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[에너지] 유가 인상으로 안전한 핵 기술에 관심 몰려


석유 가격이 오르고 전세계적으로 에너지 수요가 늘어나면서 전력 생산을 위해 원자력 에너지를 활용하려는 관심이 높아 지고 있습니다. 미국에서 상업적 원자력 에너지는 초기의 대중적 관심에도 불구하고 오늘날에는 인기가 떨어졌습니다. 이는 1979년 대재앙으로 기록될 뻔 했던 펜실베이니아주의 스리 마일 섬(Three Mile Island) 핵 시설 방사능주출 사고 이후 안전에 대한 우려가 높아졌기 때문입니다. 미국 정부도 1978년 이후 상업적 핵시설 인가를 한 건도 발급하지 않았습니다. 하지만 새롭게 개발된 핵 연료 및 원자로 기술은 원자력을 보다 매력적인 에너지 원으로 부각시켰습니다. 자세한 내용 전해드립니다.

핵 에너지가 존재하는 원자 및 소립자의 세계는 매우 복잡한 작용이 일어나는 공간입니다. 하지만 핵 발전의 기본 개념은 매우 간단합니다. 모든 핵 발전 시설의 핵심은 원자로 입니다. 원자로에는 연료봉이 있고, 연료봉에는 일반적으로 우라늄 광석같은 고밀도의 화학 물질이 들어있습니다. 이 우라늄에 ‘중성자(neutron)’라고 불리우는 아주 작은 극소립자를 쏘면, 우라늄이 작은 조각으로 부서지며 내재하고 있던 강력한 에너지를 열의 형태로 방출합니다.

이렇게 발생된 열은 연료봉 주위를 계속해서 순환하는 냉각제에 흡수됩니다. 냉각제로는 물이 주로 쓰이는데, 초고온으로 가열된 물은 증기로 바뀌고, 이 증기는 다시 전자석 터빈을 회전시킵니다. 이 터빈의 회전을 통해 우리가 일상에서 사용하는 전기를 얻게 되는 것입니다. 에너지를 얻는 과정은 간단하지만, 이 과정에서 예상치 못한 많은 상황이 발생될 수 있고, 가끔 심각한 문제가 일어났을 때는 원자로와 원자로의 조작자, 또 인근에 있는 사람들을 큰 위험에 빠트릴 수도 있습니다.

연방 정부가 운영하는 대형 핵 연구 기관인 ‘아이다호 국립 연구소(Idaho National Laboratory)’ 핵 에너지 시스템 통합 담당 책임자인 케이시 맥카시(Kathy McCarthy) 씨는 보다 안전한 신세대 핵 기술을 개발 중입니다.

맥카시 씨는 “신세대 원자로에서 눈에 뜨이는 점은 우리가 일상 생활에 항상 존재하는 중력을 신뢰하듯이 ‘자연적으로 안전하다’고 부를 수 있다는 것”이라고 말합니다.

맥카시 씨가 ‘자연적으로 안전하다’고 언급한 원자로는 종종 ‘4세대(Generation Four)’ 원자로라고 불리며, 기계적 펌프를 이용해서 냉각수를 순환시키는 구형 원자로에 비해 안전성이 눈에 띄게 향상됐습니다.

구형 원자로는 기계 장치나 동력에 문제가 생기면, 순환하던 냉각수가 멈추게 됩니다. 하지만 원자로의 활동은 계속해서 고열로 원자로가 녹아내릴 수 있는 위험이 생깁니다. 또 폭발로 인해 방사능 물질이 유출될 수 있는 더 큰 위험도 있습니다. 하지만 신형 원자로들은 기계 펌프를 사용하지 않고 연료봉의 고열로 인해서 생성되는 대류작용을 활용해서 냉각수를 순환시킵니다.

멕카시 씨는 열이 상승하는 원리에 의해 뜨거운 물은 올라가고 찬 물은 내려오는 작용이 생겨서 실제 물의 흐름을 얻게 된다고 설명했습니다. 이런 자연적인 순환은 기계적 펌프가 작동하지 않아도 계속 일어납니다. 하지만 처음 냉각수의 흐름을 얻기 위해서는 누군가 스위치를 켜거나 기계적 펌프, 혹은 다른 기계 장치를 통한 기동이 필요합니다.

