을받는것일까? 원자는원자핵과전자로이루어져있는데원자핵의성격을결정하는것은원자핵속에들어있는양성자와중성자이다. 양성자와중성자의비율에의해안정적인원자핵이만들어지기도하고불안정한원자핵이만들어지기도하는것이다. 불안정한상태의원소들은특정한입자나빛을내놓아안정적인원자핵으로바뀌려는성질이있다. 이때나오는입자나빛이바로방사선이다. 한마디로방사선은불안정한원자핵이안정적인상태로바뀔때발생하는에너지라고할수있다. 방사선은눈에보이지않지만그종류가다양하다. 하지만크게는입자형태와빛이나전파형태로구분할수있다. 입자형태의방사선으로는알파선, 베타선, 중성자선등이있 치가크고무게도무거워종이한장도지나가지못한다. 관통력이떨어진다는뜻은물질을통과하면서에너지가물질에흡수된다는뜻이므로알파선은물질에많은에너지를전달할수있다. 베타선은방사선을내는물질에서떨어져나온전자또는양전자입자의흐름을말한다. 알파선에비해무게가적고투과력도알파선보다크다. 하지만얇은금속판정도의두께만으로도베타선을막을수있다. 중성자선은우라늄원자핵에서중성자가방출될때생기는방사선이다. 전기적으로중성이고투과력이매우큰것이특징이다. 다만, 수소와충돌했을때많은에너지를잃어버리는특징이있어서수소가많이들어있는물등을통해중성자선을막을수있다. 입자방사선과달리빛이나전파형태를띠는감마선과 X 선은전자파라고도한다. 감마선은불안정한원자핵이안정화되어가는과정에서발생하며, X 선은뢴트겐의실험에서와같이진공관에높은전압을걸어준상태에서전자를양 (+) 극에충돌시키면발생한다. 감마선이나 X 선은전파처럼공 원자핵 ( 중성자 + 양성자 ) 고, 빛이나전파로존재하는 방사선으로는감마선, X 선이 간을타고퍼지면서물질안을잘통과해나간다는특징이있다. 양성자 중성자 원자의구조 전자 있다. 알파선은방사성물질이방출하는알파입자의흐름이다. 알파입자는양성자 2개와중성자 2개로이루어졌다. 방사선은질량이클수록관통력이떨어지는데, 알파선은덩 알파선 베타선 감마선 종이플라스틱납 콘크리트 방사선의종류에따른투과력 128 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 6 우리와함께하는방사선 129

02 널리이용되는인공방사선 인공방사선의다양한쓰임새인공방사선은인간이만들어낸방사선을말한다. 자연방사선과인공방사선의성질은본질적으로같다. 단지방사선강도에따라인체에미치는영향이달라질뿐이다. 우리가발을딛고서있는땅에서방사선이나오듯우리가만들어내고사용하는인공물에서 자연방사능에둘러싸인환경자연방사선은말그대로자연에존재하는방사선을말한다. 지구에도다양한방사성원소가존재하고이런방사성물질들은안정된상태로변화하기위해여러가지방사선을내보내고있다. 도방사선이나오는것이다. 오히려인공방사선을과학적으로잘이용하면우리생활을좀더편리하게만들수있다. 방사선은에너지가강하기때문에빛이 방사선을이용한 X 선촬영으로몸속을들여다볼수있다. 이뿐만이아니다. 지구나태양계밖의우주에도다양한종류의방사선이있고, 우주방사선은매우빠른속도로날아와지구의대기권에쏟아지고있다. 우주방사선은대부분땅에닿기전에사라지지만빗물로낙하하거나동식물에흡수되어호흡이나먹이사슬을통해인체에흡수된다. 한마디로우리는자연방사선에둘러싸인환경에서살 통과하지못하는곳도얼마든지뚫고들어갈수있다. 이러한방사선의성질을의료분야에접목한것이 X 선촬영과 CT 촬영이다. 직접몸속을들여다보지않아도방사선이우리몸속의모습을촬영해내치료에도움을주는것이다. 또한비파괴검사방식으로다양한산업분야에도방사선이사용된다. 비파괴검사란어떤제품의내부균열등을제품을파괴하지않고외부에서검사하는방법이다. 이검사로비행기나배등의미세한균열까지탐지해완성도를높인다. 그밖에도다양한방사선의성질을활용한여러가지쓰임새가있다. 방사선의살균기능을이용해화학방부제대신사용되기도하고, 우주와같은특수한환경에서오랫동안보관할수있는우주식품을만드는데에이용되기도한다. 방사선돌연변이육종기술을통해개량된품종의식량자원이나 오로라현상은우주에서날아온방사선때문에일어난다. 고있다는뜻이다. 더욱아름다운관상용꽃을만드는데에활용되기도한다. 130 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 6 우리와함께하는방사선 131

원자력이야기 우주에도방사선이있다고? 우리는자연환경속에서도항상방사선을받고있다. 우리주변의방사선은 지구뿐만아니라우주에서발생하는방사선도포함된다. 우주방사선의존재를밝혀낸과학자는물리학자빅터헤스이다. 우주방사선 에관한연구로 1936 년노벨물리학상을받은그는직접 5000 미터상공에올라 가실험을통해지구외부에서오는방사선의존재를밝혀냈다. 우주방사선이발생하는원인은은하에있는천체의폭발때문으로여겨진다. 태양계밖에서거대한질량을가진초신성이생성될때강력한에너지의우주 방사선이발생하는것이다. 우주방사선은대기권을통과하면서에너지가작아 초신성이폭발하고남은잔해. 초신성이생성될때강력한에너지의우주방사선이발생한다. 진다. 대기와자장이우주 방사선을차단하기때문이 다. 따라서지상에도달한 우주방사선의영향은미미 하며인간을비롯해생물 체에미치는영향은거의 없다. 대기권으로들어온 1 차 우주방사선은다시 2 차우 주방사선으로변하면서강 도가약해진다. 지구대기 권으로들어온우주방사선 은대기권의분자들, 주로 산소와질소분자들과충돌해더 작은입자를가진 2 차방사선으로 바뀐다. 크기가작아진우주방사선 은대부분공기에흡수된다. 하지만최근높은고도에서장거 리를이동하는비행사나승무원이 방사선에많이노출돼있다는연구 결과가속속나오고있다. 또한에 베레스트산과같은고산지대에사 는사람들이일반적으로방사선노 출에따른질병에취약하다는연구 결과도나오고있다. 아직정확한 인과관계를설명하는결과는나오 지않았다. 다만일반항공여행객 이우주방사선에노출되는양은미 미하기때문에우주방사선에대해 공포심을느낄필요는없다. 최근우주방사선에대한관심이높아지고있다. 우주방사선이우주탄생의신 비를밝혀내는중요한열쇠인만큼우주방사선의비밀을밝혀낼만한연구성 과가나타나길기대해본다. 나로호. 2014 년 1 월발사에성공한나로호의중요한임무중하나는우주방사선량을측정하는것이었다. 132 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 6 우리와함께하는방사선 133

03 방사선의놀라운능력 1 : 방사선은팔방미인 방사선기술은방사선이가지고있는돌연변이, 살균, 투시등놀라운능 력을이용하는기술을말한다. 이기술은농업, 생명, 식품, 환경, 의학, 공업, 우주과학등다양한분야에적용돼우리생활과밀접한관련을맺어왔다. 방사선기술이활용되는대표적인분야는생명공학기술과융합된 방사선 돌연변이육종기술 이다. 방사선돌연변이육종기술은식물의종자나묘목 방사선돌연변이로육종된다양한벼. 한국원자력연구원첨단방사선연구소는방사선돌연변이기능을이용해자연재해와병충해에강하고수확량이많은신품종을개발해내고있다. 에방사선을쪼였을때일어나는돌연변이과 방사선돌연변이신품종 꼬마. 기존의무궁화크기의절반에불과한신품종이다. 크기가작아아파트베란다나사무실등실내에서키울수있다. 정을이용하여품종을개량하거나새로운품종을만들어내는기술이다. 자연상태에서는드물게일어나는돌연변이의발생빈도를방사선자극을통해높여주는육종기술로, 외래유전자를집어넣는유전자변형기술 (GMO) 과달리안전성이입증되어있고, 전세계적으로식량작물, 화훼류및과수류신품종개발에활발하게이용되고있다. 혹시방사선육종으로개발된품종에는방사선이남아있지않을까? 라고걱정할수있 지만, 방사선육종에주로쓰이는감마선, X 선, 이온빔등은자연에있는빛과같아서쪼일때만식물에에너지를주고방사선이남지않아안전하다. 이러한기술은전세계적인식량문제를해결하는데도움을주고있다. 국제연합식량농업기구 (FAO) 에따르면세계인구중약 8억명이넘는사람들이지금이순간에도굶주리고있다. 방사선기술을이용함으로써많은양의수확물을거둘수있는품종이나자연재해등에강한우수한품종의식량자원을개발해전세계식량문제에도기여할수있다. 방사선의살균기능역시세계식량문제에도움을준다. 방사선살균처리로식량자원에미생물이번식하는것을막아식량을장기보관할수있기때문이다. 미생물이번식하면안되는우주와같은특수한환경에서먹을수 134 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 6 우리와함께하는방사선 135

