원자핵 반응과 응용 (0022)
평화와 안녕 ......
한 물질의 원자핵이 중성자와 같은 다른 입자와 일정 조건 이상에서 충돌하게 되면 다른 원소의 원자핵인 다른 물질로 변환된다. 이 물질 변환 과정에서 질량의 변화와 함께 커다란 에너지 방출이 일어 나게 된다. 큰 질량의 원자핵이 분열하여 작은 질량으로 변하는 핵분열과, 작은 질량의 원자핵이 충돌하면서 큰 질량의 원자가 생성되는 핵융합이 있다. 원자핵의 분열과 융합 시에는 많은 에너지를 방출한다.
해나 별들이 열이 나고 빛 나는 것도 이러한 핵융합 반응과정 중에 발생하는 에너지인 것이며, 이러한 기본 원리를 이용하여 현대식 무기로 개발한 것이 원자폭탄, 수소폭탄 과 같은 핵폭탄 이다. 그 파괴력이란 엄청나다. 이미 개발해서 보유하고 있는 핵폭탄 물량만으로도 지구를 멸망 시키고도 남을 만큼 커다란 힘을 갖고 있다고 한다.
최근, 북한은 핵실험에 몰입하고 있고, 우리를 포함한 주변 각 국은 이를 억제할 묘안 찾기에 분주한 모습이다. 핵 공갈의 위협이 무섭게 진행되고 있지만 그 힘의 막강함이 얼만한 것인지에 대해서는 잘 모른다. 어려워진 경제.사회 현실 여건 속에서 생업에 지친 일반인들 인식은 먼 나라에서 나오는 토막뉴스 정도로 밖에는 자극하지 못하는 듯하다.
핵무기의 힘을 잘 아는 핵 강국들이 쉽게 묵인 할 것 같지는 않다. 이스라엘의 경우처럼 핵 보유를 슬쩍 넘겨질 사안은 아닌 듯 하다. 국제간의 이해관계가 이스라엘과 북한의 경우는 다르다고 보이며, 그렇다고 무력을 동원하기에도 여건은 어렵다. 북한이 고집을 꺾지 않는 한, 해결하기 위한 과정에서 무력 압박과 엄청난 경제적 고통이 따르게 될 것으로 예견된다. 자기네 체제 연장을 위해 선택한 방법이라고 보아 주기에는 위협이 너무 커지고, 감내해야 될 국민들의 고통도 뒤 따를 수 밖에 없게 된다.
핵반응의 기초상식과, 핵무기 개발 현황 그리고 폭발 시 영향 등에 관한 이야기 상식 수준의 자료를 정리하여 본다.
2009.6.18.(목)
K L Oh
■ 원자핵 반응
원자핵이 양성자 중성자 등 다른 입자의 충돌로 인하여 원자번호나 질량 수 등이 다른 별개 원소의 원자핵으로 변환되는 과정을 원자 핵반응이라고 한다. 충돌입자로는 알파입자 광자 양성자 중수소 이온입자 또는 가속장치로 가속되어 핵반응을 일으킬 만한 에너지를 가진 입자가 쓰일 수 있다. 원자핵 주위를 둘러 싸고 있는 전자구름을 뚫고 들어가서 그 핵 가까이에 접근 할 수 있어야 하며, 핵력(원자핵 내의 양성자 중성자와 같은 핵자와 핵자 사이의 결합력)이 작용할 수 있어야 한다. 핵력은 전기력의 100배 이상 강하며, 핵력은 10^-13 cm 정도 밖에는 그 힘이 미치지 못한다.
핵반응의 특징은 한 원자의 핵 안에서 변화가 일어나면 흔히 다른 원소를 생성한다. 또한 핵반응 속도는 온도, 압력, 촉매 등에 의한 영향을 전혀 받지 않고, 한 원자의 핵반응은 원자가 화합물이든 결합하지 않은 원소 형태로 존재하든 기본적으로 같다.
핵반응에 수반되는 에너지 변화는 화학반응에 따른 변화보다 훨씬 크다. 예를 들면 1.0g의 우라늄-235의 핵변환에서 8.2×10^7 kJ의 에너지를 방출 하지만, 1.0g 메탄의 연소에서는 56kJ의 에너지를 방출한다.
우라늄-233, 우라늄-235, 플루토늄-239 같은 핵은 자발적 방사성 붕괴 외에도 중성자에 의해 충격을 받으면 깨어져서 조각이 나는 핵분열을 일으킨다. 중성자와 핵이 충돌반응을 하면 대략 비슷한 크기로 두 개의 작은 핵 조각이 된다. 중성자의 충격을 받으면 우라늄 235핵은 분열하여 2개의 작은 핵이 되면 거대한 양의 에너지가 방출된다.
10n + 23592U → 14256Ba + 9136Kr + 3 10n + 200 MeV
핵분열은 항상 같은 모양으로 일어나는 것은 아니다. 우라늄-235에 대해서 백 개 이상의 다른 분열과정이 알려져 있다.
□ 핵 분열
1938년 독일 오토 한과 프리츠 슈트라스만은 중성자로 우라늄을 때리는 경우, 우라늄 핵의 반정도 크기의 핵들이 생성될 때가 있다는 것을 발견하였다. 실제로 매우 느린 중성자를 우라늄 235 92 U의 원자핵에 투입하면 크기가 비슷한 바리움 141 56 Ba 과 크립톤 92 36 Kr 으로 분열하는 것이다.
