원자력 발전 역사와 활용

원자력은 원자의 핵붕괴 또는 원자핵의 질량 변화에 의해 방출되는 에너지를 동력자원으로 활용하는 경우를 말하며, 일반적으로 핵분열과 핵융합 과정을 통해 에너지를 생산하는 방식으로 사용하고 있습니다.

 

 

1. 원자력 역사

 

원자력은 X선의 발견으로 시작하였습니다. 1895년 독일 과학자 뢴트겐은 진공관을 이용한 실험 중 우연히 X선을 발견함으로써 처음으로 방사선의 존재에 대하여 확인하였습니다. 당시 미지의 광선이라 생각하여 X선이라는 이름이 붙게 되었으며, 이후 1896년 프랑스 과학자 베크렐이 우라늄광석을 관찰하던 중 광석에서 X선과 비슷한 광선이 방출되는 것을 발견하였습니다. 이로 인하여 새로운 광선은 베크렐선으로 불렸으며, 1898년 프랑스의 퀴리 부부가 우라늄 외에도 다른 광물들이 베크렐 선 같은 광선을 내는 것을 발견하고 이들 광물의 광선을 방출되는 현상을 확인하고 방사능이라고 명명하였습니다.

 

1930년 독일의 보테와 베커가 알파선을 베릴륨이나 봉소에 충돌시키면서 강한 투과력을 가지는 입자가 방출되는 것을 실험하였으며, 이 입자는 1932년 영국의 채드웍이 전하를 띄지 않는 중성입자임을 실험하여 증명하고 중성자라 명명하였습니다. 이후 과학자들은 중성자를 핵에 충돌시키는 다양한 실험들을 수행하게 되었습니다. 이에 독일의 프리츄 슈트라스만과 오토한은 1938년 중성자를 우라늄에 충돌 시키면 우라늄보다 가벼운 원소 2개를 만들어지고 그 과정에서 막대한 양의 에너지가 방출됨을 관측하였습니다. 이 현상으로 영국의 프리슈와 스웨덴의 마이트너는 중성자에 의한 우라늄이 쪼개지는 현상을 핵분열 현상이라고 말했습니다. 핵분열을 통해 엄청난 에너지가 방출됨을 알게 되자 원자력을 무기로 활용하려는 계획이 각국에서 추진되었고 제일 먼저 독일은 1939년에 향후 전쟁에서 사용할 핵무기를 제작하기 위하여 프로젝트에 착수하였고 제2차 세계대전에 발발하여 대부분의 과학자들이 징집되면서 프로젝트는 사실상 중지되었고 미국에서만 물리학자 닐이 핵실험에 대한 연구를 활발하게 진행하였습니다. 

 

2. 원자핵 생성의 3가지 유형

 

핵에너지 생성의 3가지 유형인 핵분열, 핵융합, 방사성 붕괴 중에서 현재 원자력발전에 이용되는 것은 핵분열 방식입니다.

 

첫 번째, 일반적으로 핵분열은 조각을 생성하여 불안정하기 때문에 방사선을 방출하면서 차례로 붕괴되면 일정한 붕괴계열을 거쳐 마침내는 안정핵종으로 변형 됩니다. 이들 핵조각 및 붕괴과정에서 생긴 핵종을 핵분열 생성물이라 합니다. 핵분열로 생긴 중성자를 이용하여 어느 세대의 처음에 있었던 중성자수에 대하여 그 세대의 마지막에 있는 중성자 수의 비, 즉 증배계수가 1이 되는 임계상태를 지속적으로 유지할 수 있도록 연쇄반응을 조절하여 운전하는 장치가 원자로입니다. 정리하자면 원자로는 우라늄(U), 플루토늄(Pu), 토륨(Th) 등이 핵분열성 물질을 연료로 사용하여 그 핵분열의 연쇄 반응을 제어하면서 에너지를 끄집어내거나 강한 중성자원을 만드는 장치입니다.

 

두 번째,  핵융합 방식은 아직 연구 단계에 있으며, 방사성 붕괴에 의한 핵에너지는 그 양이 상대적으로 미약하여 직접 발전에 이용하기 힘들다고 판단하여 우라늄 같은 방사성 물질을 원자로에서 인공적으로 분열시켜 나오는 원자력 에너지로 발전하였습니다.

 

세 번째, 방사성 붕괴는 자연계의 모든 물질의 원자핵은 각자 안정상태 유지에 필요한 에너지를 가지고 있습니다. 이보다 많은 에너지를 가지게 되면 불안정해지고 불안정한 원자핵은 더 안정된 상태로 가기 위해 과도한 에너지를 방출하게 되는데. 이 현상을 방사성 붕괴라고 합니다. 이 현상은 알파 붕괴, 베타붕괴, 감마붕괴가 있으며, 베타붕괴는 다시 베타플러스 붕괴와 베타마니어스 붕괴로 나누어집니다.

 

3. 원자력의 활용

 

사실 핵분열을 이용한 원자력 에너지가 처음 사용된 것은 군사 무기 분야가 먼저 도입되었다. 제2차 세계대전 중에 미국에서 실시한 맨해튼 프로젝트를 선보이며 최초의 핵무기 폭발실험이 이루어진 뒤 1945년 8월 6일, 9일 일본 히로시마와 나가사키에 각각 원자폭탄을 투하하여 수십만 명을 사망하게 하는 큰 사건이 있었습니다. 이후 미국과 러시아(구 소련)를 중심으로 많은 나라들이 경쟁적으로 핵무기 개발에 몰두하였으나 원자폭탄 투하의 침상을 목격한 과학자 및 정치인들은 원자력의 평화적 이용을 강조하면서 원자로를 개발하기 시작해 원자력을 에너지 발전에 이용하게 된 계기가 되었다.

 

전 세계 에너지 개발 중 화력, 원자력, 수령, 풍력, 태양열 등 전기를 생산하는 방식 중 현재 가장 큰 비중을 차지하는 것은 화력과 원자력 발전 방식입니다. 학력 발전은 석탄, 석유 가스와 같은 화석연료를 태워 연소시켜 에너지를 열 에너지로 변환하여 증기를 생산한 후 이 증기를 이용하여 터빈, 발전기를 돌려 전기를 생산하는 방식이고, 원자력발전은 핵분열에서 발생되는 에너지를 이용하여 물을 끓여 증기를 생산하고 이 수증기의 힘을 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 두 방식 모두 물을 긇여 증기의 힘으로 터빈과 발전기를 돌려 전기를 생산하는 방식이지만, 에너지 발생 효율에는 엄청난 차이가 발생됩니다.

 

원자력발전에서 주로 사용되는 핵분열은 물질인 우라늄 1kg을 모두 핵분열시키면 약 2x10¹³ cal의 에너지가 나오고 이와 동일한 에너지를 발생시키기 위해 석유는 약 9,000 드럼, 석탄은 약 3,000톤이 소비됩니다. 2009년 원자력은 전 세계 전력의 15%를 차지하고 있으며, 151척 이상의 선박에서 원자로를 동력으로 사용하고 있습니다. 원자력은 에너지원으로 정식 규명된 이후 군사 핵무기, 의료용 방사선 치료기, 원자력 발전으로 전기 생산, 가속기, 산업용 비파괴 검사기로 다양한 분야에 많이 이용되고 있으며, 그중에서도 원자력 발전으로 주로 사용되고 있습니다.