방사능이란 무엇인가?
방사능은 자연현상이며 물질의 축적이다. 불완전한 원자핵이 안정된 원자핵으로 변하는 과정에서 알파선(α), 베타선(ß), 감마선(γ) 또는 엑스선(χ) 등과 같은 방사선이 방출되고 동시에 고(高)에너지가 방출된다.
이런 현상을 통해 각 방사선에 고유한 주파수와 상당량의 에너지가 발산된다. 또한 이 두 가지를 발산하는 원자 위치와 정체성에 대한 아주 정확한 데이터를 확보할 수 있다.
인류가 방사선을 통해 이룬 가장 경이로운 업적은 눈에 보이지 않는 것을 보이게 만들었다는 사실이다. 방사선을 이용하는 방식은 사진에 가시광선을 이용하는 방식과 같다.
동일한 방식으로 감마선·알파선·베타선 탐지기는 이 방사선들이 어디에서 나왔는지 위치를 알아내고 이 방사선들을 반사하는 물질의 형태를 들어낸다.
방사선은 가시광선보다 훨씬 강력한 에너지를 가지고 있기 때문에 탐지기에 도달하기 전에 그 사이에 놓인 물질을 투과할 수 있다. 의학용 방사선은 이런 방식으로 작동된다.
엑스선이 세포 조직을 통과하기 때문에 그 안에 있는 뼈를 촬영할 수 있다. 또 감마선의 고강도 에너지를 이용해 두꺼운 구조물 안에 있을지도 모르는 결점을 확인할 수 있다. 감마선 카메라는 선박의 용접부위, 선박의 외벽, 그 외 금속성 물질 등을 검사해 어느 부분이 허약한지, 균열 여부를 진단할 수 있다.
또 각각의 방사성 원소는 고유한 방출 스펙트럼을 가지고 있기 때문에 테러에 사용되는 방사성 원소와 바나나 화물에서 감지되는 칼륨-40을 구별할 수도 있다.
• 자연방사선
인간을 에워싸고 있는 모든 것의 가장 기본적인 구성요소인 원자는 지금으로부터 100억 년 전 수많은 행성에서 태어났다. 오늘날 우주의 기원에 대해 다음과 같은 가설이 있다.
빅뱅의 순간에 양성자, 중성자, 전자가 아주 단순한 원자를 형성하기 위해 서로 결합했고, 이후 여러 행성이 폭발하면서 그 원자들은 보다 무거운 원자들을 형성하기 위해 서로 결합했을 것이라는 가설이다.
여기에 주목해야할 점은 우주의 기본 입자들이 확률을 통해 태어났다는 것이다. 그 결과는 아주 다양하지만 분명한 사실은 안정된 상태를 유지하면서 태어난 원자가 드물다는 것이다.
• 유해방사선
방사선은 지방으로 형성된 인간의 살갗이나 신체기관을 통과할 수 있다. 방사선은 살아 있는 세포 조직을 통과 하면서 거기에 상당한 에너지를 방출해 심각한 상처를 낼 수 있다.
화상, DNA 고리의 단절, 유전자의 교체, 세포주기의 혼란과 세포의 죽음 등이 그것이다. 이 같은 폐해는 아주 심각할 수 있으며 경우에 따라서는 돌이 킬 수 없을 때도 있다.
인간의 몸을 투과하고 거기에 상해를 가할 수 있는 힘은 전적으로 방사선 형태와 거기에서 방출 되는 에너지에 달려있다.
알파선의 작용은 피부에 의해 제지되지만(피부에 화상을 입힐 수는 있다.) 베타선 입자는 표피조직(피부, 눈)에 영향을 준다. 전자파(엑스선과 감마) 는 피부 안쪽의 세포 조직과 기관에 영향을 줄 수 있다. 각각의 세포 조직은 여러 형태의 방사선에 다소 저항할 수 있다.
이 모든 문제는 방사선에 대한 노출 정도를 표시하기 위한 ‘흡수선량(吸收線量)’ 이라는 개념에 달려 있다. 유기체에 대한 방사선의 생물학적 효과는 방사선의 성질과 이 방사선에 노출된 기관의 성질에 달려있다.
이 효과는 시버트(Sv)나 혹은 그 하위 단위(1Sv=1000mSv)로 측정되며 선량당량(線量當量)과 일치한다.
