차시명: 5주차 제2강

주제: 광물과 암석 7부 - 원자력 에너지와 환경

동기 유발: 전세계적으로 화석에너지가 주력 에너지원인 시대입니다. 하지만, 무연탄을 제외하고는 화석 연료 자원이 거의 없는 우리 나라는 그동안 정책적으로 원자력 에너지에 많은 투자를 하며 그 비중을 늘려왔습니다.  원자력 에너지는 청정 에너지이고 상대적으로 저렴하다고 주장하였습니다. 하지만, 새 정부가 들어서며 이러한 정책에 제동이 걸렸습니다. 무엇이 문제일까요?  원자력 에너지를 이용하기 위해 무엇이 필요하며, 어ᄄᅠᆫ 환경적 문제가 있는지 알아보고, 대표적인 원전 사고 사례를 통해 교훈을 얻어봅시다.

학습 목표: 원자력 에너지의 이용을 위한 준비와 사후 처리, 그리고 그로 인한 환경 문제를 이해하자

강의 타이틀: 2-6-5 원자력

[slide #1]

안녕하십니까?  이번 시간에는 원자력 에너지와 환경에 대해 얘기해 보겠습니다.  원자력 에너지는 다른 말로 핵 에너지라고도 하는데요, 우리 나라에서 주력 에너지 원으로 성장시키고자 하였던 에너지입니다.

(파이다이아그램 다시 그리기: 설명에 해당하는 에너지 조각 확대후 원위치)

이 그래프는 2015년 우리나라 주요 에너지별 소비 비중을 나타낸 것입니다.  가장 비중이 높은 것은 원유(석유)로 전체의 41%를 차지합니다. 다음으로 석탄이 31%, 천연가스가 14%를 차지합니다. 이 들 셋 즉 석유, 석탄, 그리고 천연 가스를 합쳐 화석연료라고 하는데요, 이 화석 연료 비중이 전체 에너지 소비의 86%를 차지합니다. 그야말로 화석 연료가 압도적인 에너지원임을 알 수 있습니다.  이 화석 연료 다음의 비중을 차지하는 에너지원이 바로 원자력입니다.  2015년에 원자력의 비중이 13%였는데, 지금과 크게 차이 나지 않을 것입니다.  이 원자력의 비중을 훨씬 크게 높이는 것이 과거 우리나라 에너지 수급 정책이었습니다.  참고로 요즈음 친환경적인 에너지로 한참 관심을 끌고 있는 신재생에너지는 전체의 1%도 미치지 못합니다

[slide #2]

이 그림은 우리나라 원자력 발전소의 위치와 발전 용량을 정리한 것입니다.

[slide #3]

이 사진은 우리나라 고리 원자력 발전소의 전경 사진입니다. 왼쪽부터 1, 2, 3, 4호기입니다.

[slide #4]

원자력은 핵에너지로부터 얻는 힘인데, 이를 이용하여 열을 얻고 이 열을 이용하여 전기를 얻는데 사용됩니다.  핵 에너지는 다양한 핵반응으로부터 얻을 수 있지만, 요즈음 대부분의 원자력은 핵 분열(nuclear fission)로 인한 핵에너지로부터 얻습니다.

이 그림은 235U의 핵 분열을 모식적으로 나타낸 것입니다. 중성자가 235U에 흡수되면 흥분상태의 236U이 만들어지고 이 236U은 더 작은 두 개의 핵으로 쪼개지며 3개의 중성자와 방사선을 방출합니다. 이 때 방출된 중성자는 다른 우라늄을 때려 같은 방식으로 분열하도록 하고, 또 그 다음, 그 다음 우라늄이 계속 분열되도록 연쇄 반응을 일으킵니다. (연쇄 반응 애니메이션??)