X 선검사와 CT 검사가몸밖에서방사선을쪼여몸의이상을검사하는방법이라면, SPECT와 PET는몸속에방사성의약품을주사해밖으로방출되는방사선을확인함으로써질병을검사하는방법이다. 이때방사성의약품에담긴방사성동위원소는반감기가매우짧아몇분에서며칠내에모두사라지기때문에인체에유해하지않다. 공업분야에서는방사선을이용해물체를부수거나분해하지않고도속을들여다볼수있는비파괴검사가활용된다. 방사선투과를이용한비파괴검사는 X 선, 감마선등의방사선을물체에쏘아그뒤에있는 X 선필름에나타나는모양을관찰해물체내부의결함을찾아내는방법이다. 물체내부에결함이있으면물체를통과해서나오는방사선양에차이가생기고, X 선필름 CT 검사. 의료분야에서방사선이다양하게활용된다. 에나타나는어둡고밝은정도가달라진다. 이를통해물체내부의균열부 위와정도를확인할수있다. 있는식품이나백혈병환자, 항암치료를받는환자처럼면역력이낮은사람들이먹을수있는무균식을개발할수있었던것도방사선의살균기능덕분이다. 의학분야에서도방사선기술이활발하게이용되고있다. 병원에가면 X 선검사, CT( 컴퓨터단층촬영 ), SPECT( 단일광자단층촬영 ), PET( 양전자방출단층촬영 ) 등여러가지검사장비를볼수있다. 이런기술이모두방사선을이용한것이다. X 선은햇빛이나전등빛같은가시광선보다투과력이강해서우리몸속을통과한다. 그러나뼈와같이단단한것은잘통과하지못한다. X 선의이러한 성질을이용해뼈나몸의이상을찾아낼수있다. CT 를이용하면간, 신장, 대장, 위등에서일어나는작은변화까지도찾을수있다. 항공기터빈블레이드의 X 선영상 ( 왼쪽 ) 과중성자영상 ( 오른쪽 ) 비교. 중성자영상을이용하면내부의미세한부분까지확인할수있다. 136 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 6 우리와함께하는방사선 137

X 선이나감마선보다물체를통과하는힘이좋은중성자를이용하면비행기의엔진, 날개등의중요한부품을뜯지않고도내부의미세한균열까지확인할수있다. 이를통해귀중한인명을실어나르는여객기나한대에수백억원씩하는전투기의고장을줄여큰사고를미연에방지하는것이다. 우리나라에서는연구용원자로하나로 (HANARO) 에설치된 중성자토모그라피 ( 단층촬영장치 ) 와 중성자잔류응력장치 등을이용해항공기의엔진 04 방사선의놀라운능력 2 : 암세포꼼짝마라! 등주요부품에대한정밀한비파괴검사가가능하다. 그밖에도방사선을내놓는방사성동위원소를이용해화석의나이를측정할수도있다. 우리가숨쉴때들이마시는공기중에는방사성동위원소중하나인탄소 -14( 14 C) 가섞여있다. 살아있는생물의경우식물은광합성, 동물은호흡을통해탄소 -14가일정하게유지되지만죽은뒤에는탄소의교환이일어나지않는다. 따라서죽은이후에는탄소- 14가일정한속도로붕괴한다. 그양이절반으로줄어드는데필요한시간은약 5700년이다. 즉, 생명을잃은동식물은그순간부터탄소 -14를흡수하지못하기때문에고고학이나지질학에서화석의탄소- 14의양을측정해동식물이살았던시기를알아낼수있는것이다. 이처럼방사선은우리생활과밀접한곳에서다양하게활용되고있다. 방사선의쓰임새를잘알고제대로활용하면우리생활에유용하게쓰일수있다. 암을치료하는방사성동위원소모든약은사용하는방법이나용량에따라서독이될수도, 약이될수도있다. 이런의미에서방사성동위원소는 약이되는독 이라할수있다. 원자로에서생산되는방사성동위원소는방사선을방출하는위험한물질이지만, 소량을적절히사용하면매우효과적인의약품이된다. 이런의약품을방사성의약품이라하는데, 각종질병의진단과치료에이미널리사용되고있다. 특히, 암을진단하거나치료하기위한목적으로사용된다. 방사성동위원소가방출하는방사선은크게알파선, 베타선, 감마선으 로나눌수있다. 알파선 과베타선은세포를파괴 하는이온화능력이우수 하지만, 투과성은매우낮 진단및치료에이용되는방사성의약품 138 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 6 우리와함께하는방사선 139

아체내로들어갈경우외부에서관찰하기쉽지않다. 이와반대로감마선은투과성이매우좋아외부에서도감지기를이용해관찰이가능하다. 이러한특성으로인하여알파선과베타선을방출하는방사성동위원소는암세포를파괴하는치료제로, 감마선을방출하는방사성동위원소는암세포를찾아내는진단제로사용된다. 진단및치료용방사성동위원소의종류와특성 진단용 방사성동위원소 원자번호 질량수반감기방출방사선주에너지 (ev: 전자볼트 ) 불소 - 18( 18 F) 9 18 109 분감마선 633keV 테크네튬 - 99m( 99m Tc) 43 99 6 시간감마선 140keV 암진단및치료에사용되는방사성동위원소의종류방사성의약품은사용되는방사성동위원소의특성에따라진단용과치료용방사성의약품으로구분된다. 현재진단용으로사용되는방사성동위원소는불소 -18( 18 F) 와테크네튬- 99m( 99m Tc) 등이있다. 체외에서감지할수있는감마선을많이방출하고, 반감기가짧아체내잔류량이적기때문에진단의목적에적합하다. 진단용방사성의약품은생체내에서암을찾아내는역할을한다. 인체내 치료용 진단과치료 이트륨 - 90( 90 Y) 39 90 64 시간베타선 2.28MeV 옥소 - 131( 131 I) 53 131 8 일베타선 971MeV 레늄 - 188( 188 Re) 75 188 16.9 시간 갈륨 - 68( 68 Ga) 31 68 1.13 시간 루테튬 - 177( 177 Lu) 71 177 6.73 일 베타선감마선 베타선감마선 베타선감마선 2.2MeV 155keV 1.9MeV 511keV 490keV 113keV 에주입된방사성의약품은특정장기나암에일정한형태로분포하기때문에, 분포된방사선을체외에서측정함으로써체내에있는질병을진단할수있다. 가장널리사용되는암진단용방사성의약품은 18 F -FDG이고, 그밖에뼈전이암진단에사용되는 99m Tc -MDP 등이있다. 한편치료용으로사용되는방사성동위원소는옥소 -131( 131 I), 이트륨- 90( 90 Y), 루테튬- 177( 177 Lu) 등이다. 이들은높은에너지의방사선을방출하고, 진단용방사성동위원소에비해반감기가길기때문에암세포를파괴하는데적합하다. 치료용방사성의약품은강력한방사선으로암세포를파괴한다. 알파선과베타선의강력한방사성에너지는암세포와인접한세포의 DNA뿐만아니라세포막까지파괴할수있다. 알파선은파괴력이너무 강력해정상세포에독성을미칠수있기때문에, 현재사용되고있는치료용방사성의약품은대부분베타선을이용한다. 치료용으로사용되는방사성의약품으로는갑상선암치료용옥소- 131( 131 I), 전립선암치료용라돈- 223( 223 Ra), 혈액암치료용 90 Y -제발린(Zevalin) 등이있다. 국산방사성신약 1호인 166 Ho- 키토산 (chitosan) 은간암치료에사용된다. 최근에는진단과치료가동시에가능한방사성의약품의개발이활발하다. 베타선과감마선을동시에방출하는방사성동위원소를사용함으로써영상진단과암치료를동시에가능하게하는것이다. 이러한기술을 약품치료 (drug therapy) 와 진단 (diagnostics) 을융합한단어로 세라노스틱스 (theranostics) 라고한다. 140 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 6 우리와함께하는방사선 141

05 빛의속도로달리는양성자가속기 양성자가속기란? 모든물질과생명체는무수히많은원자로이뤄져있다. 원자의중심에는 양 (+) 전기를띤무거운원자핵이있고, 그주변에는마치태양주위를지구 방사성의약품생산시설 가돌고있는것처럼음 (-) 전기를띤아주가벼운전자들이빠른속도로돌 고있다. 신경내분비암은기존의항암치료요법으로는치료효과가저조하지만세 라노스틱스방법으로높은치료효과를기대할수있다. 또한, 진단과치료 가동시에가능한방법이기때문에암이치료되는과정을영상으로추적할 이때원자핵은양 (+) 전기의양성자와전기를띠지않는중성자로뭉쳐져 있는데, 여기서양성자만을떼어내빠른속도로가속하는장치가바로 양성 자가속기 이다. 수있어효과적인치료방향을선택할수있다는장점도있다. 암의발생이급격하게증가함에따라, 2014 년현재 4 명중 1 명이암으로 사망하고있다. 따라서암을조기에진단하고, 효과적으로치료할수있는 양성자 세라노스틱스와같은새로운치료기술의개발이절실하다. 한국원자력연구원에서는이러한신개념의치료기술에필수적인방사성동위원소의생산기술을개발해나갈것이며, 이를기반으로제2, 제3의방사성신약을개발해냄으로써국민삶의질향상에기여할것이다. 양성자가속의원리 142 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 6 우리와함께하는방사선 143

