공부하고 정리하고

이번에는 전 세계적으로 탈원전을 추진하는 나라가 생기게 만든 주원인인 후쿠시마 원자력 발전소의 사고에 대해서 다루어 보려고 합니다. 특히, 우리나라에 큰 영향을 주었죠.
다들 사고가 발생한 것은 알고 있겠지만 정확히 어떻게 사고가 발생했는지 알고 계시는가요?
저도 원자력을 배우기 전까지는 잘 몰랐는데요. 오늘 한번 다 같이 알아보죠.

2011년 일본에 동일본대지진이 강타합니다. 이 지진은 태평양 해역지대에 발생했고 대형 쓰나미를 발생시켰습니다. 이 지진 및 해일로 15,894명 사망, 2562명이 실종되었다고 합니다.
엄청난 대형 재난이죠.
이때 후쿠시마 원자력 발전소는 지진 발생과 동시에 원자력 발전 가동을 중지시킵니다.
그러나 원자력 발전소에서 생산되는 전기를 송전하기 위한 송전탑들은 무너져 내리며 외부전원이 차단되는 상황이 발생합니다. 그래서 이를 대비해서 존재하는 비상 발전기들이 가동을 시작했습니다.

하지만 지진이 만들어낸 거대한 해일이 후쿠시마 원자력 발전소에도 들이닥쳤습니다. 쓰나미를 위해 제방을 쌓아둔 이 발전소는 이 대형 쓰나미에는 속수무책이었습니다. 쓰나미는 제방을 넘어 발전소를 덮쳤습니다. 이에 비상용 발전기들이 작동 중이던 지하 공간에 물이 들이 닥쳤습니다. 발전기는 가동을 중단하였습니다.
이 결과로 후쿠시마 원자력 발전소 제1원전은 블랙아웃 현상이 나타나 결국 완전전원상실사고가 발생하게 됩니다. 전원이 공급이 안되면 그 수많은 공학적 안전설비들이 작동을 하지 않습니다. 이는 치명적인 결과를 불러옵니다. 냉각수 펌프가 정상작동을 하지 않으면서 원자로 내부의 온도가 상승하며 압력도 같이 증가합니다.

결국, 냉각수가 증발하며 내부온도는 1200도까지 상승하며 제 1방벽인 펠렛과 연료봉 그리고 제 2방벽인 원자로또한 녹아버립니다. 그리고 마지막 방벽인 제 3방벽또한 녹아버립니다. (여기서 이 방벽은 우리나라 원전인 PWR보다 훨씬 얇습니다.)

그리고 핵연료의 피복재는 지르코늄으로 이루어지는데 고온의 상태에서 물과 반응을 하여 수소를 발생시킵니다. 이 수소는 내부압력을 올리고 폭발을 유발하게 됩니다. 이를 통해 대기로 방사성 물질이 방출되게 됩니다.
사실 이 과정은 순식간에 일어난 과정들이 아닙니다. 사고 발생은 11일 14시 46분에 발생했고 15시 30분에 모든 전원을 상실하게 됩니다. 17시에 비상용 발전차를 보내지만 교통혼잡으로 늦게 도착합니다. 23시가 되어 현장에 도착하였지만 전력계통의 전반적인 문제로 전력공급이 12일 15시까지 연기가 됩니다. 하지만 12일 6시경 모든 원자로에서 용융이 발생한 상태였습니다. 그리고 14일까지 걸쳐1~4호기중 4호기를 제외한 원자로에서 수소폭발이 일어났고 방사능 누출이 되었습니다. 그리고 사고의 확산을 막기 위해 뒤늦게 바다의 해수를 끌어와 노심에 주입했습니다. 하지만 이미 늦은 상태였습니다.

이때 사고로 많은 방사성 물질이 누출되었고 한호기 이상의 다수 호기가 사고가 발생한 만큼 원자력 발전의 안전에 대한 우려가 많이 나왔습니다. 그래서 이 사건의 재구성 같은 느낌의 영화 ‘판도라’도 우리나라에서 개봉이 되어 많은 사람이 영화를 보고 우려를 표했습니다. 하지만 전문가들은 이러한 사고가 우리나라에서는 일어날 수 없다고 합니다. 왜 그럴까요?