원자력 발전은 이 연쇄 반응이 서서히 일어나도록 조절해서 방출되는 에너지를 이용하여 전기 발전을 하는 것입니다.  만일 이 연쇄 반응을 조절하지 않고 가능한 한 빠른 시간에 많이 일으켜 에너지의 방출을 폭발적으로 일으키면 핵무기가 됩니다

[slide #5]

핵분열 반응이 조절될 수 있도록 우라늄이나 플루토늄과 같은 핵분열 가능 원소를 다양한 방법으로 제조하는데 이를 핵연료라고 합니다. 이 핵연료를 반응 시켜 에너지를 얻는 장치를 반응로 또는 원자로라고 하며, 반응로 또한 사용되는 조절재, 냉각재 및 연료에 따라, 에너지 방출 방식에 따라, 그리고 사용 목적에 따라 다양한 유형으로 구분됩니다.

이 사진은 North Carolina 주립 대학의 연구용 반응로 Pulstar의 모습입니다.

[slide #6]

(설명에 따라 해당 부분 확대)

원자력 발전을 위해서는 우라늄 원광을  채취해서 핵연료를 제작하여야 합니다. 제작해서 처음으로 반응로에 사용되는 연료를 “새 핵연료”라 합니다. 핵연료는 반응로에서 사용되어 에너지를 냅니다. 핵연료가 사용되고 나면 “사용 후 핵연료”가 됩니다.  사용 후 핵연료는 보통 재처리 과정을 거칩니다. 이 과정을 통해 남아 있는 우라늄과 플루토늄을 추출해서 다시 핵연료 제조 및 기타 목적으로 사용되고, 그 나머지는 폐기합니다.

폐기물은 연료 싸이클 각 과정에서 모두 나옵니다.  우라늄 채광 후 선광할 때는 선광 찌꺼기가 나오게 되고, 반응로를 가동하는 중에는 가스 및 액상 방사능 폐기물, 저준위 폐기물 그리고 사용후 연료 폐기물, 재처리 시설에선 재처리 폐기물이 발생합니다. 이들 폐기물은 모두 적절한 절차에 따라 처분하여야 합니다. 폐기물 처분에 대해서는 잠시 후 다시 살펴보도록 하겠습니다.

[slide #7]

(설명에 해당하는 부분 굵게)

핵연료 사용되는 우라늄은 235U입니다.  지각 내 우라늄은 2-4 ppm 정도, 토양에서는 0.7 내지 11 ppm, 해수에는 3 ppb 정도 함유되어 있습니다. 그런데 이 우라늄의 약 99.3% 정도가 238U이고 0.7% 정도만이 235U입니다. 우라늄을 채취하여 연료로 사용하기 위해서는 우라늄이 충분히 농집되어 있는 광상이 필요합니다.

[slide #8]

우라늄 광상은 전세계에 걸쳐 있으며, 퇴적, 열수변질, 병성 광상 등 매우 다양한 유형의 광상이 보고되었습니다. 우라늄 광석은 그 종류가 매우 많습니다. 여기 표에는 주요 우라늄 광석 광물들을 정리하였습니다. 여기에서 일차 광물이란 직접 우라늄 광물로 만들어진 것들을 말하고, 이차 광물이란 일차 광물이 풍화 및 산화되어 만들어진 광물들을 말합니다.  여기에 나열된 광물들을 한번씩 살펴보고, 관련 이미지도 찾아보시기 바랍니다.

원자력 발전 시설에서 사용하는 핵연료와 그곳으로부터의 폐기물들은 모두 방사능 물질이므로 어떤 누출도 일어나지 않도록 조심하여야 합니다. 그래서 원저력 발전 시설은 지질학적으로 안정한 곳에 건설하고, 혹시라도 있을 사고에 대비해 2중 3중의 안전 장치를 합니다.  하지만,  어쩔 수 없는 자연 재해나 사고로 누출이 발생하는 경우가 생기는데, 이렇게 되면 해당 지역에 치명적 피해를 줄 뿐만 아니라 그 이웃, 그리고 상당히 멀리 떨어진 지역까지 오염시켜 오랫 동안 상당한 피해를 입히게 됩니다.

그 동안 크고 작은 원자력 발전 시설 누출 사고가 여러 건 있었는데, 그 중 매우 심각했던 두 개의 사고를 소개해 볼까 합니다.

