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2-6. 방사능 광물과 원자력 환경
2-6-1. 방사능이란?
원소의 핵(nucleus)이 안정하지 못하고 자연적으로 붕괴(decay)되면서 방사선(radiation)을 내는
현상을 방사능(放射能, radioactivity)이라 한다. 방사능은 핵의 붕괴로 방출되는 방사선(放射線, radiation)의 양을
나타낼 때 사용하기도 한다. 불안정한 방사능 원소(radioactive element)의 핵이 붕괴되면, 새로운 원소의 생성과
함께 흔히 알파입자(α), 베타입자(β), 또는 감마선(γ ray)과 같은 방사선이 방출된다(그림 2-6-1). 참고로 감마선은
X선 보다 높은 에너지를 가지고 있다. 방사선이 방출될 때 그 종류는 원소에 따라 다르다. 예를 들면, 우라늄(U)-238
원소의 핵이 붕괴되면 토륨(Th)-234가 새로 생성되면서 알파입자와 감마선이 방출되는 반면에, 토륨(Th)-234의 핵이
붕괴되면 프로탁티늄(Pa)-234가 생성되면서 베타입자와 감마선이 방출된다. 우라늄의 경우, 토륨-234, 프로탁티늄-234,
라돈(Rn)-222 등 일련의 핵 붕괴과정을 거쳐서 더 이상 자연붕괴가 일어나지 않는 납-206 안정 동위원소(isotope)가 만들어진다.
(우라늄-238은 원자량이 238인 우라늄을 말한다. 우라늄은 238뿐만 아니라 235 또는 234의 원자량을 가질 수 있는데
이처럼 원자번호는 같지만 원자량이 다른 원소를 동위원소라 한다. 동위원소에 관한 자세한 내용은 지질학강좌 중
지구화학 개론 -제 5장 동위원소
지구화학 부분을 참고한다).
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| 그림 2-6-1. 불안정한 원자 핵이 자연 붕괴하면 알파입자, 베타입자, 감사선과 같은
방사선이 방출된다. (그림 출처: http://mysciencework.com).
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2-6-2. 방사성(radiogenic) 동위원소란?
방사능 원소가 붕괴되어 생성된 동위원소를 방사성( 放射性) 동위원소라고 한다. 대표적인 예로, 납-206은
우라늄(U)-238 붕괴에 의해 생성된 방사성 동위원소이다. 라돈은 우라늄 붕괴로 생성되므로 방사성 동위원소이다.
라돈(Rn)-222은 또한 폴로늄(Po)-218로 붕괴되는 방사능 원소이기도 하다. 질소(N)-14는 방사능 동위원소인 탄소(C)-14의
붕괴로 생성되므로 방사성 동위원소이다. 그러나 납-204는 방사능 원소의 붕괴에 의해 생성된 원소가 아니기 때문에 방사성
동위원소가 아니다.
2-6-3. 핵에너지(nuclear energy): 핵분열(fission)
핵에너지(nuclear energy)라고 하면 주로 핵분열(nuclear fission)을 이용하여 얻은 에너지를 의미한다.
핵분열은 원자의 핵이 중성자(neutron) 충돌로 쪼개지는 것을 말한다(그림 2-6-2). 예를 들면, 우라늄-235과 같은 방사능
원소가 핵분열이 되면, 3개의 중성자와 우라늄보다 가벼운 다른 원자핵[예를 들면, 세슘(Cs)-137, 스트론튬(Sr)-190,
요오드(I)-131]으로 쪼개지면서 막대한 에너지가 방출된다. 이렇게 생긴 중성자는 또 다른 우라늄-235와 충돌하여
핵분열을 일으키며 계속해서 일어나면 핵 연쇄반응이 일어날 수 있다. 이런 연쇄반응은 핵무기에서 이용하는 엄청난
폭발을 일으킬 수도 있지만, 발전소에서는 이 핵분열을 잘 조절하여 이로부터의 열에너지를 이용하여 전기를 얻는다.
우라늄은 자연상에서 238(99.3%), 235(0.7%), 234(0.005%) 동위원소로 존재하는 데, 우라늄-235 만이 핵분열을 할 수
있다. 따라서 발전소에서 사용하는 연료(fuel)는 자연상의 우라늄을 처리하여 우라늄-235가 3%까지 농축된 우라늄이다.
플루토늄(Pu)-239와 우라늄-233도 핵분열이 가능한데 이는 자연상에서 얻기 보다는 각각 우라늄-238과 토륨-232를
처리하여 만들 수 있다. 우라늄 1kg을 핵분열하여 얻을 수 있는 전기 에너지는 석탄 16,000kg을 연소하여 얻는 전기
에너지에 해당한다.
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| 그림 2-6-2. 중성자(neutron)가 우라늄 핵과 충돌하면(과정1), 세개의 중성자와
보다 가벼운 원자핵으로 쪼개지면서 열이 방출된다(과정2). (그림출처: http://www.bbc.co.uk/).