양성자에너지에따른양성자물질기본반응과활용분야 에너지속력기본반응 연구개발분야 산업적적용분야 1keV (1 천 ev) 500 km/ 초 물질표면의원자또는분자를낱개로떼어냄 나노가공 빔가공 반도체 철강 정밀기계 100keV (10 만 ev) 5000 km/ 초 물질속에박혀물질의구조와성질변화 표면개질 나노결정 반도체 가전 자동차 10MeV (1000 만 ev) 5 만 km/ 초 물질내의원자핵과반응해새로운원소를생성 동위원소생산 신종유전자원 의료 생명공학 농업 100MeV (1 억 ev) 13 만 km/ 초 무거운원자핵을쪼개어가벼운원소또는중성자생성 신종동위원소 중성자원 제약 ( 신약 ) 신소재 에너지 양성자가속기를이용해소립자를만들면우주의탄생을밝히는연구를할수있다. 1GeV (10 억 ev) 26 만 km/ 초 원자핵속의양성자, 중성자와반응해중간자, 중성미자등소립자생성 입자물리학 핵물리학 학술연구 하는원리를이용해다양한첨단과학연구를수행할수있다. 신약개발과 암치료연구, 의료용동위원소개발, 돌연변이유전자원개발처럼나노기 원자전자양성자중성자소립자 빛의속도 : 약 30만 km/ 초 ev : 전자볼트 술, 생명공학, 에너지및환경기술, 우주기술등첨단과학연구에사용된다. 가속에너지가높아지면양성자의속도도매우빨라진다. 가속에너지 1keV( 킬로전자볼트 ) 에서는양성자가초속 500 킬로미터의속도로물질과부 양성자가속기의원리는의외로간단하다. 수소의원자핵에서떼어낸양성자를두개의금속판전극사이에놓고각각의판에양극과음극을연결한다. 그리고두판에전기를흘려주면양 (+) 극을띠는양성자를양극에서는밀어내고음 (-) 극에서는당겨양성자가매우빠른속도로움직이게된다. 양성자가속기는빠르게움직이는양성자를여러물질의원자에부딪히게 딪혀물질표면의원자또는분자를낱개로떼어내며나노 (0.000001mm) 크기의아주작은물체를만들어낼수있다. 가속에너지를 100keV 로올리면양성자는초속 5000 킬로미터의속도로물질속을파고들어가연한플라스틱을강철처럼단단하게만들거나, 전기가통하지않던물질에전기가통하게만들수있다. 가속에너지가 144 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 6 우리와함께하는방사선 145

100MeV( 메가전자볼트 ) 일경우에는양성자가초속 13만킬로미터의속도로물질의무거운원자핵을쪼갤수있다. 이때물질내의원자핵과반응하면서새로운원소를만들어내병을찾아내거나치료하는데쓰이는여러가지동위원소를만들수있다. 1GeV( 기가전자볼트 ) 에서는빛의속도인초속 30만킬로미터에가까워진양성자가물질과충돌해양성자보다더작은소립자를만들어낸다. 이를분석하면우주의탄생과미래를밝히는연구를할수있다. 우리나라의양성자가속기연구 우리나라는경주에양성자가속기연구센터를세우고관련연구를진행하 고있다. 한국원자력연구원은국내 21 개산학연과 10 년간협력해 2011 년미 경주양성자가속기연구센터의양성자가속기 국, 일본에이어세계에서세번째로대용량선형양성자가속기 ( 최대가속에너지 100MeV/ 최대빔전류 20mA) 개발에성공했다. 이어서대전본원과경주에서나눠제작한가속장치를 2년여에걸쳐경주로이전해합체함으로써본격적으로양성자가속기를운영하기시작했다. 경주양성자가속기는초당약 12만조개이상의양성자를 100MeV(1.5볼트건전지 6700만개로가속할수있는에너지 ) 로가속할수있는장치이다. 우리나라는현재이가속기를다양한연구개발및산업분야에활용하고있다. 한국원자력연구원은양성자가속기의활용을극대화하기위해앞으로빔이용시설을추가로설치하고, 중장기적으로는시설확장을통해가속에너지를 1GeV(10억전자볼트 ) 급으로높여펄스중성자원, 입자물리및핵물리 경주양성자가속기연구센터조감도 연구시설등으로활용분야를넓혀갈계획이다. 146 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 6 우리와함께하는방사선 147

원자력이야기 우주에서맛보는한식 우주공간에머무는우주인은중력을거의느끼지못하고공간이밀폐되어있어서지구에서보다음식의맛을느끼는감도가현저하게떨어진다. 그럼에도불구하고우주식품은멸균처리를해야하고, 무게도최대한줄여야하기때문에대부분인스턴트식품이다. 이때문에우주인들에게끼니를해결하는일은가장큰스트레스중하나이다. 이에한국원자력연구원첨단방사선연구소는다양한우주식품을개발하고자노력해왔고, 한국인의입맛에맞는전통먹을거리와기호식품 4종을우주식품으로개발해 2008년러시아산하생의학연구소 (IBMP) 로부터최종승인받았다. 우주식품은미국항공우주국 (NASA) 과 IBMP 두기관에서인증을받아야만실제우주에서섭취가가능하다. 우주식품은 방사선조사기술 이라는기술을이용한비가열살균처리법으로만들어진다. 방사선조사기술이란방사선작용으로농산물의싹이트거나뿌리를내리는속도를늦추고, 과일이익는속도를조절하는기술을말한다. 또한식품에존재할수있는세균을사멸시켜식품의저장성과안전성을높일수있다. 한국원자력연구원이인증받은우주식품은김치, 라면, 생식바, 수정과등 4 종이다. 우주식품으로인정받은김치는무균처리가된상태이다. 우주선에서는물의최대온도가 70 이하이기때문에라면은낮은온도에서도면이잘익도록개발되었다. 생식바는열량및영양소함량을높여기능성을강화했고, 우주인의식욕증진을위해개발된수정과는음용하기쉽도록분말형태로만들었다. 이와함께식사도중국물이흩날리지않도록고안된전통발효식품포장용기에대한인증도함께받았다. 한국원자력연구원이개발한한국형우주식품. 바지락죽, 닭죽, 사골우거지국, 닭갈비등다양하다. 한국원자력연구원은한국형우주식품개발에더욱박차를가해 2010년불고기, 전주비빔밥, 미역국, 참뽕음료등 4종을추가로인증받은데이어 2011년에는바지락죽, 잼, 곶감, 초콜릿, 블루베리, 단호박죽, 카레밥, 닭죽, 닭갈비, 사골우거지국등아홉종의우주식품을개발, 인증받았다. 이러한성과는세계적으로한국식품가공기술의우수성을널리알리고우리전통음식의세계화에도기여할것으로전망된다. 148 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 6 우리와함께하는방사선 149

E a s y S c i e n c e S e r i e s 01 발전용원자로의안전시스템 02 비행기충돌에도끄떡없는원자력발전소 03 지진에도끄떡없는원자력발전소 04 원자력안전을떠받치는아틀라스 (ATLAS) 05 원자로안전도우미, 원자력로봇 06 원자력, 사이버테러를막아라! CHAPTER 7 원자력의생명은 안전 원자력이야기인류가반성해야할원전사고 1 원자력이야기인류가반성해야할원전사고 2

01 발전용원자로의안전시스템 물리적다중방벽방사선방어의가장핵심적인수단은물리적방호벽의설치이다. 여러겹의방호벽을설치해핵반응으로발생하는방사성물질이외부로유출되는것을막는다. 이들은핵연료펠렛 ( 제1방벽 ), 핵연료피복재 ( 제2방벽 ), 원자로냉각재압력경계 ( 제3방벽 ) 그리고격납건물내벽, 외벽 ( 제4, 5방벽 ) 으로구성된다. 제한구역은물리적방벽은아니지만또다른가상의방벽으로간주할수있다. 원자력발전은핵반응으로생기는원자력에너지를이용하기때문에화학반응의에너지를이용하는화력에비해몇백만배의엄청난양의에너지를얻을수있다. 그러나핵반응을할때발생하는핵분열생성물은고준위의방사선과지속적인잔열을가지고있기때문에유사시, 핵반응을제어하고핵분열생성물이외부로누출되지않도록안전하게격리해야한다. 이를위해발전용원자로는다양한안전개념과시설을확보하고있다. 안전설비심층방어를위한다중방벽의설치와더불어기본적인안전기능을수행하기위해다양한안전계통을구비해야한다. 심층방어제2, 3단계의사고예방과제4단계의사고완화를위한안전설비로는다음표와같은주요안전계통이있다. 심층방어개념 사고완화를위한안전설비 원자력발전소는심층방어개념으로설계되어있다. 심층방어개념은원전 원자로보호계통 이상감지해원자로정지신호, 안전설비를작동 의건설및운영의각단계에서작용하고있지만설계단계에서가장명확하게적용한다. 심층방어개념이란이상상태의발생을방지하도록모든노력을다하되, 이상상태가발생했을경우확대를최대한억제하는시스템이다. 단계별로적절한방어체계를확보해큰사고로번지는것을막을수있도록사고의진전단계마다적절한방호체계를갖춘다. 단계별방호는 1단계정상상태의유지, 2단계비정상상태의제어, 3단계 사고예방설비 사고완화설비 원자로정지계통비상노심냉각계통원자로격납건물원자로격납건물살수계통공기재순환계통 정지신호에의해제어봉삽입, 긴급핵반응정지노심내의잔열제거, 물리적방벽의건전성유지방사성물질을강화철근콘크리트건물내에밀폐해수용사고시격납건물압력감소및방사성물질제거내부재순환및필터를이용한방사성물질제거 사고예방, 4 단계사고완화, 5 단계소외비상대응등으로구성되어있다. 비상가스처리계통 방사성물질을필터로제거시켜배기계통으로배출 152 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 7 원자력의생명은안전 153