이것은 핵분열 시 3개의 중성자와 3.5 * 10^-28 Kg의 질량 결손에서 200 MeV의 에너지가 방출된 것이다. 이 때 나온 중성자는 다른 우라늄의 원자핵을 다시 때리게 되어 위의 경우와 같은 핵반응을 유도하게 되므로 핵분열은 연쇄적으로 나타나게 된다.
1g의 우라늄 235 92 U 속에는 약 10^21개의 원자핵이 있으므로 1g이 모두 핵분열 하면 대략 10^10 J의 엄청난 에너지가 방출된다. 핵분열은 이와 같이 막대한 양의 에너지를 내게 되므로 짧은 시간에 핵분열을 하게 된다면 엄청난 위력을 나타내게 되는데 이것이 바로 원자폭탄이다.
□ 핵 융합
핵분열과는 반대로 작은 질량을 가지고 있는 원자핵을 충돌시켜 질량이 큰 원자핵으로 만드는 것을 핵융합이라고 한다.
그 예로 헬륨 원자핵을 수소나 중소수의 원자핵을 융합하여 만드는 경우인데, 이것은 4개의 수소 원자핵이 결합하여 한 개의 헬륨 원자핵이 되는 핵반응으로 나타낼 수 있다.
4 11H → 42He + 2 01e + 26 MeV
핵융합은 핵분열의 경우보다 많은 양의 에너지를 방출하게 된다. 핵융합은 핵 사이의 전기적 척력 때문에 방해를 받는다. 그러므로 핵융합을 하기 위해서는 핵을 고속으로 충돌을 시켜야 하는데 그 한가지 방법으로 가스를 수천 만도로 가열하여 원자의 속도를 증가시키는 것이 있을 수 있다.
이렇게 엄청난 고온을 이용하는 핵융합 반응을 열핵반응이라고 한다. 핵융합 후 생성되는 헬륨은 원자핵이 매우 안정적이므로 방사선을 방출하지 않으며, 핵분열 시 생성되는 핵폐기물 또한 만들어지지 않는다.
태양이나 별은 내부에서 핵융합 반응이 일어나며 그 에너지를 방출하는 것이다.
(참고) 줄(Joule) 단위
1 J(줄, Joule) = 0.2390 cal (열화학 칼로리) = 6.24150974×10^18 eV (전자볼트) 1 cal(열화학 칼로리) = 4.184 J 1 줄(Joule) = 1 뉴턴(N) × 1 미터(m) = 1 볼트(V) * 1 암페어(A) * 1 초(S) = 1 와트(w) × 1 초(s)
□ 우라늄 원자의 핵분열 (ウィキペディア Wikipedia)
천연 우라늄에는 핵분열을 쉽게 일으키는 우라늄 235와 일으키지 않는 우라늄 234, 우라늄 238이 포함되어 있다. 우라늄 235에 중성자를 하나 흡수시키면, 우라늄 원자는 몹시 불안정하게 되어 두 개의 원자핵과 몇 개의 고속 중성자로 분열한다.
실제의 원자핵의 질량은 일반적으로 양자와 중성자의 질량의 총합계 보다 작다. 이 질량차이를 질량 결손이라고 부른다. 질량결손의 실체는 특수 상대성이론의 귀결인 질량과 에너지의 등가성 E = mc^2으로 질량에 환산되는 원자핵 내부의 핵자의 결합 에너지와 같다. 따라서, 분열전과 분열 후의 질량의 차이는 결합 에너지의 차이이며, 핵분열을 일으키는 곳의 질량의 차이에 상당하는 에너지가 외부로 방출된 것이다.
이러한 과정의 질량차이를 에너지로 환산하면 우라늄의 핵분열 반응으로 방출되는 에너지는 우라늄 원자 하나 당 약 200 MeV가 되어, 쥬울로 환산하면 3.2×10^-11 J가 된다. 1g의 우라늄 235 안에는 2.56×10^21개의 원자핵을 포함하므로 1g의 우라늄 235가 모두 핵분열을 일으키면 대략 8.2×10^10 J의 에너지가 발생하게 되는 것이다. 이 우라늄 235는 천연 우라늄에는 0.72%, 원자로로 사용하는 우라늄 연료에는 3 ~ 5%, 원자 폭탄에 사용하는 고농축 우라늄에는90% 이상이 각각 포함되어 있다.
. 핵융합
원자핵 융합(nuclear fusion)이란, 가벼운 핵 종끼리가 융합해 보다 무거운 핵종이 되는 반응이다. 일반적으로는 단지 핵융합으로 불린다.
원자핵끼리가 어느 정도 접근하면, 원자핵끼리 작용하는 힘(원자력)이 반발하는 힘(크론력)을 넘어 2개의 원자가 융합하게 된다. 융합의 타입에 따라서는 융합의 결과 방출되는 에너지량이 많은 것을 이용하여 수소 폭탄과 같은 대량 파괴 무기에도 이용되며, 핵융합로의 에너지 이용도 연구되고 있다.
