후쿠시마 원전 사고의 정리

진도 9의 지진과 함께 원전의 사고로 인해 전 세계가 집중하고 있습니다. 

원전 사고를 보면서 이해가 되지 않아 직접 원전에 알아보고 생각을 정리했습니다. 분명히 지진이 발생하였을 때 가동이 멈췄다고 하는데 온도가 올라가고 멜트다운이 일어나고 폭발이 발생했는가에 의문이 있었습니다. 가동이 멈추었다는 것은 내부에서 핵분열이 멈추었다는 것인데 온도가 올라가는 이유가 매우 궁금했습니다.

그래서 위키백과 위주로 기본 지식을 쌓고 사고에 대한것을 알아가게 되었습니다.

혹시나 틀리거나 사실과 다른점이 있으면 알려주세요.

원자력 발전의 원리

원자력 발전의 원리는 생각보다 간단합니다. 하지만 실제로는 매우 복잡하고 정교해야 겠죠. 

핵분열이라고 많이 들어보셨죠? 중고등학교때에 이야기가 나올겁니다. 이 핵분열을 이용하는 것이 원자력 발전의 시작입니다. 핵분열은 주로 우라늄이나 플루토늄이라는 원자를 이용합니다. 이 원자에 중성자를 충돌시키면 이 원자들이 둘로 쪼개집니다. 쪼개지는 과정에서 엄청난 에너지가 발생합니다.

또한 쪼개지는 과정에서 또다른 2~3개의 중성자가 발생합니다. 그렇다면 우라늄 같은 원자가 잔뜩 모여있는 상태에서 중성자를 한개의 핵분열이 일어나게 되면 중성자가 2~3개가 나와 또다른 우라늄과 충돌, 다시 핵분열이 일어납니다. 이렇게 될 경우 핵 연쇄 반응이 나타납니다. 핵분열시에 엄청난 에너지가 발생하는데 이것을 제어하지 않고 계속 분열시키면 원자폭탄이 됩니다.

핵분열이 일어나면 중성자가 나오고 또다시 핵분열이 일어남

핵분열이 일어난 후 나오는 중성자를 흡수시켜 핵분열을 억제하여 응용한 것이 원자력 발전소가 됩니다. 즉, 핵분열 후 나오는 중성자를 흡수시켜 과도한 핵분열이 일어나지 않게 제어하면 많은 에너지가 나오지만 터지거나 하지는 않는 상태가 되며 이때 발생하는 에너지(열)을 이용하여 터빈을 돌리게 됩니다.

중성자를 흡수하는 물질이 흔히 붕소를 이용한다고 합니다. 일본이 우리나라에 요청한 것이 바로 붕소입니다. 붕소를 투입하면 중성자가 모두 흡수되어 없어지게 되고 그렇게 되면 핵분열이 일어나지 않아 안정이 되는겁니다.

원전사고 진행과정

이번 후쿠시마 원전 사고는 지진보다는 쓰나미가 더 직접적인 원인을 제공하였습니다. 먼저 지진이 발생하였을 때 아무 이상이 없었습니다. 원전은 지진을 감지하고 자동으로 제어봉을 삽입하여 가동을 중지했습니다. 제어봉이란 위에서 말한것 처럼 중성자를 흡수하는 붕소나 하프늄, 카듬뮤등으로 이루어져 있습니다. 제어봉을 삽입하였다는 말은 중성자를 흡수하여 더이상의 핵분열이 일어나지 않게 하는 것입니다.

지진 당시 1, 2, 3호기는 가동중이었으며 4, 5, 6호기는 정검중이라 가동이 멈춰선 상태였습니다. 지진 후 바로 제어봉이 자동으로 삽입 되어 원전의 가동이 중단되었습니다. 제어봉 삽입까지 모두 정상적으로 이루어졌습니다. 

그런데 왜 원전이 폭발하는 등의 사고가 발생하였을까요? 
저도 여기서 한참 의문점을 가지고 열심히 찾아보았습니다.

폭발하는 장면

이유는 핵분열이 멈추더라도 이미 높은 열을 가지고 있습니다.

발전의 원리는 핵분열로 발생하는 열로 물을 데우고 이 물이 증기로 변하면 터빈을 돌리는 것입니다. 물이 수증기로 변하면 부피가 매우 팽창하며 이 팽창한 부피로 터빈을 돌리면 전기가 발생하는 것입니다.

이렇게 팽창한 고온의 기체를 다시 식혀 물로 만든 후 다시 가열하게 됩니다. 여기서 우리나라와 일본의 원전 방식이 약간 다릅니다. 일본은 핵분열로 가열된 물이 기체로 변해 바로 터빈을 돌립니다.

우리나라는 핵분열이 일어나는 곳에서는 기체로 변하지 않습니다. 물을 끓이지만 압력이 높기 때문에 기체로 변하지 않는 것입니다. 기체는 압력이 높으면 너 높은 온도에서 기체로 변합니다. 핵분열이 일어나는 장소는 매우 높은 압력으로 기체로 변하지 않고 해당 물이 순환하면서 다른 물을 데우게 되는데 이 물이 기체로 변해 터빈을 돌리게 됩니다.

