위험인가, 가능성인가?
아는 만큼 보이는 원자력의 두 얼굴

우주를 구성하는 모든 물질은 원자로 이루어져 있다. 원자의 중심에 있는 원자핵은 ‘원자핵 반응’을 통해 엄청난 반응 에너지를 만들어내는데, 이것이 바로 ‘원자력’이다.
원자력은 평화적으로 사용하면 매우 큰 가치가 있다. 원자력은 지구 온난화나 기후변화와 같은 기존 화석 연료의 한계를 보완할 수 있는 새로운 에너지 자원으로 각광을 받았다. 인류는 지금으로부터 80여 년 전 원자력이라는 기술을 손에 넣음으로써 전과는 비교할 수 없는 풍요와 편리함을 얻을 수 있었다.
하지만 불행히도 인류는 파괴 무기인 ‘원자폭탄’을 만드는 데 이 원자력을 처음으로 사용했다. 원전 사고, 핵전쟁, 방사능 오염 등, 원자력에 얽힌 인류의 흑역사 역시 적지 않다. 이 같은 일련의 사건을 겪으면서, 원자력이 계속 가동할 가치가 있는 에너지인지에 대해 전 세계적으로 진지한 논의가 일었다.
이렇듯 원자력은 위험과 가능성을 모두 가지고 있는 양날의 검과도 같다. 이 책은 이론적인 면과 기술적인 면에서 ‘원자력이란 무엇일까?’, ‘원자력은 왜 위험할까?’, ‘원자력은 어떤 도움이 될까?’ 등을 쉽고 체계적으로 풀어나간 모두를 위한 교양서다. 원자력 발전을 찬성할 것인가, 반대할 것인가? 이는 독자 스스로 잘 생각하고 판단해야 할 문제다. 이 책이 그 판단에 도움이 될 수 있다면 큰 기쁨이겠다.

[목 차]
 
들어가며: 과학의 눈으로 보는 ‘원자력’

제1장. 원자력의 역사는 어떻게 시작되었나?
01 원자력 시대의 문을 연 퀴리 부부
02 20세기의 역사를 연 2대 이론
03 E=mc2은 거대 에너지를 나타낸다

제2장. 원자핵 반응을 이용하면 에너지 문제가 해결될까?
04 화학 에너지와 재생 가능 에너지
05 현대 사회에 필요한 폭발 에너지와 폭약
06 원자력 에너지 이용: 핵분열 반응은 어디에 사용되었는가?
07 원자력 에너지 이용: 수소폭탄과 우주
08 원자핵 반응을 어떻게 평화롭게 활용할 것인가?

제3장. 원자력을 이해하기 전에 원자와 원자핵을 알아보자
09 원자는 어떤 구조를 가지고 있을까?
10 원자핵은 어떤 구조일까?
11 우주는 빅뱅으로 시작되어 핵융합으로 생겨났다
12 원자핵 분열은 어떤 조건에서 일어날까?
13 원자핵 붕괴 반응으로 방사선이 방출된다

제4장. 방사선에 대해 알아야 할 것
14 방사선과 방사능은 다르다
15 우리에게 매일 쏟아지는 방사선
16 원자핵의 변화가 지구 에너지의 근원
17 방사선은 인체에 어떤 영향을 미칠까?
18 현대 의료에 꼭 필요한 방사선

제5장. 원자력 발전의 구조를 살펴보다
19 원자력 발전의 원자로는 화력 발전의 보일러와 같다
20 현재의 원자력 발전은 핵분열 반응만 이용
21 현재의 핵연료는 우라늄의 독무대
22 핵폭발을 억제하는 제어재의 역할
23 중성자의 속도를 억제하는 감속재의 역할
24 물은 일석이조의 냉각재

제6장. 원자로의 내부를 분해해보다
25 원자로 격납용기의 내부는 어떤 모습일까?
26 방사선 사고를 방지하기 위한 부속 시설의 역할
27 분류 방법에 따라 다양한 원자로의 종류

제7장. 원자력 발전은 환경과 어떤 관계가 있을까?
28 반드시 발생하는 사용후핵연료를 어떻게 처리할 것인가?
29 사용후핵연료의 안전한 재처리 방법은?
30 원자력 발전은 환경을 위해 어떤 배려를 하고 있는가?
31 방사능의 위험을 완화하는 방법은?