원자핵 분열에 비해 반응에서 일어나는 온도와 압력이 높기 때문에 기술적 장벽이 높고, 현재의 수소 폭탄은 기폭제로서 원자 폭탄을 이용하며, 핵융합로는 고온 고압의 반응 시 플라스마를 막아야 하는 기술개발에의 어려움이 당면한 과제이다.
. 핵융합의 종류
. 열핵융합 - 초고온에 의해 일어나는 핵융합. . 충돌 핵융합 - 원자핵을 직접 충돌시켜 일으키는 핵융합. 원자핵의 연구 목적. . 스핀편극 핵융합 - 양자와 중성자의 자전의 각운동량의 파라미터(스핀)를 제어함으로서
핵융합 반응을 제어한다.
. 피크노(?) 핵융합 - 매우 고밀도의 별(백색 왜성)의 내부에서 일어나고 있다고 생각되고 있는 핵융합 반응. 전자가 원자핵의 크론력을 강하게 차단하고, 저온 상태에서도 영점 진동에 의한 양자 터널 효과에 의해 핵융합이 일어난다. . 뮤온 촉매 핵융합 – 부 뮤온이 원자핵의 전하 1개 분을 핵 근처까지 무효화하므로 핵융합이 일어나기 쉬워진다. 부 뮤온은 소멸까지 몇 번이고 이 반응에 관여할 수 있으므로 촉매와 같은 작용을 한다.
. 융합로나 폭탄에서의 반응
. D-T반응D(중수소) + T(삼중수소) → 4 He + n
핵융합 반응 중 가장 반응시키기 쉬운 것이 중수소(D)와 삼중수소 (트리튬, T)를 이용한 반응이다. 이것은 과거에는 수소 폭탄에 이용되었고, 현재에도 가장 실현 가능성이 높은 핵융합로의 반응에 이용되고 있다.
. 항성에서의 반응
항성 등에서 나오는 에너지도 기본적으로는 핵융합에 의한 것이다.
. D-D반응 D(중수소) + D → T(삼중수소) + p (양자) D + D → 3 He + n
수축하고 있는 원시별의 중심 온도가 약 250만 O K를 넘으면 핵융합이 일어나기 시작한다. 처음에는 비교적 일어나기 쉬운 2개의 중수소(D)가 반응하는 중수소 핵융합(공학에서는 D-D반응이라고 부름)이다. 중수소 핵융합을 일으키는 천체를 갈색 왜성이라고 부른다. 중심의 온도가 약 1,000만 O K를 넘으면(참고로 태양의 중심은 1,500만 O K), 아래와 같은 수소 핵융합을 일으키며, 우리는 이를 항성이라고 부른다.
. 양자-양자 연쇄 반응
경수소(양자, p)끼리 직접 반응하는 수소 핵융합을 양자-양자연쇄 반응(p-p체인)이라고 부른다. 태양에서 주로 일어나고 있는 핵융합 반응이다.
p + p → 2 H + e+ + νe 2개의 양자가 융합하고, 중수소가 되어 양전자와 뉴트리노(Neutrino, 중성미자)가 방출된다.
2 H + p → 3 He + γ
중수소와 양자가 융합해 헬륨 3이 생성되고 감마선으로서 에너지가 방출된다
3 He + 3 He → 4 He + p + p
헬륨 3과 헬륨 3이 융합해서 헬륨 4가 생성되고 양자가 방출된다.
. CNO 사이클
탄소(C), 질소(N), 산소(O)를 촉매로 한 수소 핵융합을 C NO 사이클이라고 부른다. 별의 중심 온도가 약 2,000만 O K를 넘으면 p-p체인보다 CNO 사이클 쪽이 우세하게 된다.
(a-1) 12C+4p → 12C+α(b-1) 12C+p → 13N
(b-2) 13N+3p → 12C+α(c-1) 12C+p → 13N
(c-2) 13N+p → 14O
(c-3) 14O+2p → 12C+α
계(係)의 온도가 높으면 a->b->c의 순서로 반응 경로가 변화하며 반응속도가 빨라지지만, 기본적으로는 탄소 1개 +양자4개가 탄소 1개와 알파선이 되는 반응이다.
또, b, c에서는 13 N이나 14 O가 각각 베타 붕괴나 감마 붕괴하기 전에 다음 스텝으로 진행된다.
. 헬륨 연소
항성의 중심 핵에 충분한 양의 헬륨이 축적되었을 경우에 일어나는 반응. 수소 원자핵의 핵융합의 뒤에 남은 헬륨은 항성의 중심 쪽으로 침전 하며, 중력에 의해 수축해서 중심 핵의 온도가 오른다. 약 1억 O K정도가 되면 3개의 헬륨 원자핵이 트리플 알파 반응을 일으켜서 탄소가 생성되기 시작한다.
3 4 He → C
헬륨 중심 핵으로부터의 열에 의해 핵의 주변부에서는 수소의 핵융합이 계속된다.
. 탄소보다 무거운 원소의 연소
중심 온도가 15억 O K를 넘으면 탄소도 핵융합을 시작한다 (탄소 연소 과정). 항성이 한층 더 충분한 질량을 가지게 되면, 네온 연소 과정, 산소 연소 과정, 규소 연소 과정을 거쳐 가장 안정된 철이 만들어져 중심에서의 핵융합 반응은 종료한다. 별은 내(內)측으로부터, 철로 된 핵, 규소 층, 산소 층, 네온 층, 탄소 층, 헬륨 층, 수소로 된 최 외곽 층으로 되어, 양파모양의 구조로 되어 중심 이외의 각층에서 핵융합이 진행된다.