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2-6-4. 방사능 광물(radioactive minerals)
우라늄과 토륨은 매우 중요한 에너지 자원으로 주로 암석과 광물에서 얻을 수 있다. 지구 지각의 우라늄
평균 농도는 약 2 ppm 정도이다. 많은 광물이 극미량의 우라늄과 토륨을 함유하고 있는데, 우라늄과 토륨처럼 자연적으로
핵이 붕괴되는 방사능 원소가 포함된 광물을 방사능 광물(radioactive mineral)이라 한다. 우라늄을 포함하고 있는 방사능
광물로는 우라니나이트(uraninite), 브랜너라이트(brannerite), 코피나이트(coffinite)(그림 2-6-3), 오터나이트(autunite)
등이 있고, 토리아나이트(thorianite)와 모나자이트(monazite)는 토륨도 포함한다. 방사능 광물은 방사능 원소가 방출하는
방사선을 측정할 수 있는 가이거 카운터(Geiger counter)로 쉽게 확인할 수 있다. 방사선을 측정하여 방사능의 정도를
나타내는 단위는 큐리(curie, Ci)와 베크렐(Becquerel, Bq)이 있다. 베크렐은 1초당 핵붕괴를 일으키는 원자의 수(/s)를
나타낸다. 후쿠시마 원전사고 이후 주위에서 흔히 사용되는 시버트(Sievert, Sv) 수치는 생물이 흡수하는 방사선의 양을
나타내는 단위로서 사람이 방사선을 받을 때 1kg 당 흡수된 에너지(J/kg)를 나타낸다 (그림 2-6-4). 통상 피폭 방사선량이
4.0 시버트 이상이면 한달 이내에 사망확률이 50%에 달하는 것으로 알려져 있다. 참고로, 우리나라에서도 우라니나이트,
모나자이트, 오토나이트 등 방사능광물이 발견되지만 그 품위가 매우 낮고, 전세계의 1/3의 우라늄은 캐나다에서 공급하고
있다. 현재 우리나라의 우라늄 소비는 세계 6위로 전량 수입에 의존하고 있다. 핵에너지의 의존도가 커짐에 따라 방사능
광물의 확보가 국가의 안정적인 에너지 공급에 매우 중요하게 되었다.
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| 그림 2-6-3. 우라늄-규산염광물인 코피나이트(USiO4) 광물의 결정구조. 파란색은
SiO4 사면체를 나타내며, 하늘색은 우라늄이 산소(붉은색)와 8배위로 결합하고 있는 구조를 나타낸다.
(결정구조렌더링: VESTA 프로그램).
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| 그림 2-6-4. 강원대학교 자연대학건물에 위치한 대기 중 방사선의 양을 측정하는
측정소의 모습 (한국원자력안전기술원)(측정단위는 시간당 조사선량을 나타내는 10-6 뢴트겐/시간 (R/h)을 사용하고 있다.
인체가 1 뢴트겐의 감마선 또는 X-선을 모두 받으면 그 유효선량은 약 0.01 시버트에 해당한다).
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2-6-5. 핵에너지의 안정성
프랑스는 전력생산의 78%를 핵에너지에 의존하며 주변국가에 전기를 수출하기도 한다. 우리나라도 핵에너지를
이용하여 생산한 전기가 약 31% 나 차지한다. 화석에너지에 비하여 탄소배출량 또한 적기 때문에 핵에너지에 대한 의존도가
점점 증가하고 있다. 이에 따라 그 안정성에 대한 중요성도 커지고 있다. 원자로에서는 핵무기에서처럼 핵분열 연쇄반응으로
인한 핵폭발이 일어날 가능성은 거의 없다. 왜냐하면 핵폭발이 일어날 만큼의 농축된 핵분열 물질을 사용하지 않기 때문이다.
대신, 1979년 미국 펜실베니아주 쓰리마일 섬(Three Mile Island), 1986년 구소련 (지금은 우크라이나) 체르노빌, 2011년 일본
후쿠시마에서 일어난 원전 사고에서처럼, 인간과 생태계의 건강을 파괴할 수 있는 방사능 물질의 유출이 핵에너지를 사용하는데
가장 큰 위험이 되고 있다.
2-6-5-1. 쓰리마일 섬 사고
미국 팬실베니아주 중앙에 위치한 해리스버그(Harrisburg) 근교에서 일어난 원전사고이다(그림 2-6-5).