미국에서 핵 발전 시설은 여전히 논쟁의 여지가 있는 에너지 원입니다. 하지만 멕카시 씨는 핵 뿐만 아니라 다른 모든 에너지 원은 잠재적으로 환경에 해로운 영향을 미칠 수 있다고 지적합니다.

멕카시 씨는 “우리는 그런 영향들에 대처할 수 있어야 한다”며 “핵의 경우 에너지를 얻고 나서 남은 핵 폐기물을 처리하는 것이 문제”라고 말했습니다. 맥카시 씨는 핵 연료와 관련해서 우리는 상당히 운이 좋은 편이라고 말합니다. 왜냐하면 핵 발전의 산물인 폐기물은 그 자리에 그대로 남아있기 때문입니다. 핵 폐기물은 하늘로 증발하지도 않고, 미립자를 발생시키지도 않고, 공해도 없습니다. 단 핵 폐기물은 높은 방사능 물질이라는 문제가 남아있습니다.

방사능 물질은 감마선과 중성자를 방출한다는 것을 의미합니다. 감마선은 세포에 침투해서 구조를 변화시키고, 방사선병이나 암 등 여러가지 질병을 발생시킵니다. 중성자는 DNA 조직에도 침투해서 유전자 변형 등 예측하기 힘든 영향을 야기합니다. 핵 연료는 1만년간 방사능 물질로 남아있습니다.

맥카시 씨는 따라서 핵 연료를 통제하고, 이의 누출을 막는 것이 중요하다고 말합니다. 많은 경우 핵 연료를 통제하기 위해 이를 별도 장소에 보관하거나 땅에 묻는 방법을 사용합니다. 과거에는 핵 연료를 부식 가능성이 있는 금속 함에 보관하거나, 불안정한 지대에 저장해서 방사능 유출의 위험이 있기도 했습니다.

하지만 오늘날에는 핵 연료 저장 용기로 장기간 손상의 우려가 없는 강화 유리를 쓰는 등 새로운 기술이 사용됩니다. 또 현대인들의 활동 지역에서 멀리 떨어진 네바다 사막의 산 속에 핵 연료를 저장하자는 제안도 검토되고 있습니다. 또 다른 효과적 접근법은 한 번 사용한 핵 연료를 재사용해서 효율을 높이고, 최종 폐기물의 방사능 양도 줄이는 것입니다.

맥카시 씨는 “이미 사용한 핵 연료도 사실 폐기물이 아니며 막대한 양의 에너지를 내재하고 있다”며 “우리는 현재 우라늄 원광석이 갖고 있는 에너지의 1%만을 쓰고 있다”고 말했습니다. 핵 원료가 갖고 있는 에너지의 대부분은 사용하지 못하는 것입니다. 맥카시 씨는 따라서 한번 사용한 핵 원료를 다시 원자로에서 분열시킴으로써, 에너지 효율도 높이고 안전도 추구하는 방법을 찾고 있다고 설명했습니다.

미국 산업계에서도 한 때 재처리 핵 연료를 대규모로 사용했었습니다. 하지만 1970년대 지미 카터 대통령은 플루토늄을 풍부하게 함유한 재처리 물질이 핵 무기 제작 등에 악용되는 것을 막기 위해 재처리 연료 사용을 금지시켰습니다.

멕카시 씨는 “근본적으로 우리는 핵 물질로 무기를 만드는 것을 원치 않는다”며 “플루토늄을 분리해내지 않고 핵 발전을 함으로써 핵 물질이 비평화적 용도로 사용되기 어렵게 하는 방법을 연구 중”이라고 말했습니다.

케시 맥카시 씨가 근무하는 아이다호 국립 연구소는 미국에서 현재 운용중인 핵 발전 시설에 새롭고 보다 안전한 핵 기술을 도입하는 연구를 진행하고 있습니다.