02 비행기충돌에도끄떡없는원자력발전소고안전성을유지할수있는 지에대한평가를수행한바 있다. 첨단컴퓨터모델링기 술로분석한결과, 격납건물 의콘크리트가일부손상되 고철근이휘어지는정도의 손상이발생하기는했으나 2001년 9월 11일미국에서발생한 9.11 테러는세계인을경악하게만들었고, 유사한테러가원자력발전소를공격했을때발생할수있는문제에대해경각심을불러일으켰다. 원자력발전소는가상의사고에서도안전성을확보할수있도록설계해건 격납건물이관통되지는않았다. 또한항공기가파괴되어엔진부속, 동체, 날개등이격납건물내부로들어오 항공기충돌시안정성을확인하기위한충돌해석모델 설하고있지만의도적인테러에서도안전성을확보하고있는지많은의문을가질수있다. 그러나원자력발전소는 9.11 테러이전에도항공기충돌가능성을평가하고항공기와충돌했을때에도원자력발전소시설의안전성을확보할수있도록설계되어왔다. 유럽의경우유럽내의영공을거쳐가는비행기가많기때문에이에대한대비를해왔다. 우리나라의경우민간비행기가발전소에접근할수있는방법이근본적으로차단되어있기때문에항공기충돌에따른위험요인은매우적다. 그럼에도우리나라원자력발전소의구조물은 1.2미터정도두께의철근콘크리트구조물로건설되어있어세계무역센터와같은일반건물에비하면항공기충돌에대해안전하다. 9.11 테러이후미국전력연구소에서는우리나라원자력발전소와유사한원자력발전소에대형항공기가충돌할경우방사성물질이누출되지않 는사고도발생하지않았다. 게다가원자력발전소내의구조물은세계무역센터나국방부건물에비해크기가매우작아숙련된항공기조종사도정확하게충돌시키기매우어렵다. 미국샌디아국립연구소에서는팬텀기를이용해비슷한실험을한바있다. 무게 27톤의팬텀기를시속 800킬로미터의속도로콘크리트벽에충돌시킨결과, 팬텀기는산산조각이났으나콘크리트벽은깊이 5센티미터정도만파손된것으로나타났다. 원자력발전소의벽두께가 1.2미터인점을감안한다면항공기사고에매우안전한것을알수있다. 우리나라에서도 9.11 테러이후원자력발전소에대한설계에서항공기충돌에대한안전성을확보하기위한설계를수행하고있으며이를건설에적용하고있다. 비록국내에서항공기테러와같은사건이일어날가능성은매우낮지만혹시나모를가능성에대해서도철저히대비하고있다. 154 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 7 원자력의생명은안전 155

03 지진에도끄떡없는원자력발전소구조물뿐아니라원자력발전소내부에설치된설비에도내진검증을수행 하고, 성능이입증된설비만을원자력발전소에설치하게된다. 원자력발전 소부지를결정할때에도지질과지진가능성을꼼꼼히따져결정한다. 내진설계란앞으로발생할가능성이있는지진에대해구조물이견딜수 있도록설계하는것을뜻한다. 안전성확보측면에서일정수준의진동이감 지되면자동으로원자력발전소가정지할수있도록자동정지장치를갖추 고있다. 원자력발전소는지진등과같은자연재해에도충분히견딜수있도록건설되어왔다. 그러나 2011년 3월 11일후쿠시마원자력발전소가쓰나미에의한피해를입고내부방사성물질이외부로누출되는큰사건이발생했다. 이로인해우리나라에서도원자력발전소의지진안전성에대한우려가커지고있다. 지진이빈번하게일어나는일본과달리우리나라는지진관측이래규모 6.0 이상의강진이발생한사례가없다. 기껏해야규모 5.0 안팎의지진이수회발생한정도에머물러비교적지진에안전한지역에위치하고있다. 그러나최근들어전체적인지진발생빈도가증가하고있고, 게다가일본등주변국에서큰지진이자주일어나고있어우리나라도지진안전지대는아니라는주장이제기되고있다. 우리나라에내진설계라는개념이도입된것은 1972년고리원자력발전소설계때이다. 이처럼원자력발전소를건설하기시작한아주초기부터지진에대한안전성을확보하기위한노력을해왔다. 우리나라원자력발전소는규모 6.5 이상의지진에대비해건설되었으며최근에는안전성을더욱더높 이처럼지진으로인해장기간전원이끊길경우에도대비하고있다. 장기간전원이끊길경우냉각기능을상실할수있다. 후쿠시마원자력발전소의피해가커진것도바로이때문이었다. 하지만우리나라의원자력발전소는비상시를대비해준비하고있는증기터빈및비상디젤발전기등을가동해장기간전원이끊겨도냉각수공급이가능하다. 최근에는원자력발전소의지진에대한안전성을더욱높이기위해면진개념의설계에대해연구를진행하고있다. 면진장치는땅에서전달되는지진력을흡수하는장치이다. 추후면진장치가설치된원자력발전소가건설되면지진에대해원자력발전소의안전성 이기위해규모 7.0 의지진에도견딜수있도록설계하고있다. 은더욱높아질것이다. 진동대위에서원전설비에대해내진검증을하는모습 156 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 7 원자력의생명은안전 157

04 원자력안전을떠받치는아틀라스 (ATLAS) 는다는것을증명해야한다. 그래야만원자력안전위원회로부터운영허가를받을수있다. 이때검증은컴퓨터전산프로그램으로이뤄진다. 원자력산업은다른산업분야와는다르게방사선노출의위험성이있기때문에안전성을직접검증할수없는특성이있다. 그러므로이러한컴퓨터전산프로그램이예측하는사고의진행과정과공학적안전설비의동작에대한정확도가신뢰할만큼 2011년 3월 11일발생한후쿠시마원자력발전소의사고는고온의핵연료를냉각시키는기능을잃었기때문에사태가악화되었다. 핵연료의높은열이방사성물질을 1차적으로막아주는핵연료피복관을녹였고, 이로인해방사성물질이외부로누출되어중대사고로확대되었다. 만약원자로비상냉각계통이작동해고온의핵연료를냉각시킬수있었다면방사성물질이외부로누출되는중대사고는발생하지않았을것이다. 어떠한경우에도핵연료를용융온도이하로냉각시킬수있도록공학적안전설비가제대로작동하면원자력발전소의안전은확보할수있다. 그러므로원자력안전의최종목표는수백년만에한번일어날까말까한사고까지대비해원자로내부에설치된핵연료의비상냉각기능이손실되지않도록막는것이다. 우리나라의원자력발전소는수명기간동안일어날수있는예측가능한현상과예상을넘어서는가상사고가발생할경우까지충분히고려해비상냉각계통을설계했다. 원자력발전소를설계하고운영하기위해서는이러한가상사고가발생했 을경우에도원자력발전소가설계한대로운영돼중대사고로확대되지않 신형경수로 APR1400 을축소해만든미니발전소형태를한아틀라스 (ATLAS) 158 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 7 원자력의생명은안전 159