우선 첫 번째로 사고가 발생한다고 하더라도 격리된 원자로 시스템에 의해 사고의 확대가 발생되기 어렵습니다. 스리마일에서처럼 말이죠. 그리고 마지막 방벽인 격납용기도 우리나라의 경우 1m가 넘는 두께를 가집니다. 반면에 이 당시 일본의 원자로는 20cm의 두께의 격납용기였습니다.
두 번째로 일본과 같은 정전사고가 발생하기 어렵습니다. 제가 이 부분에 대해서는 추후에 따로 포스팅할 계획에 있지만 간략히 말씀드리면 모든 비상 발전 시스템은 예상 범람 위치보다 높은 위치에 설치가 되어있고 이 발전기가 작동하지 않을 때 사용하기 위해 터빈 구동형 발전기라던가 비상용 발전기가 하나에서 두개정도 추가로 설치가 되어있습니다. 그래서 완전전력상실사고는 사실상 불가능합니다.

그리고 이 후쿠시마 발전은 문제점이 있었던 게 국제 원자력 기구인 IAEA에서도 감찰시 이 비상용 발전기가 지하에 있는 것은 사고 시 침수가 된다면 정전을 유발할 수 있으니 높은 위치로 옮기라는 권고가 있었다고 합니다. 하지만 후쿠시마 원자력 발전소는 그렇게 하기 전에 사고가 발생한 것인지는 모르지만 이를 시행하지 않았습니다. 그리고 제방의 높이 또한 마찬가집니다. 제방의 높이가 충분하지 않았기에 쓰나미를 막지 못했습니다.
반면에 진앙지와 더 가까웠던 발전소가 하나 더 있었습니다. 바로 오나가와 원자력 발전소인데 이 발전소는 지대가 높아 쓰나미가 들어오지 못했고 안전하게 정지한 상태로 대기하고 있었습니다. 이 발전소는 그래서 피해가 없었습니다. 오히려 주변 주민들은 높은 지대임을 인지하고 이 발전소 근처로 피했다고 합니다.
결론적으로 말씀드리면 원자력 발전소에서 사고가 난 가장 큰 이유는 발전소의 비상 발전기가 제대로 작동하지 못한점이었고 이는 사실 PWR, BWR을 떠나서 지하에 설치한 잘못이 컸습니다. 굳이 PWR이 아니라 BWR이었어도 전력상실만 안당했다면 큰 사고로 번지지는 않았을지도 모릅니다. 그리고 이 사고에서는 후처리에서도 많은 문제가 있었습니다. 정부의 많은 불신을 일으켰고 주민들은 제대로 된 상황 설명을 들을 수 없었습니다.
이는 원자력에 대한 불신과 공포를 키우는 원인이었습니다. 투명하게 방사능 누출양을 알려주고 오염된 정도를 실시간으로 모니터링을 해주고 자연방사능과 비교 및 한계 방사능을 알려주었다면 좋았을 거라고 생각합니다. 만약 우리나라도 비슷한 상황에 있다면 꼭 이런 정부의 대처가 필요하다고 생각합니다.

오늘까지 해서 큰 사고들을 다루었습니다. 어떠하신가요? 원자력 발전소는 위험하다는 생각이 드시나요. 저 또한 위험하다는 생각이 드는군요. 하지만 이러한 생각도 듭니다. 제가 이때까지 설명한 모든 사고들은 모두 인간에 의한 사고입니다. 사람의 실수 잘못 오판에 의한 결과들이었습니다. 그렇기에 더더욱 믿지 못합니다.

하지만 현재 사용하는 우리나라의 PWR은 사람과 별개로 수많은 기계들이 각자의 역할을 맡아 다양한 방향에서 원자로를 안정시키기 위해 여러 설비들을 사용됩니다. 