제8장. 세계를 뒤흔든 역사 속 원자로 사고
32 초기 원자로 사고는 군사용 실험로에서 발생했다
33 세계적으로 피해의 심각성을 알린 스리마일섬 원전 사고
34 체르노빌 사고는 어떻게 일어났을까?
35 미군의 수소폭탄 실험으로 피폭된 제5후쿠류마루 사건
36 우여곡절의 길을 걸은 원자력선 ‘무츠’호 사고
37 부실한 작업 실태가 일으킨 도카이무라 임계 사고
38 꿈을 산산조각 내버린 고속증식로 ‘몬주’의 사고
39 2011년 3월 11일에 일어난 후쿠시마 제1원자력 발전소 사고
40 전쟁과 테러와 같은 예기치 못한 사태를 대비해

제9장. 앞으로 원자력 발전은 어떻게 진화해나갈까?
41 고속증식로의 연료 증식 구조
42 장점도 있지만 문제점도 있는 토륨 원자로의 개발
43 1950년대 1세대부터 차세대 원자로까지
44 마침내 수명이 다해가는 원자로의 신진대사
45 원자력 발전의 미래는 어떻게 될까?

제10장. 핵융합로는 인류의 미래를 짊어질 비장의 에너지 카드?
46 태양과 수소폭탄의 핵융합 반응
47 앞으로 30년이 더 필요한 핵융합로의 완성
48 1억 ℃의 연료를 견디는 핵융합로의 종류와 구조
49 핵융합로 실현을 위한 거대 국제 프로젝트가 생겼다

[본 문]
 
마리 퀴리는 1934년 프랑스에서 생을 마감하기까지 모든 열정을 바쳐 연구에 몰두했다. 현재, 그녀의 사인은 장기간의 방사선 피폭에 의한 재생불량성 빈혈로 추정되고 있다. 하지만 당시에는 방사선의 위험성이 잘 알려지지 않았기 때문에, 그녀는 방사성 원소가 든 시험관을 옷 주머니에 넣고 옮겼다고 한다. 마리 퀴리는 백내장에 기인한 실명 상태를 포함해 방사선 피폭에 의한 다양한 질병에 걸렸을 가능성이 크다. 그럼에도 그녀는 방사선 피폭으로 인한 건강 악화에 대해서는 결코 인정하지 않았다고 한다.
_제1장. ‘원자력의 역사는 어떻게 시작되었나?’

주요 원자핵 반응에는 핵분열과 핵융합이 있다. 원자폭탄은 핵분열 반응을 이용한 폭탄이며, 앞으로 살펴볼 수소폭탄은 핵융합 반응을 이용한 폭탄이다. 원자폭탄과 수소폭탄 모두 원자핵 반응을 이용한 ‘핵폭탄’으로 동일 선상에서 언급되는 경우가 많다. 하지만 두 폭탄의 원리는 완전히 반대이며 발생하는 에너지도 현격하게 다르다.
_제2장. ‘원자핵 반응을 이용하면 에너지 문제가 해결될까?’

방사성 물질이 가진 ‘방사선을 방출하는 능력 또는 성질’을 ‘방사능’이라 한다. 방사선은 물질이나 에너지이며 생물과 충돌하면 생물에 치명적인 피해를 줄 수 있다. 하지만, 방사능은 ‘능력·성질’이므로 해를 입힐 수 있는 ‘물질’은 아니다. 야구에 비유하면 이 관계를 이해하기 쉬울 것이다. ‘방사성 물질’은 투수다. 투수가 던진 공이 ‘방사선’이다. 투수가 지닌 투수로서의 소질과 능력이 ‘방사능’이다. 맞아서 아픈 것은 데드 볼이지, ‘투수의 능력’이 사람을 때려 상처를 입히는 일은 있을 수 없다.
_제3장. ‘원자력을 이해하기 전에 원자와 원자핵을 알아보자’

지구에는 우주에서 날아오는 우주방사선이 쏟아지고 있다. 이 우주방사선은 방사선과 동일하다. γ선과 중성자선이 주를 이루는 우주방사선은 인체에 매우 해로우나 지구의 대기, 특히 높은 성층권에 있는 오존층이 이를 흡수해 차단한다. 오존층은 지구가 지닌 천연의 장벽이다. 오존층과 같은 차폐물이 없다면 지구상에 생명체는 존재할 수 없었을 것이다. 그뿐만 아니라 애초에 생명체가 탄생하는 일도 없었을 것이다.
_제4장. ‘방사선에 대해 알아야 할 것’