충분히확보되어야한다. 이를위해실제원자력발전소를본떠운영할수있는실증실험시설을활용해전산프로그램의정확도와오차를평가한다. 우리나라에서는바로 아틀라스 가이러한역할을담당한다. 2006년말가동을시작한한국원자력연구원의열수력종합효과실험장치 아틀라스 는다양한원자력발전소의사고를실제와동일한압력과온도에서모의실험하기위한시설이다. 아틀라스는세계 3대규모의실험시설로신형경수로 증기관터빈으로수증기를보내는배관. 아틀라스는증기관파열사고도모의할수있다. 가압기원자로계통의압력을조절하는기기. APR1400을축소해만든미니발전소형태를하고있다. 아틀라스실험장치가실제원자력발전소와다른점은핵연료를사용하지않고전기로가열하는모의연료봉을사용한다는것뿐이다. 그러므로실제원자력발전소에서는방사선의위험때문에실험해볼수없는다양한사고상황을아틀라스로구현할수있다. 예를들어후쿠시마원전사고의경우와같이원자로내부압력이 185기압, 온도가 370 가되는극한상황도시험해볼수있는것이다. 아틀라스실험장치에서는원자력발전소의다양한사고를모의해 20여가지의자동안전장치및비상노심냉각계통이얼마나신뢰할수있는지를실험적으로검증하는역할을수행하고있다. 2007년부터 2011년까지첫 5년동안아틀라스는원자력발전소의설계과정에서의무적으로고려해야하는설계기준사고에대한실험을수행했다. 2007년에도 APR1400 신안전계통 ( 원자로용기직접주입 ) 에대한인허가문제를해결하기위해대형냉각재상실사고에대한검증실험을수행했다. 이데이터는산업계 ( 한수원, 한전원전연료 ( 주 )) 와규제전문기관 ( 한국원자력안전기술원 ) 에제공되었다. 이는대형냉각재상실사고최적안전해석방법론 (CAREM) 개발과검증에직접적용되었으며, 2009년국내원전의 UAE 수출 증기발생기원자로에서발생하는열을이용해터빈을돌리는데필요한증기를생산하는중요한기기. 아틀라스는증기발생기열전달튜브가파손되는사고도모의할수있다. 냉각재펌프원자로를냉각시키는냉각수가흐르도록한다. 아틀라스는냉각재흐름이갑자기낮아지는사고를모의할수있다. 아틀라스의구조 원자로원자로는핵분열에의해에너지를발생시키는가장중요한장치. 아틀라스에서는원자로의핵연료봉과같은기능을하지만방사능이없는전기가열봉을사용하므로안전우려없이사고를모의한다. 안전주입탱크비상냉각수저장탱크. 냉각재상실사고등으로원자로계통의냉각수가유실되면자동적으로비상냉각수를공급해원자로를냉각시킨다. 냉각재배관냉각수가원자로와증기발생기사이를순환하기위한통로. 냉각수배관이파열되어외부로유출되는사고, 즉냉각재상실사고는원전설계에서가장중요하게고려된다. 아틀라스는다양한종류, 다양한위치의냉각재상실사고를모의한다. 160 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 7 원자력의생명은안전 161

순차적으로수행하고있다. 이와같은설계기준초과사고에대한모의는발생가능성이 0 에가까울정도로매우낮은경우까지고려해안전성을높이기위해수행한다. 후쿠시마원전사고와같은극한자연재해로인한사고나다중안전설비가동시에고장나는사고등이이에해당된다. 한국원자력연구원은후쿠시마원전사고이후부각된설계기준초과사고, 고위험 복합사고에대한안전성을향상시키기위해 OECD 원자력기구국제공동연구 OECD-ATLAS 를유치했다. 2014년부터 3년간수행되는이번연구의소요되는비용은 250만유로에해당하는데, 이연구비의절반은참 OECD-ATLAS 국제공동연구착수회의 여기관이부담하게된다. 한국원자력연구원은 ATLAS 를이용해열수력종합효과실험을수행하고, 의기술적기반을제공했다. 또한, 아틀라스실험데이터는아틀라스국내표준문제에활용되어국내안 생산된실험자료를참여국에배포하는것은물론실험결과분석과해석방 법정립등공동연구전반에서주도적인역할을할예정이다. 전해석기술을향상하는데크게기여했다. 국내표준문제는아틀라스실험데이터를활용해컴퓨터전산프로그램의정확도와오차를분석하는협력연구이다. 2009년부터 2014년까지세차례수행했으며, 국내원자력산 학계 17개기관이함께모여주기적인기술회의를개최해국내안전해석기술의선진화를주도했다. 국제적으로도큰성과가있었다. 아틀라스실험데이터를사용해 OECD 원자력기구 (OECD/NEA) 의 50번째국제표준문제를국내에서는최초로수행해국내실험연구의국제화를성공적으로달성한것이다. 50번째국제표준문제는 OECD 11개회원국 16개기관이참여해국제적으로널리사용되는안전해석컴퓨터전산프로그램 8종의정확도검증에크게기여했다. 2012 년부터는설계기준을초과하는극한, 다중위험사고에대한실험을 아틀라스를이용해극한자연재해로일어날수있는중대사고를대비한연구가이루어진다. 162 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 7 원자력의생명은안전 163

05 원자력안전도우미, 원자력로봇 원자력안전을지키는로봇기술 원자력시설은혹시나발생할수있는다양한사고위험에대비해많은안 전장치들을갖추고있다. 하지만극도로낮은사고의위험성을지녔다고해 도, 사고가발생하게되면장기간에걸쳐대규모인명피해나환경피해를야기할수있다. 이점은원자력사용의최대약점이다. 이런우려의가장큰이유는원자력시설에이상상태가발생했을때사고를막아줄안전장치가고장나제대로동작하지못할가능성이미약하지만분명존재하기때문이다. 그렇게되면사람이들어가서고장을점검하고수리해야한다. 하지만높은방사선이나온도, 습도, 유해가스나폭발위험때문에사람이들어갈수없을경우에는어떻게해야할까? 이런경우를대비해원자력에로봇기술을도입해사람이처리할수없는일을처리할수있도록하고있다. 원자력로봇은원자력시설내부의고방사선구역뿐만아니라물속이나높은지역혹은좁은지역처럼사람이쉽게접근할수없는지역에서사람대신에일을한다. 원자력시설이안전한지점검하고수리하기도하고, 사고가났을때에는이를막아낸다. 사용수명이끝난원자력시설을안전하게해체하는데에도로봇을사용할수있다. 로봇팔을이용한핫셀내작업장면 이런업무를수행하기위한로봇은주변환경을인식할수있는감각능력을지녀야하고, 움직이거나물건을들수있는구동능력을갖춰야하며, 감각에따라적절한처리를하는지능과인간과소통할수있는통신능력이필요하다. 원자력분야에로봇기술이처음사용된것은 1950년대핫셀 (hot cell) 이라는시설이다. 로봇팔을이용해방사선이차폐된납유리창밖에서안전하게방사성물질을취급하며다양한작업을할수있게된것이다. 1960년대이후원자력에너지를이용하여전기를생산하는원자력발전소가상업화되면서로봇기술은더욱활발히사용되었다. 원자력발전에사용되는핵연료를주기적으로교체하는작업에높은방사능에견딜수있는로봇이사용되었다. 이뿐만아니라원자로나증기발생기와같이방사선이매 164 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 7 원자력의생명은안전 165

중수로점검용이동로봇 증기발생기전열관검사용이동로봇 경수로점검용수중로봇 원자로검사로봇팔 원자력안전지킴이로봇의등장로봇이원자력사고를처리하는데에사용되기시작한것은 1979년미국의스리마일섬 (TMI) 원전사고이후부터이다. 하지만원자력사고의가능성이매우낮기때문에로봇개발에대한관심은그리크지않았고, 필요한기술들이많이부족해서제대로사고를막을수있는로봇이개발되지는못했다. 2011년일본후쿠시마원전사고가발생했을때미국군용로봇팩봇 (Packbot) 과일본재난대응로봇퀸스 (Quince) 등이투입되었다. 이들로봇은내부상황을알아내는데는도움을주었지만처리를완벽하게하지는못했다. 지금까지개발된로봇은사고상황에서인간만큼빠르게움직이지도, 큰힘을쓰지도못하기때문이다. 이후일본은다양한사고상황에대비한로봇들을개발해활용하고있다. 우리나라도유사한수준의로봇들을준비하고원자력사고를지원할수있는체제를마련해나가는중이다. 사람같이다양한능력을가진로봇을만드는일은아직먼미래의일일수도있다. 하지만최근세계최고의최첨단연구를지원하는미국의방위고등연구계획국 (DARPA) 이원자력사고를막을수있는로봇대회를열어기술개발을가속화하고있다. 이대회에참가하는로봇은사람처럼차를타고사고현장에들어가벽도뚫고, 밸브를열고, 호스를연결할뿐만아니라붕괴 우센기기들에문제가없는지점검하고보수하는데에도다양한로봇들이사용되고있어원자력시설이더욱안전한상태에서사용될수있도록하고있다. 미래의원자력시설은지금보다더욱작아지고복잡한형태를띨것이라예상된다. 따라서이런시설을점검하고보수하는원자력로봇도이에맞추어초소형화, 다기능화되어야한다. 잔해물을지나사다리도올라가는과정을모두통과해야한다. 2013년에예선을치렀지만실제사고를막아내기에는많이부족했다. 2015 년결선을위해세계각국에서많은로봇들이개발되고있다. 이대회를통과하는로봇들이나오고그기술을점차개량해나간다면로봇은원자력을더욱안전하게사용할수있도록도움을줄수있을것이다. 166 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 7 원자력의생명은안전 167