방사성 폐기물 처리방법
천연 우라늄은 동위 원소들의 혼합물로, 다시 말해 서로 다른 특징을 가진 두 가지 형태의 우라늄으로 나타난다. 천연 우라늄은 평균 0.7%의 우라늄-235와 99.3%의 우라늄-238이 포함돼 있다. 우라늄-235는 양이 훨씬 적지만 핵분열을 일으킨다.
우라늄-235의 원자핵은 하나의 중성자를 흡수한 다음 여러 조각(핵분열의 산물과 몇 개의 중성자)으로 쪼개지는데 그 과정에서 200MeV의 에너지가 방출된다.
원자로에서 얻고자 하는 것이 바로 이것이다. 원자로에서 천연 우라늄대신 우라늄-235를 3~5%로 농축한 농축 우라늄을 연료봉으로 사용한다.
• 핵폐기물의 발생
그러면 핵폐기물은 어디서 발생하는가? 핵폐기물에는 두 종류가 있다. 첫 번째 종류는 핵분열 생산물이 포함된다. 격렬한 핵분열과정에서 안정된 결합상태에 이르지 못하기 때문에 발생하는 이 생산물들은 불안정한 상태에 있게 된다. 두 번째 종류의 핵폐기물은 다시 두 종류로 나뉜다. 악티늄족 원소들과 이른바 방사화 폐기물이 그것이다.
하나의 원자핵이 분열될 때 방출되는 중성자들은 또 다른 원자를 분열시킬 때까지 혹은 주위 환경에 흡수될 때까지 원자로 안을 전속력으로 질주하게 된다.
새로운 분열을 유도하지 못한다면 이 중성자들은 분열되지 않은 원자 안에서 주행을 끝마치거나(악티늄족 원소들 형성) 그 중성자들 자체에 의해 방사화된 물체들(원자로에서 열을 발사하는 유체입자 혹은 핵연료의 피복이나 원자로 용기와 같은 구조적 장비) 안에서 주행을 끝마치게 된다.
핵폐기물은 원전에서만 발생하는 것이 아니다. 핵폐기물에는 악티늄족 폐기물, 원자로 내부에서 방사선에 노출된 구조물, 핵 관련 사업 쓰레기, 의학용 방사선 쓰레기는 물론 우라늄광산의 찌꺼기, 핵연료 처리과정의 폐기물, 핵연료가 순환 되면서 나오는 또 다른 쓰레기 등이 포함돼야 한다.
우라늄 광산채굴에서부터 사용한 핵연료 재처리에 이르기까지, 여러 기계화 화학물질이 핵 물질(주로 우라늄)의 추출, 변형, 농축, 정제에 동원된다. 따라서 방사성이 아주 강한 물질에 감염된 이런 물건들을 당연히 생물계에서 멀리 분리시켜야 한다.
프랑스는 방사성 폐기물을 방사능 강도에 따라 아주 약한 방사능, 약한 방사능, 보통 방사능, 강한 방사능으로 나눠 여기에 반감기를 고려해 반감기 100일 이하, 30년 이하, 30년 이상으로 나눤 관리한다. 반감기가 30년 이하~30년 이상인 강한 방사능의 폐기 방법은 아직도 연구 중이다.
• 폐기물 희석
방사능의 세기(위험성)는 농축 정도에 따라 달라지기 때문에 폐기물을 바닷물에 ‘희석’하는 방법을 고려할 수 있다. 하지만 이 방법은 국제협정이 반대하고 국민들도 크게 반대할 것임으로 실효성이 없다.
• 악티늄족 핵종의 전환
악티늄족 핵종들을 최종적으로 흡수하게 중성자를 이용해 이 유해 원소들을 폭발시키면 핵반응을 유도할 수 있다.
이 방법으로 악티늄족 핵종은 방사성 방출 수명이 짧은 원자들로 전환된다. 또한 이 원자들이 분열하면서 반감기가 아주 짧은 방사능 핵들이 만들어진다. 이 과정을 거치며 최종 핵폐기물의 저장량은 5배에서 50배까지 줄일 수 있게 된다.
• 지질학적 저장
핵폐기물을 포장해 지하에 저장하고 안전거리를 유지해 핵폐기물 보호시설을 설치한다. 이는 생명체를 방사선으로부터 보호하고 나아가 대지 표면에 도달하기 전에 유독성 방사선의 원자들이 스스로 붕괴해 원자들이 널리 퍼지는 시간을 늦출 수 있다.
