원자력에너지

히로시마에 투하된 리틀보이

원자력에너지(Nuclear energy)는 원자핵의 상태가 변하면서 방출되는 에너지를 말한다. 원자력에너지는 방사성붕괴, 핵분열, 핵융합 반응시에 생성된다.

원자력에너지는 방사선의 발견에서 시작되었고 핵물리학 발전의 토대가 되었다. 1895년 독일의 과학자 뢴트겐(Wilhelm Conrad Röntgen, 1845 ~ 1923)은 진공관으로 실험을 하던 중 최초의 방사선인 X-선을 발견하게 된다. 그리고 1년 뒤인 1896년 프랑스의 과학자 베크렐(Antoine Henri Bequerel, 1852 ~ 1908)은 사진을 현상하던 중 우연히 우라늄 광석으로부터 X선과 같이 투과력이 강한 방사선이 나온다는 것을 알게 되었다. 이는 방사선이 자연 광석에서 발견된 최초의 발견이었고, 1898년 퀴리 부부(Marie Curie, 1867 ~ 1934)에 의해 더욱 강한 자연 방사선을 방출하는 라듐(Ra)과 폴로늄(Po)이 발견되었다. 후에 불안정한 핵들이 붕괴하는 과정에서 다른 종류의 방사선들이 방출된다는 것이 알려졌다. 1899년 영국의 과학자 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871 ~ 1937)는 방사선에 알파선과 베타선의 두 종류가 있음을 밝혔고, 1900년 프랑스의 과학자 빌라드(Paul Ulrich Villard, 1860 ~ 1934)는 투과력이 매우 강한 감마선이 더 존재하는 것을 발견하였다. 이러한 방사선 붕괴는 중성자(nutron)나 중성미자(nutrino) 등의 입자들을 찾는데 큰 도움을 주는 등 핵물리학에 큰 공헌을 하게 된다.

현황

한국 에너지원별 발전량 현황(한국전력공사 연도별 전력통계)

세계 원자력발전소 현황(한국 원자력 산업 협회)

국가별원자력 발전량(세계 원자력협회

원자력발전은 고도의 기술집약적 산업이며 사업규모가 방대하여 전기,기계,토목,화학,금속 등 관련산업의 발전에 크게 기여해 왔다.

1998년 8월 11일에 상업운전을 시작하여 운영 중에 있는 울진3호기 및 현재 건설 중인 월성4호기, 울진 4호기, 영광 5, 6호기는 원자력 관련기술을 완전 국산화한 우리 고유의 한국 표준형으로서 이같은 국산화 추진 과정에서 원자력산업은 관련산업의 기술발전과 육성에 크나큰 영향을 미쳤으며, 관련분야의 기술인력 확보와 양성에도 크게 이바지하고 있다.

우리나라의 에너지원별 발전량 현황을 보면 석탄에너지 다음으로 원자력에너지가 가장 큰 비중을 차지하고 있는 것을 알 수 있다.

그 외에 신재생에너지로 각광받고 있는 태양광발전은 전체 에너지 발전의 0.7%로 그 수준이 굉장히 낮은 상태이다. 미국, 일본, 독일 등 선진국의 전력소비량은 감소세인 반면, 철강·화학·반도체 등 전력소비가 큰 제조업의 부가가치 비중이 높은 한국의 전력소비량은 증가할 전망이며, 이에 따라 발전소 신규건설 및 신재생에너지 보급 확대를 통해 전력수요 증가에 대응해 나아갈것으로 보인다.

현실적으로 원자력에너지의 발전효율 30%를 신재생에너지로 대체하기 위해서는 많은 시간과 막대한 비용이 들 것으로 예상된다.

현재 세계에는 19개국에서 53기의 원전이 건설 중에 있다. 원자력 발전량에 있어 우리나라는 미국, 프랑스, 중국, 러시아에 이은 6위 국가이다. 또한 110기의 원전이 계획 중이다. 계획 중에 있다는 건 건설 사업이 승인되고 재원투자계획이 세워졌다는 뜻이다.

대부분 2020년대에는 건설 및 운영이 가능한 원전들이다. 여기에 추가로 330기의 제안 중 원전이 있다. 이들 원전은 세부계획이 수립되었거나 후보부지가 선정된 상태의 원전을 의미하며 구체적인 건설착수 및 운영은 아직 미확정인 원전들이다.

따라서 10~20년 내에는 약 100여 기의 원전이 새로운 건설 시장에 나올 것이며 그 이후 장기적으로는 300여 기의 원전이 건설시장에 나올 것으로 기대된다.^[1]

핵분열 에너지

핵분열은 중성자의 충돌 실험으로 발견되었다. 1938년 한(Otto Hahn, 1879~1968)과 슈트라스만(Fritz Strassmann, 1902 ~ 1980)은 우라늄에 중성자를 충돌시키는 실험을 통해 기존에는 볼 수 없었던 큰 에너지가 방출되는 것을 확인하였다. 몇 주 후 오스트리아의 과학자 마이트너(Lise meitner, 1878 ~ 1968)는 이 에너지가 중성자와 충돌한 우라늄이 비슷한 질량의 다른 원소로 쪼개지면서 방출되는 에너지임을 알게 되었고, 이를 핵분열이라 하였다. 핵분열 에너지는 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리 E = mc² 로 부터 계산할 수 있다. 예를 들어 한 개의 ²³⁵ U(우라늄-235) 핵 한 개가 분열하는 핵반응은 다음과 같다.

²³⁵ U은 임의의 두 개의 원소 X, Y와 k개(2~3)개의 중성자(n)로 분열된다. 이 때 방출되는 200MeV에 이르는 에너지는 석탄이나 석유 같은 화석 연료를 같은 무게로 환산하였을 때 보다 약 200만 배 더 많은 에너지이다.

핵분열 에너지가 이용된 최초의 사례는 제2차 세계 대전 말, 맨하탄 프로젝트(Manhattan Project)의 결과물인 원자폭탄이었다. 빅보이(Big boy)와 리틀보이(Little boy)라고 명명된 이 원자폭탄들은 각각 나가사키와 히로시마에 투하되었고, 이는 핵분열 에너지가 가진 에너지원으로써의 가능성과 평화적 이용을 강조하는 계기가 되었다. 이후 페르미(Enrico Fermi, 1901 ~ 1954)가 고안한 최초의 원자로 시카고파일-1(Chicago pile 1)을 필두로 다양한 형태의 원자력 발전소들이 건설되었다.

핵융합 에너지

핵융합 에너지는 핵분열과는 반대로 질량수가 작은 원자핵들이 초고온 고압의 환경에서 높은 에너지로 충돌할 때 생기는 질량 결손 에너지이다. 태양의 내부에서는 핵융합 반응에 의해 수소가 헬륨으로 융합되면서 매우 큰 에너지가 방출되고 있다. 현재 이러한 핵융합 에너지를 에너지원으로 이용하기 위해 다양한 실험들이 활발하게 이루어지고 있다. 대표적으로 토카막(tokamak)을 이용한 핵융합로 연구 등이 있다. 핵융합로에서는 주로 중수소와 삼중수소 사이의 핵융합 반응으로부터 에너지를 얻는데 이 경우에 반응식은 다음과 같다.

이 때 방출되는 에너지는 핵분열 반응에서 방출되는 에너지보다 더 높은 효율을 보이기 때문에 핵융합 에너지는 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.