일본은 핵분열로 나오는 열로 물을 끓여 기체로 만들어 발전하지만 우리나라는 핵분열로 나오는 열이 물을 데우고 데워진 물이 또 다른 물을 데워 증기를 만들어 발전하는 방식입니다. 일본에서 쓰는 방식의 경우 열효율이 우리나라보다 높다는 장점이 있습니다.




아무튼 제어봉이 삽입되어 핵분열이 멈춰섰다 하더라도 이미 내부에 물은 뜨거워진 상태입니다. 가스렌지로 냄비를 데우다가 가스렌지를 끄더라도 냄비가 뜨거운 것과 같습니다. 핵분열이 멈춰섰더라도 이 열은 많이 뜨거운 상태고 순환 펌프로 물을 계속 순환시켜 열을 내려줘야 합니다.

하지만 지진 후 쓰나미다 덮치는 사고가 발생합니다. 이 과정에서 전력이 끊기거나 디젤펌프가 멈춰서게 됩니다. 즉 원자로 안의 열을 식혀줄 장치가 모두 멈춰서버렸습니다. 주 냉각장치, 보조냉각장치는 몇 중으로 냉강장치가 작동해야 했지만 모두 작동을 멈췄고 결국 내부의 열을 식히지 못하게 됩니다.


온도가 올라가면 물은 수증기로 변합니다. 계속 수증기로 변하면 내부의 수위가 낮아지기 시작합니다. 물이 끓어서 수증기로 변하게 되는 것입니다. 수위가 점점 낮아지다가 물 속에 잠겨있어야 하는 연료봉이 공기중으로 노출되게 됩니다.

공기중에 노출되게 되면 수중기인 물(수증기도 물이고 H2O이죠)과 반응을 하게 됩니다. 산화반응이 일어나는데 흔히 녹슨다 라고 표현합니다. 연료봉이 산소와 결합하는데 결합하는 산소는 수증기의 물에서 산소(O)를 가져오게 됩니다. H2O에서 O를 빼앗겼으니 남는것은 H(수소)뿐입니다.

수소는 가장 가볍고 가장 작은 기체입니다. 또한 이 수소는 산소와 격렬한 반응을 합니다. 즉 수소가 잔뜩 모인 상태에서 산소를 만나면 수소폭발이 일어나느 것입니다. 이렇게 폭발이 일어나 원자로의 외부 건물이 파괴되었고 내부의 방사능 물칠이 유출된 것입니다.



연료봉은 핵분열이 멈춰섰더라도 높은 온도를 유지하고 있는데 이걸 식히는데만해도 한참 걸린다고 합니다. 이런식으로 수소폭발 뒤 내부 온도는 내려가지 않고 있습니다. 여기서 또다시 노심 용해라는 사건이 나타납니다. 건물의 외벽은 파괴되었지만 내부의 격납용기가 크게 상하지 않는 거 같습니다.


노심용해는 말 그대로 노심이 녹아 내리는 현상을 말합니다. 노심은 핵분열이 일어나는 장소로 이곳이 녹는다는 뜻입니다. 최악의 경우는 원자로 압력 용기나 원자로 격납 용기, 원자로 등이 녹아 주위에 방사능 물질을 뿌릴 수도 있다는 것입니다.

 

열은 어떻게 식히나?

현재 일본에서는 원자로 내부에 붕소를 섞은 바닷물을 집어 넣었습니다. 일본 후쿠시마 원자로 내부에는 경수를 이용합니다. 경수는 일반 물이며 바닷물과는 다릅니다.

아무튼 일본정부는 해당 원전을 완전히 포기하면서 바닷물을 집어 넣었습니다. 이제 그 원전은... 못쓰는 것입니다. 


현재 헬기로 물을 쏟아 붇고 있는 것은 위와 상관 없는 다른 이야기 같습니다. 폐연료봉의 열을 식히는 구조물이 있는데 이쪽에 쏟는 듯 합니다. 4호기에 있는 폐연료봉을 보관하고 있는 장소에서 물의 수위가 낮아지고 폐연료봉이 발열하고 위와 같은 일이 발생하는 것입니다.

역시나 전력이 끊기고 이런저런 이유때문에 냉각이 제대로 되지 않기 떄문이지요. 또한 도쿄존력은 이 폐연료봉 보관 장소에서 핵분열 연쇄반응이 일어날 수 있따고 판단하고 붕소를 투입하고 있다고 합니다.





현재 엄청난 기사와 글들이 넘쳐나서 뭐가 뭔지 하나도 모를때가 많습니다. 아무튼 제 글이 조금이라도 도움이 되었으면 좋겠습니다. ^^


지진과 쓰나미는 이미 지나갔지만 원전사고가 더이상 커지지 않기를 바랄 뿐이네요.
이웃 나라 일본이 무너지고 있는데 정말 안타까울 뿐입니다.