그리고 새로운 처리 기술이 개발될 때까지 땅속에 가둬 둔다. 국제원자력기구(IAEA)는 장기간 방사능폐기물 관리법으로 안정적이고 방사능이 투과할 수 없는 심층 지질학적 저장법을 선화하고 있다.
• 사용 후 핵연료 재처리
원자력발전의 가장 큰 특징 중 하나는 연료를 재생해 사용할 수 있다는 것이다. 다른 산업과 달리 원자력발전에서는 한번 사용한 핵연료에서 우라늄과 플루토늄을 꺼내어 몇 번이나 더 사용할 수 있는 효율성을 지니고 있다.
원자력발전에 이용되는 핵연료는 우라늄-235와 우라늄-238로 구성, 우라늄-235는 핵분열을 일으키지만 우라늄-238은 핵분열을 하지 않는다. 최초의 사용방법은 우라늄-235를 핵분열시켜 그 에너지로 전기를 생산하는 것이다. 그런데 이 과정에서 우라늄-238은 플루토늄-239라는 원소로 변하게 된다.
이 플루토늄-239는 우라늄-235와 같이 핵분열을 하고 이것을 빼내어 다시 사용하면 우라늄의 효율성이 높아지게 된다. 플루토늄-239는 현재 사용되고 있는 경수로에서도 사용할 수 있지만 고속증식로에 사용할 경우 자원 이용 효율을 60배로 늘릴 수 있다.
또한, 사용한 핵연료에는 천연우라늄에 포함된 0.72%의 우라늄-235보다 많은 0.9%정도가 남아있기 때문에 이를 꺼내어 다시 사용할 수 있다.
그러나 사용한 핵연료에 포함된 우라늄과 플루토늄을 이용하기 위한 재처리기술은 농축기술과 함께 군사적으로 매우 민감한 기술로서, 일부 선진국에서만 독점하고 있다.
• 파이로 프로세싱
파이로 프로세싱의 가장 큰 핵심은 바로 근원적으로 순수한 플루토늄의 분리를 차단시킨다는 것이다. 즉 핵폐기물의 핵무기 이용을 근본적으로 막는 방법이다.
이 기술은 섭씨 500도씨 고온에서 핵폐기물들의 용융염으로 변환시킨 후 전기를 흘려보낸 다음 핵분열에 쓰일 우라늄만 걸러내는 고난이도 기술이다.
현재 개발되고 있는 4세대 원자로인 ‘소듐냉각고속로’에서 파이로 프로세싱으로 모은 핵폐기물 덩어리들을 모두 더 이상 방사선붕괴하지 않는 안정한 원소로 변화시킬 수 있다.
그렇다고 우리가 핵폐기물의 위험성에서 완전히 벗어난 것은 아니다. 아직 완성되지 않은 기술이기에 변수들이 많이 숨어있고, 실제 상용화되기까지 많은 시간이 남아있기 때문이다.
또한 파이로 프로세싱이 완벽하게 우라늄만을 선택할 수 있는지 아직까지도 의문으로 남아 있다. 우라늄만을 분류할 수 있는 기술이라면, 플루토늄만을 분류할 수 있는 기술 또한 언젠가 생겨날 것이기 때문이다.
현재 미국은 세계 여러 나라들과 다르게 파이로 프로세싱 공정에 부정적인 의견을 내놓고 있다. 앞서 지적한 바와 같이 결국 플루토늄 축출이 가능할 것이라고 보고 있기 때문이다.
핵폐기물과 관련된 의문들
현재 세계 각국의 원전 건설계획을 확정해 추진하려는 규모는 167개이고 제안 상태에 있는 것은 317개이다. 현재 가동 중에 있는 원전이 지속된다고 가정하면 2030년에 세계 총 원전 시설 용량은 983㎿로 18년 만에 3배로 늘어나게 된다. 이러한 예측을 볼 때 다음과 같은 의문을 갖게 한다.
- 핵폐기물의 비용은 어느 정도까지 감당할 수 있는가?
- 수백만 년에 걸쳐 어떻게 인류의 안전을 보장해야 하는가?
- 미래 세대들에게 남겨진 핵폐기물이라는 이 거대한 짐을 제대로 평가하려면 과학이 어느 정도로 발달해야 그 결과를 믿을 수 있을까?
- 인류의 전기 사용 때문에 발생한 핵폐기물을 수용하는 땅에 대해서는 어떻게 보상해야 하는가?
*상기 기사는 에너지코리아뉴스의 자매지 월간<CEO ENERGY>2013년 10월호에 게재된 기사입니다.
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