. 방사선의 종류
알파선은 핼륨 원자의 핵 42He2+과 같은 질량수와 양전하를 띠고 있는 입자의 흐름이다. 어떤 핵에서 알파 입자가 하나 방출되면 양성자 수 2개와 중성자의 수 2개가 감소된다. 그 결과 원자번호는 2 감소하고 질량수는 4 감소한다.
베타선은 양극에 끌리고 음극에 반발하는 전자 입자의 흐름이다. 그런데 원자핵에 전자가 들어 있을 리가 없는데? 베타선은 0-1e로 표시하며 핵에서 중성자가 자발적으로 붕괴하여 양성자와 전자를 생성할 때 일어난다. 베타선이 방출되고 나면 원자번호는 1 증가하고, 질량수는 변하지 않는다.
감마선은 전기장에 의해 영향을 받지 않는 질량이 없고 에너지가 매우 큰 전자기 복사이며 짧은 파장 (보통 10-11 에서 10-14 m)을 가진다. 감마선은 에너지를 방출하는 과정이므로 핵의 질량수나 원자번호에는 변화가 없고, 흔히 핵 반응식을 쓸 때 기록하지 않는다.
□ 핵 무기
(위키백과)
핵무기(核武器)는 핵분열이나 핵융합에서 발생하는 방대한 에너지를 이용하여 살상 또는 파괴하는 무기의 총칭이다. 원자 무기 또는 원자 병기라고도 한다. 가장 작은 핵무기도 재래식 폭탄에 비해 월등한 폭발력을 가지며, 가장 큰 것은 도시 하나를 통째로 사라지게 할 수도 있다. 핵무기가 실제로 전쟁에 사용된 것은 두 번뿐으로, 미국이 제2차 세계 대전 말기인 1945년 8월 6일 일본 히로시마에 떨어뜨린 우라늄 폭탄인 리틀 보이와 사흘 후에 나가사키에 떨어뜨린 플루토늄 폭탄인 팻 맨이다.
. 핵병기 실험의 역사
1945.7.16.: 미국이 뉴멕시코 주 알라모고도(Alamogordo) 서북쪽 60마일 되는 곳에서 실시되어 트리니티 테스트라고 명명, 후에 방사 화학적 분석으로 약 18.6 킬로 톤 정도의 위력을 낸 것으로 판명1945.8.6.: '에놀라 게이'로 명명된 B-29 4발 중폭격기가 최초의 핵폭탄인 우라늄235 폭탄 리틀 보이를 일본의 산업도시인 히로시마 시에 투하 20만명 사상, 가옥6만호 파괴. 12km^2가 폭풍과 화재에 의하여 괴멸됨1945.8.9.: 미국이 플로토늄239 폭탄 팻 맨(Fat Man)을 나가사키 시에 투하. 7만 명 사망1952년: 미국 최초의 습식 수소폭탄 실험1952.10.3.: 영국이 몬테벨로 군도에서 원자폭탄실험1953년: 소련의 건식수소폭탄 차르 폭탄을 실험 (지금까지 실험 중 최대, 58메가톤급) 1954년: 수소폭탄의 외각을 우라늄238(238U)로 싼 3F폭탄을 미국에서 개발, 비키니(bikini)에서 실험1957.9.14.: 영국은 1kt급의 앤틀러 라운드 전술용 코발트 폭탄을 오스트레일리아 마 라링카 부분 타제에서 폭파실험 (실패로 알려짐) 1958년~1962년: 4년 사이에 미국은 7차례, 소련은 4차례에 걸쳐 우주 공간에서 핵실험1960.2.13.: 프랑스가 사하라 사막에서 원자폭탄실험 1961년 실험한 수소폭탄의 위력은 TNT 5천8백만 톤(58메가톤)급1967년: 중국 최초의 수소폭탄 실험2006.10.9.: 북한에서 핵실험을 실시하였다고 주장함2008년: 이란에서 핵무기 개발로 국제연합 평화조약에 어긋난다는 평가를 받음
. 핵 실험
가장 간단한 핵무기는 핵분열을 이용한 무기이다. 핵 물질을 임계 질량 이상으로 모으면 연쇄 반응이 폭발적으로 일어나는 것을 이용한 것이다. 이를 원자 폭탄이라고 한다. 보다 큰 에너지를 얻기 위해서는 핵융합 반응을 이용한다. 핵분열 폭탄을 이용하여 중수소나 삼중수소, 리튬 등을 순간적으로 가열/압축하여 핵융합 반응을 일으킨다. 이 원리를 이용한 수소 폭탄은 원자 폭탄의 수 백배 이상의 파괴력을 지닌다.
그 밖에도 여러 종류의 핵무기도 있다. 핵무기 주위를 적당한 물질(코발트나 금) 등으로 감싸서 방사능 낙진의 양을 늘리는 ‘Solted’ 핵무기들도 있다. 그리고 고속중성자를 이용, 생물 살상에 쓰이는 중성자 폭탄도 있다.