06 원자력, 사이버테러를막아라! 위협에직면하게된것이다. 이런점에대비해국내관련기관에서는원자력계측제어시스템을인터넷망과차단해외부해커의공격가능성을제거했다. 이로써원자력발전소가사이버테러로부터안전할것으로여겼다. 그러나 2010년이란가속기시설과중국의주요산업시설에서발견된스턱스넷 (Stuxnet) 웜바이러스를비롯해최근유럽, 인도, 수단등에서발견된듀큐 (Duqu) 와같은지능형지속위협 (APT, Advanced Persistent Threats) 공격에계측제어시스템설비가여전히취약한것으로판명되었다. 원자력발전소는계측, 제어및보호, 감시기능을담당하는계측제어시스템설비를이용해안전하게운전되고있다. 이러한계측제어시스템설비는 2000년대로접어들면서아날로그기술에서컴퓨터와데이터통신망을사용하는디지털기술로전환되어안전성과운전성을높여왔다. 하지만기술의발전에는항상동전의양면과같은장단점이있기마련이다. 디지털기술의사용으로인해원자력발전소는사이버테러라는새로운 이러한사건들미루어 2007년도에상영된영화 < 다이하드 4> 에서나타난국가기반시설에대한테러리스트의체계적공격방법인파이어세일 (Fire sale) 의시나리오가현실이될가능성이있음을짐작할수있다. 사이버위협은지속적으로일어난다는특징이있다. 지금이순간에도유럽지역과미국에너지기관의스파이활동을목표로개발된드래곤플라이 (Dragonfly) 와같은악성코드가끊임없이발견되고있다. 이것들을분석한결과에의하면국가간분쟁이발생할경우통신, 언론, 우크라이나등 네덜란드, 독일벨기에, 프랑스오스트리아등 더알아보기 이란 인도, 네팔, 부탄 원자력시설사이버침해사례 2003년 8월 - 블래스터웜이미국북동부원전감염 2003년 9월 - 슬래머웜이미국 Davis-Besse 원전감염 2008년 6월 - 미국 Hatch 원전의제어시스템소프트웨어업데이트로인한가동중지 2010년 9월 - 최초의제어시스템공격사이버무기인스턱스넷 (Stuxnet) 이이란의우라늄원심분리기를파괴해가동중단 2011년 9월 - 인스턱스넷과유사한 MS-Word 제로데이취약점을이용하는정보수집목적의듀큐 (Duqu) 발견 - 인도및벨기에등에서듀큐악성소프트웨어인봇에감염된좀비시스템을제어하기위한 C&C(Command & Control) 서버발견 Symantec 수단등 악성소프트웨어듀큐 (Duqu) 감염국 베트남 168 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 7 원자력의생명은안전 169

사이버테러는사회적혼란을일으키는강력한공격수단이되었다. 금융, 전력등주요국가기반시설에대한사이버공격을통해사회적혼란을일으키는것이일반적인공격시나리오이다. 또한국가에대한테러수단으로사이버공격이가장강력한공격수단중하나로자리매김하고있다고한다. 최근미국의전력회 정부및원자력산업계는폐쇄형인터넷망을이용해원전계측제어시스템에악성코드가감염될가능성을미리제거하고, 악성코드에감염된경우, 그즉시탐지해서대응하는기술개발을준비하고있다. 또한한국원자력연구원은사이버보안성평가도구를개발하고, 사이버보안시험설비 (Test-bed) 를구축하고있다. 그뿐만이아니다. 국가보안기술연구소및미국아이다호국립연구소 (Idaho National Laboratory) 와공동연구를통해신종사이버공격에신속하고정확하게대비하기위한연구를수행하고있다. 원자력사이버보안의목표는최악의사이버공격이발생하더라도원자로를안전하게유지하는것이다. 이를위해원전설계, 건설, 운영의전과정에 사가사이버공격으로 3 주간전기공급을중단한사례를통해악의적목적 서사이버보안요소가반영되는지를지속적으로관리감독할것이다. 을가진집단으로부터국가주요기반시설, 특히원자력발전소를포함한전력인프라가안전하지않음이확인되었다. 원자력시설을보유하고있는국가대부분은이러한사이버공격에대응하기위한기술개발에힘쓰고있다. 국제원자력기구 (IAEA) 및각국의원자력규제기관에서는사이버보안규제가이드를제시하고있으며, 원자력시설운영기관에서는사이버보안프로그램을수립해체계적으로대응책을마련하고있다. 특히우리나라는북한, 중국, 러시아처럼고도화된대규모해커부대를보유하고있는주변국으로부터기반시설에대한사이버공격가능성이상대적으로매우높다. 따라서우리정부는 2010년원전사이버보안에대한안정성을확보하기위해장기적인연구개발전략을수립했다. 이에따라 2013년 방호방재법을통해원자력시설사이버보안에관한법을제정했다. 한국원자력연구원에서원전계측제어시스템의사이버보안을시험하기위한설비 170 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 7 원자력의생명은안전 171

원자력이야기 인류가반성해야할원전사고 1 : 스리마일섬원전사고 차이나신드롬 은원전의냉각이실패해핵연료가과열되어녹아내리는최악의사고를표현한말이다. 높은온도로원자로는물론주위의모든것을녹여버리는사고가미국에서발생하면이때방출된방사능이지구반대편에있는중국까지도달한다는가설이다. 차이나신드롬은 1979년에미국에서개봉된영화의제목이기도하다. 이영화가개봉된지불과몇주지나지않은 1979년 3월 28일미국펜실베니아주해리스버그에있는스리마일섬에서최초의중대한원전사고가발생했다. 이섬에위치한원전 2호기의냉각장치가파손되어원자로노심의핵연료가녹아내린것이다. 스리마일섬사고는 1986년체르노빌원전사고, 2011년일본후쿠시마원전사고와함께현재까지발생한세계 3대원전사고중의하나이다. 스리마일섬원전사고는원자로에중대한사고가발생해노심이녹아내리고방사성물질이외부로누출된사고로국제원자력사고등급 (INES, International Nuclear Event Scale) 체계에의한등급이 5 를기록했다. 이는시설외부로의위험사고에해당한다. 스리마일섬원전의원자로는가압경수로형인데, 증기발생기에물을공급하는시스템에이상이생겨사고가발생하게되었다. 이로인해 1차계통냉각수의온도가상승해압력이증가했으며, 원자로의운전이자동으로정지되었다. 하지만항상닫혀있어야하는밸브가닫히지않아 1차계통의냉각수가계속누출되었다. 원자로를냉각하는비상노심냉각장치가제대로작동했지만, 운전원이원자로에충분한냉각수가공급되고있는것으로오판해비상노심냉각장치까지차단하는실수가발생한것이다. 이후로도여러가지의방호시스템이제대로작동하지못하면서노심의약 1/3 이녹아내리는노심용융상태가발생했다. 방사성물질을포함한냉각재가원자로외부로누출되는상황까지사고가진행되었지만다행히빠른시간에운전원의조치가이루어졌다. 특히원자로의격납용기가파손되지않아방사성물질의외부누 스리마일섬원자력발전소 출양이매우미미해외부인명피해는발생하지않았다. 스리마일섬원전사고는원전의안전성에관한논란과반핵운동이크게확산되는계기를마련했다. 1980년대와 1990년대원자력산업의침체를야기하기도했다. 한편이사고를계기로핵연료가녹아내리는중대한사고에관한연구가활발하게수행되었다. 또한운전원이실수할수있다는가정하에공학적안전설비의개선이이뤄졌다. 이사고이후원전의안전성과신뢰성이전반적으로크게증가했다. 스리마일섬원전사고는차이나신드롬이발생할수없다는것을직접적으로보여준사고라할수있다. 172 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 7 원자력의생명은안전 173

원자력이야기 인류가반성해야할원전사고 2 : 후쿠시마원전사고 일본동부지역에서 2011년 3월 11일, 지진으로인해생긴지진해일 ( 쓰나미 ) 에후쿠시마원전의많은부분이물에잠기게되는사상초유의사고가발생했다. 발전소의안전장치를작동할때필요한중요한전기설비가물에잠겨작동되지않았다. 이에발전소는안전하게정지하지못했고, 원자로가파괴되어내부의방사능물질들이외부로누출된최악의사고가발생했다. 후쿠시마원전사고는자연재해의피해로원자로노심이녹아내리게되는중대사고가현실화된심각한사고이다. 원자로내부의핵연료가녹는과정에서발생되는수소가폭발해방사성물질의외부누출을막는장치의기능을잃어버리게되었고, 토양및해양이방사능물질로오염되는크나큰사고로이어지게되었다. 사고가발생한후의후쿠시마제1원전은여러모로최악의환경이었다. 하지만현장의작업자들이주어진환경에서사태의제어를위해헌신적인노력을기울였다. 그결과악화일로를걷던사고상황을수일내에전환시킬수있었던것으로평가된다. 따라서후쿠시마사고의가장핵심적인교훈은쓰나미이후대응과정의문제점이아니다. 그보다는적극적인안전성향상조치등의사전대비가부족했던것에서찾아야한다. 우리는원자력발전으로편리하게대량의전기를생산하고있다. 하지만후쿠시마원전사고에서볼수있듯이최고수준의원전안전성의확보는원자력이용의대전제가되어야한다. 우리나라도후쿠시마사고이후원자력시설의안전성을강화하기위해다양하고실질적인조치들을신속하게취해왔다. 그러나원자력발전의안전이충분 쓰나미에의한침수시후쿠시마제 1 원전의모습 히확보되고국민의강력한지지를받기위해서는후쿠시마사고의교훈을반영해실질적인안전성향상을위한조치들이취해져야한다. 원자력안전문화의정착은이를위한선결요건이라할수있다. 원자력의특성상원자로와원전을개발하고이용할때안전문제는초기부터최우선적인과제로고려되어왔다. 원자력은다른산업시설에비해절대적으로엄격한안전관리체계를유지하고있으며, 높은수준의안전성을보여온것도사실이다. 그러나더이상향상시킬필요가없을정도로높은안전수준이란없다. 우리의오랜원자력발전소운전경험을바탕으로다른원전의사고교훈및연구성과들을반영해안전성을지속적으로향상시켜야하겠다. ctepco 174 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 7 원자력의생명은안전 175