"해당포스팅에 사용한 이미지는 구글이미지임을 알립니다."

"해당포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 글입니다."

(출처 : https://news.samsung.com)

이번에 삼성전자에서 X선 피폭량을 줄일 수 있는 고감도 디텍터를 개발하였다고 합니다. 삼성전자 종합기술원에서 방사선 피폭량을 1/10로 줄일 수 있는 디텍터를 성균관대와 공동연구를 통해서 개발하였는데 X선 발생장치와 삼성전자의 개발한 부분을 소개할게요.

(출처: http://www.teledyneicm.com)

[X-선 발생장치 원리]

위에 그림과 같이 진공 tube 안에 필라멘트를 두고 열을 주면 전자가 튀어나오게 됩니다. 이 전자를 튜브에서 고전압을 걸어서 가속을 시키고 양극에 연결된 금속(보통 텅스텐사용)을 때리게 됩니다. 금속의 핵들은 가속된 전자와 충돌하여 전자가 들뜨게 되어 안정화되며 빛을 발산합니다. 이때 X선이 발생하게 됩니다.
발생한 X선은 tube를 나와 target(샘플 또는 사람)을 지나고 물질을 지나면서 감쇠한 에너지 정도를 detector로 받아들이게 됩니다. 여기서 감쇠는 질량감쇠계수에 따라 감소하는데 나중에 원리에 대해서 자세히 소개하겠습니다.

(출처 : https://www.tue.nl) ->기존의 Detector방식

[Detector의 무엇을 바꾼건가?]

삼성에서는 Detector에 사용하는 소재를 개발했는데 기존의 X-ray 평판 디텍터에 비해 감도가 20배 이상 뛰어나고 생산 가격도 더 낮은 페로브스카이트 반도체 소재를 개발하였습니다. 우선 20배 이상 감도가 좋다는 것은 기존의 X-선보다 20배 이상 낮은 선량을 가진 X-선도 감지한다는 것이기 때문에 피폭량을 줄일 수 있을 것입니다.
그리고 페로브스카이트라는 물질을 사용하였는데 러시아 과학자 페로브스키를 기념하여 명명한 무기물+유기물 결합하여 가지는 어떤 결정 구조체를 말합니다. 이 결정 구조체는 AMX_3큐빅으로 A, M양이온, X는 음이온으로 결합된 구조입니다. 이 결정구조는 에너지 전환 효율이 20%가 넘어 기존에 고효율 태양전지로 연구가 진행이 되고 있던 물질입니다.

(출처 : http://www.asiae.co.kr)

이 물질을 이용해 디텍터로서 사용을 하려면 투과성질을 낮추어야 하므로 태양전지의 1000배 이상 두께가 필요하고 동시에 엑스선에 의해 변환된 전기신호를 보존하는 성능확보가 가능한 합성방법을 이번에 개발한 것이라고 합니다.
또한, 이 물질은 진공 증착법으로 만든 기존의 디텍터와는 다르게 액상 공정을 통해 대면적으로 제작할 수 있어 디텍터를 크게 만들어 한 번에 전신 촬영이 가능한 X-ray 장치를 만들 수 있다고 합니다.
아직 남아있는 기술적 문제들이 있어서 연구중이라고 하지만 개발이 된다면 X선, CT 촬영을 좀 더 안심하고 받을 수 있는 날이 오지 않을까 싶습니다.

(출처 : https://namu.moe)

[동위원소란 무엇일까요?]

원자번호가 같지만, 원자량이 다른 원소를 말합니다. 원자번호는 양성자수로 넘버링이 됩니다. 수소는 양성자 수 1이고 원자번호는 1이고 탄소의 경우는 양성자 수가 6개고 원자번호는 6이 됩니다. 그리고 이 원자가 이온화된 상태가 아니라면 양성자의 +전하량만큼 -전하가 있어야 평형을 이루겠죠? 그래서 양성자 수와 전하량이 같은 전자가 똑같은 수만큼 있습니다. 그런데 원자량이 다르다라는 말은 무엇이 다른 걸 까요? 바로 중성자 수의 차이입니다. 수소를 기준으로 예를 들겠습니다. 양성자 하나 전자 하나로 이루어진 것이 우리가 아는 수소입니다. 그런데 양성자 하나 중성자 하나 전자 하나로 이루어지게 되면 중수소, 중성자가 하나가 더 있으면 트리튬이 됩니다.