. 전술핵
전술핵은 위력이 킬로 톤 이내인 전술 무기이다. 이는 효율성, 경제성에서 큰 매력이 있는 전투 수단이다. 재래식 대포로 발사할 수 있는 최초의 전술핵은 미국이 50년부터 개발을 시작해 1953년 5월 25일 첫 발사실험을 한 'Mk9'라는 핵폭탄이다. Mk9는 280㎜ 직사포로 발사되며, 전장에서 핵무기가 사용될 가능성이 있음을 보여준 전술핵의 효시다.
. 전략핵
전략핵은 개개의 전장이 아닌 적의 영토 혹은 국가기반을 파괴할 목적으로 사용되는 핵무기로, 핵을 적재한 대륙간 탄도탄(ICBM), 잠수함 발사 탄도탄(SLBM)이 있다.
. 피해
. 1메가 톤급 (1 Mt)
대한민국의 국방연구원에서는 1메가톤급 핵폭탄이 서울 종로구 세종로 사거리 상공에서 터질 경우, 폭발 지점으로부터 반경 7km 이내의 모든 사람이 사망하고, 따라서 업무 시간대에 반경 3km 내에 있을 것으로 예상되는 300만 명이 전원 사망할 것으로 예상한다.
20킬로 톤급 (1 Kt)
대한민국의 국방연구원에서는 20kt급 핵폭탄이 터질 경우에는, 폭발지점으로부터 반경 1.2 km 이내의 모든 사람이 사망할 것으로 보고 있다. 1945.8.6., 일본의 히로시마 시에 투하된 미군의 리틀 보이가 20킬로 톤 급으로서, 보통 핵폭탄의 위력이 히로시마 원폭의 몇 배나 되는가 하는 식으로, 그 폭발력을 표시하는 한 기준으로 사용되고 있다.
15킬로 톤급
미국의 국제천연자원보호협회(NRCD)가 2004년 미 국방부에 제출한 한반도 가상 핵전쟁 시나리오에 따르면, 15kt의 핵탄두 1개가 대한민국 국방부와 미국 제8군이 있는 서울시 용산구 삼각지 500m 상공에서 폭발할 경우 반경 4.5km는 잿더미로 변하고 서울 중심부는 물론 경기도 고양시 일산, 성남시 분당, 수원시까지 핵 폭풍과 충격파, 낙진으로 파괴돼 60만∼120만 명의 인명 피해가 날 것으로 분석됐다.
10킬로 톤급
미국 국방부 산하 국방위협감소국(DTRA)에서는, 북한이 10kt급 핵폭탄을 서울에 투하할 경우 최소 34만 명의 사상자가 발생할 것으로 보고 있다. 즉, 최소 18만 명의 사망자와 16만 명의 부상자가 발생할 것으로 예상하고 있다. 18만 명의 사망자 중 10만 명은 핵폭발 당시 즉사, 8만 명은 낙진 피해로 사망할 것으로 본다.
□ 핵 보유국 (위키백과)
핵확산금지조약(NPT)에서 인정하는 핵무기 보유국은 미국, 영국, 러시아, 프랑스, 중국 5개국이다. 그러나, 인도와 파키스탄은 1974년과 1988년 각각 실험까지 했고, 이스라엘 등도 비록 실험은 실시하지 않았으나 핵무기 보유국으로서 사실상 인식되고 있다. 남아프리카공화국은 한때 핵무기를 보유하고 있었지만 이후 폐기하였다. 2006.4.11. 이란이 자국을 핵 클럽 국가로 선언했으며, 2006.10.9. 북한은 핵무기 실험을 성공을 주장 함
. 세계 핵 비축물자 추정치
가용탄두 최초실험 연도 (코드명) 미국 5,035 1945 "트리니티" 러시아 5,189 1949 "RDS-1" 영국 <200 1952 "Hurricane" 프랑스 350 1960 "Gerboise Bleue" 중국 130 1964 "596" 인도 75-115 1974 "Smiling Buddha" 파키스탄 65-90 1998 "Chagai-I" 북한 1-10 2006 이스라엘 75-200 none or 1979
□ 핵폭탄 종류 (다음신지식, 게임스타)
원자폭탄 : 우라늄, 플루토늄 등 핵분열 반응을 이용하는 폭탄이며 그 폭발력이 비교적 작은 편이지만 수소폭탄을 기폭 시키는 중요한 역할을 한다. 일본에 떨어뜨렸던 것 중에 최대가 20kt 이라고 함. 방사능 오염이 심각하게 발생한다.
수소폭탄 : 원자폭탄의 열에 의해 중수소가 핵융합반응을 일으킨다. 폭발력이 무제한으로 커질 수가 있지만 방사능은 원자폭탄에 비해 훨씬 작다.
중성자탄 : 폭발력보다는 중성자 발생에 염두를 둔 것으로 강한 투과력의 중성자선이 대량 발생하여서 주변 생물체를 전멸시킨다. 방사선은 강하지만 방사능 오염물질이 많이 생기지는 않으므로 적이 사멸한 다음 그 땅을 차지하기에 좋다.