해리스버그는 팬실베니아 주의 주도이며 허쉬(Hersey) 초코렛 공장과 허쉬초코렛월드(놀이동산)로도 유명하다. 1979년 3월
원자력발전소 내의 열교환기 자동밸브가 고장난 상태에서 근무자의 실수로 원자로의 냉각기가 작동불능이 되어 원자로의
노심(core, 핵반응이 일어나는 곳)이 부분적으로 용융되어 방사능 원소가 외부로 유출되었다. 다행히 방사선 방출이 대부분
발전소 내부에서 일어나, 대기 중으로 방출된 방사선은 심각하지 않아 주민들의 피해는 거의 일어나지 않았다. 하지만,
아직 저준위(low-level) 방사선 피폭이 장기적으로 어떤 영향을 끼치는 지 명확히 알지 못하기 때문에, 쓰리마일 섬 원전사고의
피해를 정확하게 예측하기는 어렵다.
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| 그림 2-6-5. 미국 펜실베니아 쓰리마일 섬에 위치한 가동이 중지된 원자로와
냉각타워의 모습. (사진출처: http://fairewinds.org/).
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2-6-5-2. 체르노빌 사고
1986년 4월 28일 오전 스웨덴의 한 핵시설에서 근무자들이 발전소 근처에 방사선량이 높아진 사실을 발견하게
되었다. 그 원인을 찾던 중, 높은 방사능의 원인은 스웨덴의 핵발전소에서 누출된 것이 아니라 4월 26일 구소련 체르노빌
핵발전소에서 일어난 사고에 의한 것을 알게 되었다. 체르노빌에서 스웨덴까지는 약 1,500 km가 넘는데 바람에 의해서
전달된 것이다. 이 사고는 냉각수를 공급하는 시스템의 고장으로 노심의 온도가 3,000도 이상 높아지면서 우라늄 연료가
용융되고 폭발이 일어나 원자로의 지붕이 날아갔으며 방사능 입자들이 구름을 이루면서 대기 중으로 치솟았다. 이번 사고로
북반구의 약 30억명 정도가 방사선의 영향을 받았다고 한다. 이 때 유럽 사람들에게 노출된 방사능 양은 자연에서 일년간의
조사선량과 같았다고 한다(그림 2-6-6). 반경 30 km내의 115,000명이 대피하였고, 약 24,000명은 그 피폭된 방사능 양이
자연적으로 노출되는 연 평균조사선량의 수 백배에 해당하였다. 사고 이후 주변국가에서는 갑상선암 발병이 급격이 높아지는
등 큰 피해가 지금까지 보고되고 있다. 방사능 물질은 토양, 식생, 강, 지하수 등을 오염시켜 생태계에도 큰 재해가 되었다.
체르노빌에는 원자로 4기가 있었는데 서방세계의 원조와 압력으로 14년이 흐른 2000년 12월에 비로소 모든 원자로가
폐쇄되었다.
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| 그림 2-6-6. 체르노빌 원전사고가 일어난 며칠 후 방사능지도.
(그림출처: http://news.bbc.co.uk).
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2-6-5-3. 후쿠시마 사고
2011년 3월 11일, 일본 동북지진(규모 9)으로 일어난 쓰나미가 원자력발전소를 덮치면서 전원공급장치가
고장이 났다. 이로 인하여 3개의 원전 냉각시스템이 작동하지 않아 3일 동안 3개의 원자로 노심 모두 용융되면서 일어난 체르노빌
이후 가장 큰 원전사고이다(그림 2-6-7). 사고가 일어난 5개월 후에 원자로의 온도를 80도 아래로 조절할 수 있게 되었다.
3월 12일부터 방사능 물질(특히 원전 안의 핵분열과정에서 생성된 방사능 동위원소로 오염된 물)이 발전소 밖으로 새어나가기
시작하였으며, 이는 체르노빌 사건 당시 누출된 방사능의 10-30% 에 해당한다(940 PBq). 누출된 요오드-131은 체르노빌 사고
당시의 약 10%, 세슘-137은 약 15% 정도 누출되었다고 한다. 약 300,000명이 이 지역을 대피하였고, 지진과 쓰나미로 인하여
약 20,000명이 사망하였으나, 방사능에 의한 인명피해는 아직 보고되지 않았다. 이번 사고는 피할 수 없는 자연재해에 의한
것이라 생각할 수 있지만, 방사능 물질의 누출은 충분히 막을 수 있는 인재라는데 의견이 모아지고 있다. 이번 사건을 조사한
기요시구로가와 단장은 그 보고서에 이번 원전사고는 자연재해가 아니라 일본 특유의 조직문화에서 기인한 "Made in Japan"
사고라고 하였다.
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| 그림 2-6-7. 쓰나미의 피해로 전기/냉각시스템의 불능이 일으킨 후쿠시마 원자력 발전소의
용융된 원자로 모습. (사진출처: http://www.npr.org).
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여기서는 핵발전시설의 운영 과정에서 일어날 수 있는 위험성만을 알아보았지만, 우라늄-토륨 광물을 채굴하는
광산활동, 광물로부터 핵연료를 처리하는 과정, 그리고 핵에너지의 폐기물을 처리하고 저장하는 과정에서도 핵에너지의 위험성이
존재한다.
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