여기서 트리튬의 경우는 불안정합니다. 안정된 상태의 한계치를 넘어선 것이지요. 트리튬은 그래서 붕괴를 하게 됩니다. 이러한 동위원소를 방사성 동위원소라 합니다.
인위적으로 만든 핵종 말고 자연계에도 이러한 방사성동위원소는 존재합니다. 태양으로부터 날아온 우주선을 맞아 생기는 트리튬이나 14-C(탄소연대측정법에 활용되죠)가 있습니다. 그리고 지구의 탄생과 함께 존재해왔을 원시 핵종이 있습니다.

(출처 : http://m.blog.daum.net/_blog/_m/articleView.do?blogid=0MBTd&articleno=6592734

원시 핵종은 계열과 비계열 방사성 동위원소가 있습니다. 비계열은 어떤 핵종으로부터 오거나 어떤 방사성핵종을 만드는 핵종이 아니고 그 하나가 방사성핵종으로서 존재하는 것입니다. 현재까지 존재하는 이유는 반감기가 매우 길기 때문이죠. 여기에는 40-K, 87-Rb입니다. 계열은 우라늄 계열, 토륨 계열, 악티늄 계열, 넵투늄 계열이 있는데 반감기가 긴 방사성 핵종이 붕괴하고 붕괴한 핵종이 또 붕괴해서 안정 핵종인 납까지 붕괴하는 핵종들이 부모와 자식의 관계처럼 연결된다 해서 계열을 이룬다고 합니다. 여기서 넵투늄 계열은 현재는 시간이 흘러 붕괴해버려 존재하지 않습니다.

(출처 : 경북대학교 핵물리연구실)

위에 그래프 처럼 검은색 라인따라서 안정핵종이고 그보다 양성자 수가 많으면 양성자 과잉, 중성자가 더 많으면 중성자 과잉 핵종입니다. 여기서 계열을 따르는 방사성 동위원소들은 중성자과잉 핵종으로 볼 수 있습니다. 양성자 과잉핵종은 입자 가속기에서 생겨납니다. 나중에 이에 대한 소개는 자세히 해볼게요.
결론은 방사성을 나타내는 동위원소가 방사성 동위원소입니다. 자연계에 존재하는 방사성 동위원소는 우주선으로부터 생기거나 태초부터 있었을 것입니다. 태초부터 있는 방사성 동위원소는 계열과 비계열 동위원소로 나뉜다로 정리되겠습니다.

방사선분야 기본상식중 하나인 X선과 감마선의 차이에 대해서 이야기 해볼까 합니다.

X선과 감마선은 전자기파입니다. 즉, 광자입니다. 두 개는 성질이 똑같습니다. 물리적으로 똑같습니다. 차이라고는 에너지 영역의 차이가 있겠네요. 하지만 낮은 에너지 영역의 감마도 있기 때문에 경계에서는 이것으로 구별 짓기는 힘들겠습니다. 그렇다면 왜 두 개를 구분 지을까요? 이 두 선은 출신지가 다르기 때문 입니다. 즉, 발생원인이 다릅니다.