코발트탄 (아연폭탄) : 핵폭탄 둘레에 코발트를 감싸면 핵폭발에 의해서 방사성 코발트로 바뀌게 된다. 이것은 방사능이 엄청나게 커서 매우 광범위한 지역의 생물체가 전멸을 당하게 된다. 방사능을 극대화한 폭탄이고 절대 만들어져서는 안됨
엄청난 방사능이 발생하기 때문에 대략 10Mt 정도면 지구 인류가 다 죽을지도 모른다고 합
□ 핵폭탄 위력
구 소련에서 실험한 tsar bomb이 인류가 만든 최대의 수소폭탄 (57Mt), 이것은 비행기로 운반이 가능함. 그 위력은 반경 100km 거리의 모든 사람이 3도 화상을 입고, 반경 약 300km 이상에서 목재 건물이 평평해지고 석조건물은 지붕과 문과 창문이 모두 작살남.
폭발 열파는 1000km 떨어진 거리에서도 느껴졌으며 심지어 2~3000km 떨어진 핀란드에서도 폭발의 충격과 빛이 느껴졌다고 함. 한마디로 대전에 떨어뜨리면 대한민국의 모든 사람이 거의 다 죽을 정도
이것은 방사능을 뺀 폭발력의 위력이고 방사능까지 합친다면 더욱 엄청남. 실제 실험했을 때에는 납으로 방사능 발생을 거의 완전히 억제했으며 지표에서 4000미터 높이에서 한 것이므로 폭발 고도 및 폭탄의 설계를 잘 조정한다면, 아마 더 큰 위력이 있었을 것임
□ 원자 폭탄 (atomic bomb)
. 원리와 구조
폭탄의 원료로 사용되는 우라늄 235는 천연 우라늄 광석 속에 약 0.7 %가 함유되어 있으며, 나머지 99.3 %는 비분열성인 우라늄 238로 되어 있다. 우라늄 238에서 우라늄 235를 추출해 내고, 순도 90 % 이상으로 농축한 것이 원자폭탄의 에너지원(源)이 된다.
플루토늄 239는 원자로 속의 반응을 끝낸 폐기물 중에서 화학적인 처리에 의해 추출된다.
순도 높게 농축된 우라늄 235, 플루토늄 239 등 핵분열 물질의 원자핵에 중성자를 충돌시키면 원자핵에 분열 반응이 일어나고, 핵분열을 일으킨 원자핵으로부터는 다시 2개 이상의 중성자가 튀어나와서 다른 원자핵에 충돌하여 새로운 핵분열을 일으킨다.
이러한 핵분열 반응은 연속해서 확대되어 나가며, 연쇄반응을 일으켜서 방대한 에너지를 방출하게 되는 것이다. 이와 같이 연쇄반응을 일으키는 상태를 임계 상태(臨界狀態)라 하고, 이러한 상태가 될 핵분열 물질의 양을 임계량이라고 한다.
임계량은 분열 물질의 종류와 순도 기타의 조건에 따라서 달라지게 되나, 우라늄 235와 플루토늄 239에서는 5~20 kg 정도이다. 원자폭탄은 우라늄 235.플루토늄 239를 용기에 넣고, 그것을 임계 상태가 되도록 한 장치, 기폭 장치를 갖춘 것이라고 할 수 있다.
기폭 장치에는 포신형(砲身型:gun type)과 내폭형(內爆型:implosion type)이 있다.
포신형은 원통 속에 임계량의 분열 물질을 2개로 나누어 넣고, 화약의 힘으로 한쪽 분열 물질을 다른 쪽의 것에 합치게 하여 임계 상태가 되도록 하는 것이고, 내폭형은 밀도가 성긴 해면체(海綿體)의 분열 물질을 중심에 두고, 주위에 폭약을 배치해 두었다가 폭약을 한꺼번에 폭발시켜 빠르게 압력을 가함으로써 임계 상태가 되도록 만든 것이다.
□ 수소폭탄(hydrogen bomb)
수소의 원자핵이 융합하여 헬륨의 원자핵을 만들 때 방출되는 에너지를 살상,파괴용으로 이용한 폭탄. 수폭, 열핵폭탄이라고도 한다. 오늘날은 원자폭탄(우라늄 235와 플루토늄 239의 분열폭탄)을 방아쇠로 하는 고온, 고열 하가 아니면 융합반응을 일으키지 않기 때문에 열핵무기(熱核武器) 또는 핵융합무기라고도 한다.
전형적인 반응식은 3중수소와 2중수소가 고온 하에서 반응하여 헬륨의 원자핵이 융합되면서 중성자 1개가 튀어나오게 되는 것이다. 이들 수소는 액체 상태의 것을 사용하기 때문에 습식(濕式)이라 한다. 그런데 이것은 냉각장치 등으로 부피가 커서 실용에는 적합하지 않다. 따라서 리튬과 수소의 화합물(고체)을 사용하는 건식(乾式)이 개발되었다.
□ 개발된 폭탄의 크기
1961년 소련은 북극해에 있는 노바야젬랴 섬에서 무지막지한 핵 폭탄을 폭발 시켰다. 1945년 일본의 히로시마에 터뜨린 핵 폭탄의 위력이 TNT 15,000톤(15 Kt) 규모였는데 이날 터뜨린 핵 폭탄은 그것의 3,300 배인 5,000만 톤 (50Mt) 규모였다.
그 시대 소련 후르시초프 정부는 대기권 핵실험을 계속해대며 서방권을 위협했었다.