[slide #9]

첫 번째는 체르노빌 사고입니다.  체르노빌 사고는 1986년 4월 26일 토요일, 벨라루스 국경 근처 Pripyat시 부근의 체르노빌 원라력 발전소에서 발생하였습니다. 이 사고는 체르노빌 4번 원자로의 시스템을 점검하면서 시작되었는데, 갑작스런 전력 과부하에 비상 차단 작동을 시도하던 찰나 매우 커다란 스파크가 발생하며 원자로가 파열되면서 연속적인 증기 폭발이 시작되었습니다.  이 체르노빌 사고는 국제 핵 사건 규모 중 최고의 레벨인 7레벨 사고였습니다.  역사상 지금까지 딱 두 개의 7레벨 사고가 있었는데, 체르노빌 이외에 다른 하나는 바로 조금 있다 설명드릴 후쿠시마 다이치 원전 사고입니다. 직접적으로 이 사고에 의해 사망한 사람은 소방관을 포함해 총 31명입니다. 그러나, 이 사고에 때문에 일어난 방사능 누출로 인한 암이나 기형과 같은 장기적 영향은 아직 진행 중입니다.

체르노빌 사고 이틀 후 약 1500km 떨어진 스웨덴의 핵시설에서 방사선량이 증가한 것을 감지하였습니다. 이번 사고로 북반구의 약 30억명 정도가 방사선의 영향을 받았으며, 이 때 유럽 사람들에게 노출된 방사능 양은 자연에서 일년간 쬘 양과 같았다고 합니다.  사고 직후 반경 30 km내의 115,000명이 대피하였고, 약 24,000명은 그 피폭된 방사능 양이 자연적으로 노출되는 연 평균 피폭량의 수 백배에 달하였습니다. 사고 이후 주변국가에서는 갑상선암 발병이 급격이 높아지는 등 큰 피해가 지금까지 보고되고 있습니다. 방사능 물질은 토양, 식생, 강, 지하수 등을 오염시켜 생태계에도 큰 재해가 되었습니다. 체르노빌에는 원자로 4기가 있었는데 서방세계의 원조와 압력으로 14년이 흐른 2000년 12월에 비로소 모든 원자로가 폐쇄되었습니다.

[slide #10]

여기 왼쪽 사진은 체르노빌 사고가 일어났을 당시의 항공 사진입니다. 오른쪽 사진은 사고가 난 이후의 사진입니다.

[slide #11]

우크라이나의 체르노빌 박물관에 전시 돼 있는 두 골반체를 가진 새끼 돼지 (골반이 두 개라 뒷 다리가 4개) 모습입니다.  아마도 방사선 때문에 이런 기형 돼지가 태어났다고 생각됩니다.

[slide #12]

두 번째로 살펴볼 원전 사고는 또 다른 7레벨 서고인 후쿠시마 다이치 원전 사고입니다. 이 원전 사고는 2011년 3월 11일 6개의 원자로가 붕괴되면서 발생하였습니다. 이렇게 원자로가 붕괴된 원인은 바로 앞바다에서 도호쿠 지진이 일어나고 그로 인해 발생한 쯔나미(대형 해일)가 원전을 덮쳤기 때문입니다.  원전 측은 여러 안전 장치를 갖춘 설계로 원자로의 안전성을 자랑하였으나, 쯔나미에 의해 냉각 장치들이 물에 잠겨 작동을 못하면서 반응로가 폭발하는 최악의 참사를 당하였습니다.  이 사고 다음날부터 방사능 누출이 시작되었습니다.  누출량은 체르노빌 사고 당시의 것에 비해 10-30% 밖에 되지 않았지만, 이 사고로 약 30만명이 대피 하였습니다. 이 사고로 약 30만명의 주민이 대피하였으며, 지진과 해일에 의해 18,500 명 정도의 주민이 사망하였습니다.  하지만 아직까지 방사능 누출로 인한 사망자는 정확히 집계되지 않고 있습니다. 사고 후 2013년 8월까지 여러 가지 악조건(주거 조건 악화 및 병원 폐쇄) 때문에 1600여명이 추가로 사망하였다고 합니다.

[slide #13]

이 것은 후쿠시마 다이치 원전의 반응로가 녹아 화재가 발생한 모습을 보여주는 사집입니다.