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The rising price of petroleum and the growing worldwide demand for energy is fueling a renewed interest in nuclear power as a source of electricity. Despite their initial popularity, commercial nuclear plants fell into disfavor in the United States, due to safety concerns. Those concerns were heightened by the 1979 near-catastrophe at Pennsylvania's Three Mile Island facility, and in fact, the US government has granted no new commercial licenses since 1978.

However, new fuel and reactor technologies are being developed that could make nuclear energy more appealing.

The atomic and subatomic worlds where nuclear energy resides are pretty complex operations, but the principle underlying nuclear power generation is fairly simple. At the core of every nuclear power plant is a nuclear reactor, where a dense chemical element - usually a uranium ore - is contained within fuel rods. Tiny subatomic particles called neutrons are shot into the uranium, which breaks apart into smaller particles, releasing huge stores of energy in the form of heat. That heat is absorbed by a cooling agent, usually water, that's life.

While that process may be simple, it is one in which many things can go - and occasionally have gone - terribly wrong, putting the reactor, its operators, and nearby populations at great risk.

"One of the things we're looking at in a new generation of reactors is making them what we call 'naturally safe,' [by] relying on things like gravity," says Kathy McCarthy, the director of advanced nuclear energy systems integration at the Idaho National Laboratory, a large federal nuclear research facility.

These naturally safe reactors are known as Generation Four nuclear reactors. They incorporate significant safety improvements over older reactors that use mechanical pumps to circulate their coolant. In existing plants, the coolant stops circulating if there's a mechanical or power failure, but the nuclear reactions continue. This may cause a "meltdown," or an explosion where radioactive material could be released. The new reactors don't need mechanical pumps. They are designed to use the great heat produced by the fuel rods to create convection currents that keep the coolant water moving.

"It's all because heat rises," McCarthy explains. "So the hotter water rises and the cooler water goes down. So if you lose the mechanical pump, you actually can still get this natural circulation. But it will do that without anybody flipping a switch or turning on a mechanical pump or relying on something mechanical to start."

In the United States, nuclear power plants are a controversial source of energy. But McCarthy contends that every other energy source also has some potential adverse environmental impact with which engineers must contend. In the case of nuclear energy, the problem lies with the fuel that comes out of the reactor. "In a lot of ways," she observes, "we are very lucky, because our waste - if you want to call it waste - or the used fuel, is right there. It doesn't go into the sky. There are no particulates. There aren't emissions. So we have the opportunity to deal with that waste."

However, used nuclear fuel is highly radioactive. That is, it emits gamma rays and neutrons that can penetrate cells and change their structure, causing radiation sickness, cancer and other diseases. And, it can remain radioactive for tens of thousands of years. "We need to be able to control that," says McCarthy. "And we can do that with something called 'shielding.'"

In most cases, that means burying or storing the used fuel. In the past, the spent fuel was placed in metal canisters. But those containers were designed for short-term use and were subject to rust; sometimes they were placed in unstable locations where radioactive waste could potentially leak into the environment. Today's nuclear fuel storage technology - including a technique for encasing the fuel in solid glass - is designed for the very long term. A proposal is being considered to store used material inside a mountain in the Nevada desert, far from present-day human populations.

Another promising approach is to vastly reduce the amount of radioactivity in the fuel that is stored by recycling what comes out of the reactor more efficiently. McCarthy explains that is possible because fuel waste is not really waste at all. "It actually has a significant energy value. We use less than one percent of the energy content of the original ore. Because there is a vast amount of energy left over that hasn't been tapped into, we can take that material, put it back into a reactor, cause it to fission, to break it apart and reduce the radioactivity. So we have ways not only to get the energy value from the fuel, but to use it safely."

The American nuclear industry once used reprocessed fuel extensively. But President Jimmy Carter ended that practice back in the 1970s as a way to limit the possibility that plutonium-rich material could end up in the wrong hands. "Basically you don't want people to take material and make weapons out of it," cautions McCarthy. "We're looking at processes that never separate plutonium by itself. So it makes it much less easy to take the material and use it for non-peaceful purposes."

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