[위즈덤 에너지]우라늄과 원전에 관하여

핵융합 연쇄반응을 이끌기 위해 U-235의 농축도를 높여야 

아직까지 완벽한 방사성 폐기물 처리방법은 미해결

[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 원자력 발전소의 핵심 에너지원은 우라늄으로 우라늄-235의 핵분열 반응을 통해 에너지를 발생시킨다. 천연 우라늄은 U-238 (99.2742%), U-235 (0.7204%), 그리고 U-234 (0.0054%)으로 구성되어 있다. 이 중 U-235만이 중성자와 충돌했을 때 핵이 쪼개진다. 핵분열 반응을 통해 중성자 2~3개가 생성되면서 질량이 줄어들게 되는데, 감소된 질량은 아인슈타인의 질량-에너지 등가법칙(E=mc^2)을 통해 에너지로 전환된다. 핵분열 시 발생되는 여러 개의 중성자들은 또 다른 U-235와 반응을 해 핵분열 연쇄반응(chain reaction)을 일으킨다. 천연 우라늄 자체는 U-235의 비율이 매우 낮기 때문에 핵분열 연쇄반응이 일어나지 않아 여러 공정을 통해 U-235의 비율을 높인다. 

연료로 사용하기 위해서 U-235의 농축도(enrichment)를 높여야 한다.(3~5%는 저농축 우라늄이며 우리나라 원전은 5% 이내의 우라늄을 사용) 우라늄을 광산에서 캐고 정광으로 만들면 UO₂/U₃O₈의 형태로 존재한다. UO₂의 녹는점을 약 섭씨 2800도로 매우 높아 육플루오린화우라늄 (UF₆)으로 변환시킨다. 농축 방법으로는 분자량에 따라 기체의 확산 속도가 다르다는 것을 이용한 기체확산법 (diffusion), 동위원소 질량차를 이용한 원심분리기법 (centrifugation) 등이 있다. 농축된 우라늄을 세라믹 (열/냉각으로 굳어진 고체물) 형태로 가공하여 원자력 발전소로 보내는 것을 핵연료주기라고 한다.

핵분열 반응이 연쇄적으로 일어나면 많은 열이 발생해 원자로가 과열될 수 있으니 연쇄 반응 속도를 일정 수준으로 유지해야 한다. 제어봉(control rod)은 중성자를 흡수하기 쉬운 붕소, 하프늄, 은 등을 스테인리스강으로 감싸 만들어진 장치로 중성자를 흡수해서 연쇄반응을 늦추는 장치이다. 또 다른 방법으로 냉각재를 사용하는 것이다. 냉각재의 재료로 물과 붕산이 사용되며 붕산 역시 전자를 흡수해 연쇄반응 속도를 조절한다. 

U-235의 비율이 낮은 이유는 U-238과 비교해서 반감기 (half-life)의 차이이다. 238은 45억 년 정도 되며 235는 7억 년이기 때문에 대부분의 U-235은 붕괴해서 그 수가 많이 감소한 것이다. 원전을 통해 생산하는 전력 방식은 화력발전소와 매우 유사하다. 핵분열 반응을 통해 에너지 발생으로 물을 수증기로 변환시켜 터빈을 돌려 전력을 생산한다. 

방사성 폐기물의 대표적인 처리 방법으로 천층매몰이 있다. 땅에 묻기 이전 먼저 폐기물이 방출하는 열을 조절해야 한다. 땅에 묻으려면 폐기물의 온도를 섭씨 100도 이하로 유지시켜야 하는데 그 이유는 땅 속에 묻었을 때 지하수 등 주위의 수분과 접촉되면 폐기물 저장 공간의 부식이 빨리 진행되면서 폐기물이 누출된다. 

폐기물들을 붕소를 탄 수조에 최소 6년에서 10년간 보관해야 한다. 방사성 폐기물을 처리하는 다른 과정으로 ‘유리화’가 있다. 폐기물들을 유리로 감싸 방사능의 유출을 차단해 안전성을 높이고 폐기물의 부피를 줄일 수 있는 방식이다. 부피를 줄일 수 있어 폐기물을 더 많이 처리할 수 있지만 결국 폐기물을 보관하는 방식이기 때문에 비영구적인 방식이다.

땅에 묻는 것뿐 아니라 폐기물을 실은 우주선을 발사하거나 해양 처분, 원자력 발전소에 그대로 두는 등 여러 처리 방식이 나오고 있지만 폐기물이 안전한 수준이 되려면 엄청나게 긴 시간이 필요하기 때문에 더 많은 연구과 시간이 필요하다. 

[위즈덤 에너지] 기후위기로 더 이상 화석연료의 사용이 어려워진 가운데, 신재생 에너지는 선택이 아닌 필수가 되고 있습니다. 미래를 이끌 학생들에게 에너지 발전 및 소비에 대한 정보를 쉽게 이해할 수 있도록 칼럼을 연재합니다. 위즈덤 아고라 김현동 기자의 ‘위즈덤 에너지’로 새로운 에너지 소식을 만나보세요.