소련은 이 폭탄의 이름을 이반이라는 평범한 이름을 붙였지만 서방측에서는 고대 러시아 전제군주의 러시아 이름인 짜르 폭탄이라고 불렀다. 이 짜르 폭탄의 개발을 주도한 핵 과학자중에 나중에 소련 반 체제 동을 주도했던 안드레이 사하로프 박사가 있었다. 그는 이 짜르 폭탄의 실험 때부터 반핵을 주장하기 시작했다 한다.
핵무기의 위력은 킬로톤 (TNT 폭약 1000톤)에서 메가톤 (TNT 백만 톤)까지 다양하나, 현재 미, 영, 프, 소, 중 전략 미사일 탑재 탄두는 메가톤급. 미국 W-88 수소폭탄, 약 20메가톤급 추정. Trident-II 오하이오급 전략원자력추진 잠수함 발사 미사일에 8~12기 탑재. 핵 대전차 미사일 (Davy Crokett)과 100메가톤급 수소폭탄 (Tsar bomb) 개발. 핵 대잠 미사일과, 핵 대함 미사일, 핵 대공 미사일 등 등 개발.
■ 원자력 발전
(자료인용; 위키백과)
원자력은 우라늄 235를 분열시켜 열을 얻고 그 열로 증기를 만들어 터빈발전기를 돌린다. 이에 비해 화력발전소는 석탄이나 기름을 사용한다는 것이 다르다. 연료로는 우라늄 235를 농축 시킨 농축 우라늄과, 천연 우라늄(CANDU, 가스냉각형원자로(마그녹스), RBMK형원자로)을 사용한다. 현재는 플루토늄을 우라늄과 같이 혼합한 MOX 연료가 시험 중에 있다.
. 역사
원자로에서 전기를 최초로 만들어낸 것은 흑연감속 비등경수 압력관형 원자로를 사용한 소련의 오브닌스크 원자력 발전소로, 1954년 6월 27일 운전을 시작하였다. 최초의 상업용 원자력 발전소는 마그녹스 원자로를 사용한 영국 셀라필드에 위치한 콜더 홀(Calder Hall)로, 1956년 10월 17일 상업 운전을 시작하게 된다.
그 후 1979년 3월 28일 스리마일 섬 원자력 발전소에서 운전원의 조작 실수로 인한 냉각재 누출사고로 인해서, 노심용융사고가 일어났다. 그리고 1986년 4월 26일 우크라이나의 체르노빌 원자력 발전소에서 운전원 들의 조작 실수로 냉각재 누출사고가 발생, 멜트다운(노심용융사고)가 일어나고 말았다. 체르노빌 원자력 발전소에서는 격납용기도 없었고, 운전원 들이 비상노심냉각장치를 가동하지 않았기 때문에, 피해는 스리마일 보다 더 컸다.
우리나라는 1978년 4월 최초의 상업 원자력 발전소인 고리원자력발전소 1호기가 초임계에 도달하였다. 현재 대한민국에는 부산광역시에 5기, 영광군에 6기, 경주시에 4기, 울진군에 6기 등 총 21기의 원자로가 가동되고 있으며 신고리 2호기 등 7기가 추가로 건설되고 있다
. 종류
원자력 발전소의 원자로는 크게 3종류가 있다.
. 중성자가 일으키는 연쇄반응으로 열을 내는 열반응로
. 플루토늄을 연료로 쓰는 증식로
. 삼중수소, 혹은 중수소를 연료로 쓰는 핵융합로
. 열반응로의 종류는 중성자의 에너지를 낮추는 감속재의 종류로 나뉜다.
. 경수 감속로
. 비등수형 원자로
. 가압수형 원자로 (한국 표준형 원전을 포함한 대다수 원자력 발전소들이 채용하고 있음)
. 흑연 감속로
. 마그녹스
. 개량형 가스 냉각로
. 고온가스 냉각로
. 흑연감속 비등경수 압력관형 원자로(RBMK) (체르노빌 사고 기종)
. 페블베드모듈형 원자로 (현재 개발 중)
. 중수 감속로
. 가스냉각형 중수로
. CANDU (현재 월성 원자력 발전소에서 가동중인 원자로)
. 장단점
. 온실 기체를 배출하지 않아, 지구 온난화에 미치는 영향이 적다.
. 저렴한 연료가격, 높은 연료비축을 자랑한다.
. 원전사고의 경우 그 피해가 크기 때문에 사고에 대한 사회적 불안감이 큰 편이다.
. 초기 건설비용이 크고, 방사능폐기물의 처리, 수명이 다한 원전에 대한 철거비용이 크다.
. 폐열로 인해 주변 생태계가 영향을 받는 등의 문제가 지속적으로 제기되고 있다.
. 세계의 원자력 발전소 추세
1950년대에 연구원들은 2000년까지 적어도 1,800개의 원자력 발전소가 건설되고, 전 세계 21%의 상업용 에너지를 충당하고 전 세계 대부분의 전력을 생산할 것으로 예측하였다. 하지만 지난 60년간 전 세계 정부의 감축안이 여러 차례 적용되어 2조 달러의 정도의 예산이 투자되었고, 2007년 기준 30여 개 국에 439개의 원자로가 전 세계 30여 개 국에서 전 세계 6%의 상업용 에너지와 16%의 전력을 생산하고 있다. 특히 프랑스에서는 완벽한 안전설비 아래 77%의 전력이 원자력 발전으로 생산되고 있으며, 우리나라는 31%의 전력이 원자력 발전으로 생산되고 있다.