원자로는 보일러에 해당하는데, 원자로와 보일러의 차이는 수증기를 만드는 데 ‘원자핵 반응’을 사용할 것인가, ‘화학 반응’을 사용할 것인가 하는 점이다. 다시 말해, 보일러는 탄소연료를 태워 발생하는 연소 에너지 즉 ‘화학 에너지’를 이용해 수증기를 만드는 데 반해, 원자로는 핵분열에 기초한 원자핵 에너지인 ‘원자력’을 그 에너지로 사용한다는 차이가 있을 뿐이다.
_제5장. ‘원자력 발전의 구조를 살펴보다’

원자력 발전시설은 에너지와 동시에 핵분열 생성물도 생산한다. 이 핵분열 생성물은 강한 방사능을 가진 방사성 물질로, 강한 방사선을 방출한다. 따라서 원자로에서는 방사성 물질은 물론 방사선도 결코 외부로 누출되는 일이 없도록 주의해야 한다. 원자로 내의 방사성 물질이나 방사선이 외부 환경에 누출되지 않도록 차단하는 장치를 일반적으로 차폐장치라 한다. 차폐장치는 여러 겹으로 되어 있는데 크게 압력용기와 격납용기로 구분할 수 있다.
_제6장. ‘원자로의 내부를 분해해보다’

원자력 발전이 1kWh(킬로와트시)당 발생시키는 이산화탄소의 양은 석탄 화력, 석유 화력, LNG 화력에 비해 월등히 적다. 태양광이나 풍력 등의 자연 에너지와 같은 정도다. 덧붙이자면 원자력 발전소에서는 NOx도 SOx도 발생하지 않는다. 그런 의미에서는 깨끗한 에너지라고 할 수 있다. 이러한 우수한 환경 적합성을 가지는 한편으로, 원자력 발전에는 방사선과 방사성 물질이 발생되므로 주변 환경에 영향을 주지 않도록 항상 엄격한 관리와 취급을 해야 한다.
_제7장. ‘원자력 발전은 환경과 어떤 관계가 있을까?’

체르노빌에는 총 4기의 원자로가 있었는데 사고가 발생한 건 그중 4호기에서였다. 사고 후 4호기는 콘크리트로 메웠는데 최근 방사선 때문에 콘크리트가 약해져 그 위를 한 번 더 콘크리트로 덮는 방안이 검토되고 있다. 지금도 원자로 주변 30km까지는 출입이 금지되고 있다. 최근에는 방사선량이 내려간 상태였지만 2022년 2월 러시아군이 우크라이나 체르노빌을 침공하면서 다시 방사선량이 상승했다. 전차가 원자로 부근을 지나는 바람에 땅이 파헤쳐져 묻혀 있던 방사성 물질이 지표면 위로 드러났기 때문이라고 한다.
_제8장. ‘세계를 뒤흔든 역사 속 원자로 사고’

2011년에 일어난 후쿠시마 제1원자력 발전 사고의 비극을 본 세계는 원자력 발전에서 손을 뗀 것처럼 보였다. 그러나 화석 연료가 발생시키는 이산화탄소 증가로 인해 지구 온난화 및 기후변화 문제가 심각해지면서 최근에 다시 원자력 발전을 이용하려는 움직임이 나타나고 있다. 원자력을 대체할 것으로 기대되었던 재생에너지의 취약성과 우크라이나 위기에 따른 러시아 에너지의 이탈 등이 그 움직임에 박차를 가하고 있다.
_제9장. ‘앞으로 원자력 발전은 어떻게 진화해나갈까?’

원자핵에서 에너지를 추출하는 반응에는 핵분열 반응과 더불어 핵융합 반응이 있다. 핵융합로는 이 핵융합 반응을 이용해 열을 추출하고 그것을 이용해 전기를 생산하는 것이다. 앞서 살펴본 바와 같이 핵융합 반응에서 얻을 수 있는 에너지는 핵분열 반응에서 얻을 수 있는 에너지에 비해 월등하게 많다. 핵융합로야말로 인류의 미래 에너지를 짊어질 비장의 카드일지도 모른다.
_제10장. ‘핵융합로는 인류의 미래를 짊어질 비장의 에너지 카드?’