E a s y S c i e n c e S e r i e s CHAPTER 8 01 방사성폐기물관리 02 방사성물질미생물로없앤다! 03 원자로의수명은? 04 원자로의노후준비 05 폐로, 어떻게해야할까? 다쓴원자로와 폐기물처리 06 폐로사용의성공적사례 원자력이야기원자력과생활하는해외의사례

01 방사성폐기물관리 방사성폐기물의구분방사성폐기물은폐기물에서나오는방사선의세기에따라크게두가지로구분돼관리된다. 방사선이아주적게나오는것을중저준위폐기물이라고하고, 반대로방사선의세기가큰것을고준위폐기물이라고한다. 중저준위폐기물은좀더적합한방법으로안전하게관리하기위해중준위 저준위 극저준위 규제해제폐기물로다시구분한다. 중준위 저준위 극저준위 규제해제폐기물은원자력발전소를운전하거나수리하는사람들이일할때입거나사용한옷, 장갑, 덧신, 걸레등과발전소를운전하면서교체한부품들이대부분이다. 고준위폐기물은전기를 생산하기위해넣은핵연료를태우고난뒤꺼낸사용후핵연료가대부분을차지한다. 강한방사선을띠기때문에방사성폐기물중에서도가장조심스럽게다뤄진다. 방사성폐기물은안전한관리를위해방사선의세기와형태에따라다르게관리된다. 중저준위폐기물은어떠한형태이든지처분장으로보내기전에처분하기좋은형태로변형한다. 중저준위방사성폐기물의종류 방사성폐기물처분장그렇다면방사성폐기물은어떤방식으로관리할까. 중저준위폐기물은지표위나땅을얕게파서처분하는천층방식과암반이나지하동굴에방벽을세워폐기물을처분하는방식으로나눌수있다. 어떤방식으로처분할것인가는나라별지형에따라달라진다. 178 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 8 다쓴원자로와폐기물처리 179

프랑스, 영국, 미국, 일본은천층처분방식으로처분장을만들었고, 독일, 스웨덴등은동굴에처분하는방식을선택했다. 독일의콘라드처분장의경우폐쇄된철광산에세워졌고, 스웨덴포스마크처분장은해저동굴에위치한다. 우리나라는 2014년말경주에중저준위방사성폐기물처분장을완공했다. 최종처분용량은 80만드럼이며, 1단계시설은 6개의지하콘크리트사일로에 10만드럼의폐기물을처분하게된다. 이시설은해안가근처에해수면을기준으로지하 80~130미터깊이에건설되었다. 2단계시설은땅위에천층처분하는방식으로건설될예정이다. 이뿐만아니라언젠가고준위폐기물을처분할것에대비해한국원자력연구원내에지하 500미터깊이의화강암반에동굴을뚫고한국의지질조건 에맞는처분기술을개발하기위한연구를수행하고있다. 지하처분연구시 한국원자력연구원내지하처분연구시설 (KURT) 설 (KURT) 로이름붙여진이시설에서는지하암반내균열발달상태를밝히고, 지하수의흐름에대한연구를진행한다. 고준위방사성폐기물처분기술이실제처분장에적용되었을때의성능을확인하기위한다양한현장실험을실시하고있다. 이시설에서이루어지는모든연구활동은국민들에게개방되고있으며, 매년 1500명이상이방문해안전한처분기술개발현장을직접체험하고있다. 경주중저준위방사성폐기물처분장전경 180 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 8 다쓴원자로와폐기물처리 181

02 방사성물질미생물로없앤다! 우라늄뿐만아니라다른방사성핵종들도비슷한특성이있어땅속지하 에생존하는미생물을잘활용하면방사능물질들을고형화해정화하거나 오염확산을예방할수있다. 미세조류를이용한방사성물질제거연구 최근에는강이나호수, 해수에사는마이크로미터 (μm) 크기의 미세조류 박테리아를이용한방사성물질제거연구지하깊은곳에사는미생물중에는산화금속을환원시킬수있는일명 금속환원박테리아 가있다. 이들은대사과정을통해산화철 (Fe 3+ ), 산화망간 (Mn 4+ ) 등의산화금속원소들을환원철 (Fe 2+ ) 이나환원망간 (Mn 2+ ) 으로환원시킬뿐만아니라다양한부수광물들을생성시킨다. 이러한생물학적대사과정은방사성물질을변환시키거나제거하는데요긴하게사용될수있다. 방사성물질확산방지가중요한이유는생태계로유출된방사성물질이 를이용한방사성물질제거연구가한창이다. 미세조류가광합성을하면서물속의이산화탄소를빠르게흡수하는데, 그과정에서물속의탄산 (CO 2-3 ) 과방사성스트론튬 (Sr 2+ ) 간의활발한결합이일어나 스트론티어나이트 (SrCO 3 ) 라는탄산광물이생성된다는사실이새롭게밝혀졌다. 이를이용하면생태계로널리확산되는방사성스트론튬을손쉽게한곳으로모아처리하는게가능하게된다. 앞으로방사성물질의확산방지와제거연구분야에서미생물과미세조류등을활용하는생물공학적기술의활약이더욱더기대된다. 결국인간에게되돌아오기때문이다. 또한방사성물질들은대체로반감기 가수년에서수십만년이넘는경우도있어서제대로관리하지않으면오랜 기간나쁜영향을미칠수있다. 미생물 광물생성 방사성스트론튬생광물화과정 하지만 금속환원미생물 의대사작용을이용하면 산화우라늄 (U 6+ ) 을 환원우라늄 (U 4+ ) 으로바꿀수있다. 다행히환원우라늄은물에거의용해되지 미세조류 CO2 O2 않고고체의광물형태로존재하려는특성이있어서방사능제거및확산 미생물 방지측면에서매우유리하다. 소금이물에용해되었을때는소금을별도로 분리해내기가어렵지만소금이침전되면관리하기가무척쉬운것과같은 원리다. 미생물에의한광물생성이미지 ( 왼쪽 ), 미세조류에의한방사성스트론튬제거과정모습 ( 오른쪽 ) 182 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 8 다쓴원자로와폐기물처리 183

03 원자로의수명은? 선돼원자로의수명은 60년정도로연장되고있다. 한편격납구조물의수명은 150년정도로훨씬길다. 미국, 독일등에서는압력용기를교환해수리한실적이있기때문에모든원자로의수명이압력용기에의해결정된다고할수는없다. 하지만대부분의경우원자로의수명은압력용기의수명에의해서결정되고, 폐로의시기도정해진다고생각할수있다. 전세계에서가장오래된원자로는 45년째가동중인스위스의베즈나 1970년대초오일쇼크이래세계적으로원자력이석유의대체에너지원으로부각되면서많은수의원자력발전소가건설되었다. 초기에건설된원자력발전소중일부는이제설계수명이다해정지되거나해체에들어갔다. 원자로의정지와해체는기술적인결함으로인한안전설계상의기준에만족하지못하거나경제적타당성이없는경우결정된다. 그러나안전성확보를위해서기술적인수명이충분히남아있는시점에서원자로의퇴역을 우원자력발전소이다. 베즈나우원자력발전소는미국웨스팅하우스 ( 사 ) 에서도입해 1969년 8월에건설되었다. 2회 (1990년, 2011년 ) 에걸쳐주요기기를수리해현재까지운영되고있다. 베즈나우원자력발전소의가장큰특징은발전소에서터빈을돌리고남은열을활용해주변 11개마을 1만 5000명의주민들에게연간 150GWh의열을난방용으로공급한다는점이다. 기존에 30~40년으로바라봤던원전수명도 20~30년가량늘어나게되었다. 결정하게된다. 원자력발전소의원자로압력용기, 증기발생기등기계설비는방사선이외부환경으로방출되지못하도록방호하는격납구조물내부에설치되어있고, 쉽게교체할수없다. 하지만그외터빈, 복수기, 밸브, 펌프, 필터등의부품들은교환및수리가쉬운편이다. 1960~1970년대건설된원자력발전소의설계수명은 30~40년정도이다. 원자력발전소의수명은국가규제기관의인허가를받아결정하게되며추 가수명연장으로인허가를갱신할수도있다. 최근에는소재및품질관리기 술이발달함에따라, 압력용기의경년열화 (aging, 운전시간경과에따라원전설 c2006 CAD professional 비의구조적건전성및성능의저하를초래하는물리적또는화학적과정 ) 현상이개스위스베즈나우원자력발전소는세계에서가장오래된원자력발전소이다. 184 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 8 다쓴원자로와폐기물처리 185

