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파이로 개발 위한 大전략 “안 돼요, 돼요, 돼요…”

한미원자력협정 개정 협상 카운트다운!

  • 이정훈 편집위원 | hoon@donga.com

파이로 개발 위한 大전략 “안 돼요, 돼요, 돼요…”

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기폭장치 개발은 농축이나 재처리보다 어렵다고 한다. 기폭장치는 정교하니 덩치가 크다. 1t에 육박한다. 따라서 완성된 핵탄두의 무게는 1t이라는 통설이 형성됐다. 1t짜리 핵탄두를 싣는 미사일은 어머어마한 크기여야 한다.

2013년 발사에 성공한 나로호는 길이 33m에 무게 140t이지만 탄두로 볼 수 있는, 싣고 간 위성의 무게는 100kg에 지나지 않았다. 그러니 나로호는 핵탄두를 싣는 대륙간탄도미사일(ICBM)이 될 수 없다. 100만분의 1초 이내에 작동하는 1t 이하의 기폭장치 개발은 매우 어렵다.

플루토늄이 포함된 超우라늄

북한은 우라늄을 농축해 핵무기를 만들지 않았다. 재처리를 통해 제작했다. 미국이나 러시아 등 기존 핵 보유국도 대부분 재처리로 핵무기를 만들었다. 재처리가 핵무기 제조의 주된 루트가 된 데는 그럴 만한 이유가 있다.

한국이 많이 운용하는 경수로는 우라늄 235를 5% 정도로 농축한 것이다. 한국 경수로는 이러한 핵연료를 무려 75t 장전하지만, 임계질량 부족으로 핵분열하지 않는다. 따라서 ‘조작’을 한다. 인위적으로 중성자를 쏴 235를 분열시키는 것이다.



인위적으로 쏴준 중성자가 원자로 안을 마구 돌아다니다가 100분의 5 확률로 235와 충돌하면, 235가 쪼개지면서 강력한 열과 함께 방사선이 나온다. 방사선은 원자로로 차단하고, 열로는 물을 끓여 증기를 만들고, 그 증기로 발전기를 돌리는 것이다.

중성자를 맞은 우라늄 235는 품고 있는 중성자 2~3개를 방출하니, 원자로 안에서는 중성자가 급증해 더 많은 235가 분열된다. 그에 따라 열이 빠르게 높아지는데, 극도로 심해지면 원자로가 녹는 ‘용융’이 일어난다. 사고(事故)가 일어나는 것. 이를 막으려면 중성자를 잡아먹는 물질을 넣어 적정 수의 중성자만 돌아다니게 한다. 이 물질이 바로 가돌리늄과 붕소다.

원자로 안에는 물을 넣어 핵연료에서 나오는 열을 받아내는데, 이 물에 붕소를 타 붕산수를 만든다. 마구 늘어나는 중성자는 붕산수가 대체적으로 제어한다. 그리고 가돌리늄을 품은 막대기인 ‘제어봉’을 원자로 안에 넣었다 뺐다 하며 미세 조절을 해, 원자로에서 일정한 출력(열)이 나오게 한다.

원자로를 가동할 때 95%를 차지하는 우라늄 238도 중성자를 맞는다. 238은 대체로 중성자를 튕겨내지만 가끔은 먹어버린다. 중성자의 질량은 1이니 중성자를 먹은 우라늄 238의 질량은 239가 된다. 자연계에는 없는 더 무거운 물질이 되는 것인데, 이것이 바로 플루토늄이다. 극미량 존재하는 우라늄 233, 234 등도 중성자를 받아 새로운 물질이 되는데, 이를 ‘초(超)우라늄’이라고 통칭한다. 플루토늄도 초우라늄에 포함된다. 그리고 쓰레기인 ‘핵분열 생성물’도 생겨난다.

재처리는 플루토늄만 긁어내는 것이다. 이것이 우라늄 235를 농축하는 것보다 쉬워서 대부분의 핵무기 보유국은 사용후핵연료 재처리로 얻은 플루토늄으로 핵무기를 만들었다. 현실이 이러하니 미국 등 원자력 기술을 전수하는 나라들은 어떠한 경우에도 재처리와 농축을 하지 못하게 한다.

고준위폐기물 줄여라

미국의 기술을 받아 원자력 발전을 시작한 나라는 사용후핵연료를 쌓아놓고만 있어야 하는 것이다. 여기에 심각한 문제가 있다. 사용후핵연료는 방사선과 함께 발전(發電)을 하기에는 모자라지만 물은 충분히 끓일 수 있는 열을 오랫동안 방출한다.

방사선은 5m 정도 깊이의 물은 통과하지 못한다. 그 때문에 사용후핵연료를 물을 넣은 수조에 담아놓는다. 사용후핵연료에서 나오는 열은 50여 년이 지나면 상당히 떨어지니, 50년 이상 수조에서 보관하는 것이다.

그리고 꺼내 용기에 담아 ‘건식(乾式) 보관’을 하거나 사람이 접근하기 어려운 지하 500~1000m 깊이의 암반동굴에 넣어 매립해버린다. 동굴에 매립하는 것을 ‘영구처분’이라고 한다.

미국은 땅이 넓고, 불모지인 사막도 많으니 영구처분장을 지을 수 있다. 그러나 한국은 인구밀도가 매우 높고 불모지가 없어, 영구처분장 될 곳 찾기가 쉽지 않다. 그래서 궁여지책으로 주목하게 된 것이 재처리다. 재처리를 하면 가장 많은 초우라늄인 플루토늄은 핵연료로 재사용하고 기타의 초우라늄과 핵분열 생성물은 긁어내 따로 관리하니, 고준위 폐기물이 크게 줄어든다.

고준위 폐기물은 사용후핵연료의 5%를 차지한다. ‘독종’들이 빠진 사용후핵연료는 100여 년 보관하면, 방사선 농도가 자연방사선 정도로 떨어지는 중준위 폐기물이 된다. 따라서 100여 년 뒤에는 처분장에서 꺼내 다른 용도로 재활용하거나, 김포매립장 같은 일반 쓰레기매립장으로 보내도 된다.

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이정훈 편집위원 | hoon@donga.com
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