(출처:한국원자력환경공단)

원자는 양성자와 중성자로 이루어진 핵과 그 주위에 에너지가 불연속적인 에너지 준위를 따라 오비탈이 형성되고 그 궤도에서 전자는 원운동을 하게 되어 원자를 구성하게 됩니다.
먼저, X선 발생원인을 한번 알아보죠. X선은 전자의 여기 작용으로 발생합니다. 원자가 외부로부터 에너지를 받게 되면 핵과 안정적으로 결합하고 있던 전자가 힘을 받아 더 높은 에너지 준위로 도약을 하게 됩니다. 한마디로 들뜨게 됩니다. 들뜬 상태로 있으면 불안정하겠죠? (자연계는 모든 물질이 안정된 상태로 갈려는 성향 즉, 엔트로피가 증가하는 방향으로 행동을 합니다.)불안정한 전자는 선택규칙에 따라 전자기파를 내며 안정한 준위로 내려오던가 그에 상응하는 전자(오제전자)를 방출하며 안정성을 찾습니다. 이때 나오는 전자기파를 X선이라고 합니다. (사실, 제동복사와 특성 X선으로 방출되지만 그냥 X선이라 하겠습니다.)
두번째로, 감마선의 발생원인은 핵으로부터 나옵니다. 핵은 양성자와 중성자로 이루어지는데 양성자끼리의 클롱척력을 이겨내기 위해 중성자와의 핵력으로 붙잡고 있는 형태입니다. 그렇다면 이 형태가 불안정하다면 핵이 중성자가 많아서 또는 양성자가 더 많아서 불안정하다면 중성자가 전자를 잡아서 양성자가 되거나 양성자가 전하를 때버리고 중성자가 되려고 합니다. 이때 발생하는 에너지가 감마선으로 방출됩니다.
둘 다 전자기파지만 엑스선은 전자의 여기 작용으로부터 감마선은 핵반응에서 나온다고 보시면 됩니다.

(출처:wikipedia)

방사선에 대해서는 다들 들어 보셨을 거라고 생각합니다. 뭔가 위험하고 조심해야만 할 것 같은 느낌이 들죠. 하지만 동시에 엑스레이나 CT, 암치료분야와 산업 분야 연구 분야등 다양한 분야에서 우리의 삶의 질을 향상하는데 도움을 주기도 합니다.

방사선은 1895년 11월 뢴트겐이 진공 음극관에서 처음으로 엑스선을 발견하면서 우리에게 알려졌습니다. 이때 이것이 무엇인지 몰랐기 때문에 이름을 X선이라고 지었다고 해요. 그리고 그다음 해 1896년에 베크렐이 우라늄에서 방사선을 발견하게 됩니다. 1898년에는 마리 큐리가 라듐과 폴로늄을 분리하여 최초로 인공방사성동위원소로 제조하게 됩니다. 이 뒤로도 방사선에 관한 연구는 활발히 진행되었습니다.

그렇다면 방사선은 도대체 무엇인가? 방사선은 방사능을 가진 물질에서 나오는 빛이나 입자를 말합니다. 여기서 빛이라면 x선, 감마선, 자외선, 가시광선, 전자기파 등이 있고 입자는 알파선, 베타선, 중성자선을 말합니다. 하지만 자외선, 가시광선은 에너지가 낮아 공기를 전리시킬 수 없기 때문에 비 전리 방사선이라 부릅니다.

방사선은 방사능을 가진 물질에서 나오는 거라면 방사능은 무엇일까요? 방사능은 초당 붕괴하는 정도. 즉, 방사선을 내는 정도를 말합니다. 단위 질량 당 방사능이 강할수록 더욱더 위험하게 됩니다.
마지막으로 방사성은 약간 형용사적 느낌이라고 생각하시면 쉽습니다. 방사성 오염구역, 방사성 동위원소로 사용합니다. 방사능을 내는 성질, 방사선을 내는 성질로 생각하시면 됩니다.
따라서 사람이 맞은 양을 표현할 때는 맞은 양을 나타낼 수 있는 방사선을 얼마 맞은지 나타내는 선량이라는 개념을 사용하게 되고 피폭되었다 할 때도 방사선을 받았다 이므로 방사선 피폭이라는 말로 사용을 합니다. 그리고 방사능은 이 동위원소는 방사능이 얼마야 할 때 사용하게 됩니다.

-이미지 출처-

1. http://www.imagegreen.org

2.:wikipidia

3.http://www.hani.co.kr/arti/science/kistiscience/387098.html

4.http://hoho77.kr/board/board.php?board=important&page=1&command=body&no=3

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