04 원자로의노후준비 현재 50개의핵연료주기시설, 200여기의연구로가가동중지되어해체대기상태에있다. 전체해체시장규모는 2030년까지약 500조원, 2050년까지는약 1,000 조원에이를것으로전망된다. 국내의경우현재까지영구정지한원전은없으며, 2030년대에영구정지가집중될것으로예상된다. 미국, 영국, 독일등의해체선진국들은다양한원자력시설해체경험을보유하고있으며, 기술기반을구축한상태이다. 이와함께기술의안전성, 효율성및친환경성등을강화하기위해지속적인 원자력산업에서 해체 란수명을다했거나효용가치를상실한원자력시설의안전한해체를통해서인간과주변환경을보호하는모든기술적, 관리적행위이다. 해체방식에는시설의운전정지후즉시해체하는방식과시설의운전정지후일정기간안전관리후해체하는지연해체방식, 그리고원자력시설을콘크리트와같은안정한구조체로밀봉하는영구밀봉방식이있다. 전세계원전 585기중 434기는운전중이며, 149기는영구정지된상태이다. 영구정지된원전중 19기 ( 미국 15기, 독일 3기, 일본 1기 ) 는이미해체 기술고도화를추진하고있다. 국내의경우연구로 1, 2호기및우라늄변환시설의해체경험을통해소규모의저방사능시설에대한해체기술은확보한상태이나, 원전과같은대규모의고방사능시설에대한해체기술은부족한실정이다. 향후국내원전의해체를대비하기위해서국내의확보된해체경험과기술력을바탕으로중 장기적기술개발계획을수립해원전해체핵심기술을개발하고, 이를바탕으로공학규모의실증시험으로 2020년대중반이후에는원전해체상용기술을확보할계획이다. 가완료되었고, 나머지 130 기는해체중이거나해체할예정이다. 현재가동 중인원전도 2030~2040 년대에집중적으로정지할것으로예상된다. 또한 해외의원전해체현황 (IAEA, 2014년 5월기준 ) 국가 미국 영국 독일 프랑스 일본 기타 합계 영구정지 32 29 27 12 11 38 149 연구용원자력시설해체기술개발및실증 1998 고방사능시설해체기술개발 2011 완전해체핵심기반기술개발 2016 해체핵심기술개발및실증 해체상용화기술확보및실용화 2021 2030 해체완료 15-3 - 1-19 해체예정 17 29 24 12 10 38 130 국내원전해체기술의개발추진현황 186 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 8 다쓴원자로와폐기물처리 187

05 폐로, 어떻게해야할까? 부지재이용 폐기물재활용 Recyclable Waste D. 환경복원 원자력발전소 해체전략 계획수립 A. 제염 원자력시설을해체할때에는원자력이용시설의운영종료후해당부지를안전하게개방하기위한모든활용을지원하는종합기술이필요하다. 해체기술은해체계획수립시에요구되는기술 ( 준비기술 ), 오염된설비들로부터방사성물질만을안전하게제거하기위한기술 ( 제염기술 ), 고방사능설비들을원격으로절단해취급할수있는기술 ( 절단철거기술 ), 해체과정에서발생하는다양한폐기물을안전하게처리할수있는기술 ( 폐기물처 고방사능시설 폐로기술의구성 시설재이용 B. 절단 철거 C. 폐기물처리 처분 리기술 ), 오염된시설및부지를원래의상태로되돌리는기술 ( 환경복원기술 ) 등으로구분할수있다. 그러나이러한세부기술분야는안전하고효율적으로해체를수행하기위해상호유기적으로연관되어있다. 해체준비를위해필요한기술은해체작업의안전성과효율성을확보하고, 최적의해체시나리오를수립하기위한시설및부지특성평가, 해체엔지니어링, 환경영향평가, 인허가등을포함한다. 이러한해체준비기술은다양한분야의기술이요구된다. 해체시에필요한각각의단위기술에서도출된정보를활용해해체계획을수립한다. 염은시설의종류와적용대상의오염특성에따라다양한기술이필요하다. 원자력시설을해체할때에는운전기간보다많은폐기물이일시에발생한다. 대부분이극저준위폐기물이지만중준위방사성폐기물까지다양한형태로발생할수있다. 환경복원은원자력시설이용의최종단계로서해체가완료된부지를최종개방하거나오염된부지를원래의깨끗한자연환경으로되돌리기위한모든활동이다. 환경복원은남아있는방사성물질을제거하고최종적으로잔류방사능을측정하고평가해시설및부지를원래의상태로되돌리게된다. 원자력시설의해체시에는일차적으로작업자의피폭을낮추고, 발생된 방사성폐기물의양을줄이거나취급을쉽게하기위해제염을수행한다. 제 188 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 8 다쓴원자로와폐기물처리 189

06 폐로사용의성공적사례 녹지와산업시설이나제한적사용이가능한원자력관련시설의형태로재활용된다. 원자력시설해체후부지의재이용방법은국가별로다르지만대체로해체전략, 해체의최종목표, 부지의특성및주민의의견을반영해결정된다. 미국의쉬핑포트 (Shipping Port) 와메인양키 (Maine Yankee) 원전은해체완료후부지를개방해녹지공원으로재활용하고있다. 포트세인트브레인 (Fort St. Vrain) 원전은해체완료후시설을개조해화력발전소로활용하고 원자력시설해체의최종목표는건물과부지를향후활용할수있을정도로적합한상태로처리하는데있다. 원자력시설의해체완료단계에서는건물과부지를재활용하기위해부지개방기준을수립한다. 이기준을초과하는오염물질을제거하고부지와건물의최종현황조사를수행해서안전성이입증된이후에만부지를개방한다. 해체후부지와건물의재이용은사용목적에따라무제한적개방을위한 있다. 또한단일규모로세계최대의원전해체시설인독일의그라이프스발트 (Gerifswald) 원전은해체를완료해바이오디젤생산시설과해체폐기물저장시설등으로활용하고있다. 일본의경우상용원전은운전종료후즉시해체방식을채택하고있고, 해체후부지는제한적이용이목적인신규원전부지로활용하는것을원칙으로한다. 국내의경우서울공릉동에위치한연구로 2호기는 2001년부터해체를시작해 2009년해체를완료했고, 연구로 1호기는 2011년해체사업이시작 되어 2015년해체를완료할예정이다. 해체종료후부지는일반시설로재이용할계획이며, 연구로 1호기는기념관으로탈바꿈될것이다. 또한한국원자력연구원내우라늄변환시설의경우 2004년부터해체를시작해 2011년도부지의최종개방이가능한해체가완료되었다. 건물내부는리모델링해파이로일관공정시험시설로재이용하고있다. 미국메인양키 (Maine Yankee) 원전 ( 왼쪽 ) 은해체후녹지공원 ( 오른쪽 ) 으로재활용되고있다. 190 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 8 다쓴원자로와폐기물처리 191

원자력이야기 원자력과생활하는해외의사례 프랑스를생각하면무엇이가장먼저떠오를까? 에펠탑, 센강, 샹송, 루브르박물관등각자떠올리는게다르겠지만이제부터는원자력발전을떠올려도좋을것이다. 프랑스는원자력발전소의수가미국다음으로많고, 원자력으로만들어내는전기의양도미국다음으로많다. 하지만전력생산에서원자력이차지하는비중을따지면프랑스가단연 1위라할수있다. 국가에서생산되는전력의 74.79% 가원자력발전으로생산되기때문이다. 프랑스는 1973년에일어난세계석유파동을계기로원자력에너지개발을가속했다. 그리고현재는남는에너지를해외에수출까지하는성과를거뒀다. 프랑스는석유파동때배운경험을바탕으로에너지독립을위해애써왔다. 특히우라늄을통한에너지창출로석유의존도를낮출수있었다. 프랑스원전의특징은똑같은기술을적용한발전소를운영한다는것이다. 모두가압경수로로표준화해원전에대한전문성을높였다. 이렇듯같은형태의원전을운영하면한원전에서발생한문제를수정했을때다른원전에도적용이가능하다는장점이있다. 현재프랑스는 19개의장소에총 58기의원전을가동하고있다. 프랑스가이처럼원자력강국이된데에는원자력에대한국민들의깊은이해와안전에대한믿음이있기때문이다. 프랑스는원전에서일어나는모든상황을공식적으로진행하고투명하게공개해서주민들의신뢰도를높였다. 이뿐만아니라정보를공유하는커뮤니티위원회를운영하고, 발전소에근무하는 1000명의직원가족이마을에거주함으로써원전의안전성을직접보여주도록 센강상류에위치해있는프랑스원자력발전소 했다. 심지어프랑스의원전은강가와내륙, 심지어수도파리근교에까지위치해있다. 파리시민들의상수원역할을하는센강상류에도원자력발전소가들어서있다. 원자력발전소에서열을식힌뒤배출한물을파리시민이마실물로사용하면서도문제가되지않는다. 이는프랑스가국민들에게원자력에대한신뢰를높이기위해노력한결과이다. 192 이지사이언스시리즈 원자력 CHAPTER 8 다쓴원자로와폐기물처리 193