[slide #14]

후쿠시마 다이치 원전의 화재를 소방선들이 진압하는 장면입니다

이상의 원전 사고를 살펴보면, 사소한 결함에 의해서도 재앙과 같은 원전 사고가 일어날 수 있으며, 인간이 아무리 안전 장치를 하고 조심한다고 해도 자연 재해에 같은 압도적 현상 앞에선 원전 파괴 및 방사능 누출이 피할 수 없는 일이 된다는 것을 보여줍니다.

위와 같은 사고 결과로 생기는 누출이 아니더라도 원자력 설비를 이용하는 한 방사능 물질의 누출 가능성은 항상 상존합니다.  특히 폐기물을 제대로 처분하지 못할 경우 방사능 물질의 누출 가능성은 매우 높아집니다.

[slide #15]

(설명 해당 부분 진하게)

방사능 폐기물은 광산에서의 선광 찌꺼기와 원자력 시설에서의 저준위, 중준위, 고준위 폐기물로 나누어 볼 수 있습니다.

선광찌꺼기는 채취한 광석을 빻아 우라늄 광물을 좀 더 농집시키는 과정에서 발생하는 찌꺼기인데, 방사능 물질의 함량이 매우 낮습니다.  하지만, 기타 중금속 함량이 높을 수 있으므로 여타 다른 중금속 광산 폐기물의 처분 절차에 따라 처분하는 것이 필요합니다.

저준위 폐기물은 원자력 관련 시설에서 사용하던 물품들, 즉 종이, 장갑, 의복, 공구, 필기구 등으로 방사능이 거의 없으며, 혹시 있어도 매우 수명이 짧은 방사능 물질이 아주 조금 있을뿐입니다.

중준위 폐기물은 보통 수준의 방사능을 가지며 식힐 필요는 없지만 밀봉은 해야 하는 폐기물들입니다. 방사늘 물질 처리에 사용한 이온 교환수지, 화학처리 찌꺼기, 연료 피복 금속 등이 여기에 속합니다.

고준위 폐기물은 방사능 수준이 매우 높은 폐기물입니다.  반응로에서 직접 나온 폐기물로 주로 사용 후 연료봉이 여기에 해당됩니다.  고준위 폐기물은 일정 시간 동안 식혀야 하고, 일련의 밀봉 처리 과정을 거쳐 폐기 되어야 합니다.

[slide #16]

그 동안 매우 많은 방사능 폐기물의 처분 방법이 제안 되었습니다.  예를 들면, 지상 처분, 지중 처분 다른 말로는 지질학적 처분,  우주 처분, 시추공 처분, 섭입대 처분, 해양 처분, 빙상 처분 등입니다.  이 중 지상 처분, 지중 처분, 해양 처분, 시추공 처분 등은 실제로 시행되었지만 지중 처분을 제외하고는 국제 사회로부터 금지되거나 그 실효성 때문에 폐기되었습니다.

요즈음 가장 흔히 시행하는 처분은 중저준위 폐기물은 천부 지중 처분, 고준위 폐기물은 심부 지중 처분입니다.

우리나라는 폐기물 관리에 관한 배부분의 것을 방사성 폐기물 관리법과 그 시행령에 따라 정하고 있습니다. 방사능 폐기물에 대한 좀 더 자세히 아시고 싶으면 이 법을 자세히 읽어보시는 것도 좋은 방법이며 그 외,  한국수력원자력, 원자력연구소, 원자력환경공단 홈페이지를 방문해 관련 정보를 열람하는 것도 추천합니다.

지금까지 원자력의 이용과 그에 따른 환경 문제에 대해 알아보았습니다.  다음 시간에는 지구의 내부 에너지에 대해 배워보겠습니다.

안녕히 계십시오.

[끝]

심화 토론

1. 우리 나라의 방사능(핵) 폐기물 누적과 처분 현황에 대해 조사하고, 현시점에서 무엇이 시급하고, 장기적으로는 어떤 대책이 필요한지를 토론하자.

2. 원자력 발전소 건설과 폐기물 처분장의 건설에 있어 가장 중요하게 고려되어야 하는 지질 조건에 대해 토론하자. 우리나라에 그러한 조건을 충족하는 지역이 있는가?