. 한국의 원자력 발전소
| 상업운전 개시 |
원자로 형 |
설비용량 (천 kW) | |||
| 가동 중 | (건설 중) | (건설예정) | |||
| 고리 1호기 | 1978년 4월 29일 | 가압경수로 (PWR) | 587 | ||
| “ 2호기 | 1983년 7월 25일 | “ (PWR) | 650 | ||
| “ 3호기 | 1985년 9월 30일 | “ (PWR) | 950 | ||
| “ 4호기 | 1986년 4월 29일 | “ (PWR) | 950 | ||
| 신고리 1호기 | 2011년 2월 28일 | “ (OPR-1000) | 1,000 | ||
| “ 2호기 | 2011년 12월 | “ (OPR-1000) | 1,000 | ||
| “ 3호기 | 2013년 9월 | “ (APR-1400) | 1,400 | ||
| “ 4호기 | 2014년 9월 | “ (APR-1400) | 1,400 | ||
| “ 5호기 | 2018년 12월 | “ (APR-1400) | 1,400 | ||
| “ 6호기 | 2019년 12월 | “ (APR-1400) | 1,400 | ||
| (고리합계) | 4,137 | 3,800 | 2,800 | ||
| 영광 1호기 | 1986년 8월 25일 | 가압경수로 (PWR) | 950 | ||
| “ 2호기 | 1987년 6월 10일 | “ (PWR) | 950 | ||
| “ 3호기 | 1995년 3월 31일 | “ (System 80) | 1,000 | ||
| “ 4호기 | 1996년 1월 1일 | “ (System 80) | 1,000 | ||
| “ 5호기 | 2002년 5월 21일 | “ (KSNP) | 1,000 | ||
| “ 6호기 | 2002년 12월 24일 | “ (KSNP) | 1,000 | ||
| (영광합계) | 5,900 | 0 | 0 | ||
| 월성 1호기 | 1983년 4월 22일 | 가압중수로 (CANDU) | 679 | ||
| “ 2호기 | 1997년 7월 1일 | “ (CANDU) | 700 | ||
| “ 3호기 | 1998년 7월 1일 | “ (CANDU) | 700 | ||
| “ 4호기 | 1999년 10월 1일 | “ (CANDU) | 700 | ||
| 신월성 1호기 | 2012년 3월 | 가압경수로(OPR-1000) | 1,000 | ||
| “ 2호기 | 2013년 1월 | “ (OPR-1000) | 1,000 | ||
| (월성합계) | 2,779 | 2,000 | 0 | ||
| 울진 1호기 | 1988년 9월 10일 | 가압경수로 (PWR) | 950 | ||
| “ 2호기 | 1989년 9월 30일 | “ (PWR) | 950 | ||
| “ 3호기 | 1998년 8월 11일 | “ (KSNP) | 1,000 | ||
| “ 4호기 | 1999년 12월 31일 | “ (KSNP) | 1,000 | ||
| “ 5호기 | 2004년 7월 29일 | “ (KSNP) | 1,000 | ||
| “ 6호기 | 2005년 4월 22일 | “ (KSNP) | 1,000 | ||
| 신울진 1호기 | 2016년 6월 | “ (APR-1400) | 1,400 | ||
| “ 2호기 | 2017년 6월 | “ (APR-1400) | 1,400 | ||
| “ 3호기 | 2020년 6월 | “ (APR-1400) | 1,400 | ||
| “ 4호기 | 2021년 6월 | “ (APR-1400) | 1,400 | ||
| (울진합계) | 5,900 | 2,800 | 2,800 | ||
| (총 계) | 18,716 | 8,600 | 5,600 | ||
. 세계 원자력 발전소 설비용량 (2008.1. 현재)
(출력단위 : 천 KW)
| 운전 중 | 건설 중 | 계획 중 | (합 계) | |||||
| 출력 | 기수 | 출력 | 기수 | 출력 | 기수 | 출력 | 기수 | |
| 미국 | 106,061 | 104 | － | － | 1,200 | 1 | 107,261 | 105 |
| 프랑스 | 66,020 | 59 | 1,630 | 1 | － | － | 67,650 | 60 |
| 일본 | 49,467 | 55 | 2,565 | 3 | 14,945 | 11 | 66,977 | 69 |
| 러시아 | 23,194 | 27 | 6,154 | 8 | 5,500 | 5 | 34,848 | 40 |
| 독일 | 21,371 | 17 | － | － | － | － | 21,371 | 17 |
| 한국 | 17,716 | 20 | 6,800 | 6 | 2,800 | 2 | 27,316 | 28 |
| 우크라이나 | 13,835 | 15 | 2,000 | 2 | － | － | 15,835 | 17 |
| 캐나다 | 13,425 | 18 | － | － | － | － | 13,425 | 18 |
| 영국 | 11,952 | 19 | － | － | － | － | 11,952 | 19 |
| 스웨덴 | 9,384 | 10 | － | － | － | － | 9,384 | 10 |
| 중국 | 9,118 | 11 | 7,900 | 8 | 8,000 | 8 | 25,018 | 27 |
| 스페인 | 7,727 | 8 | － | － | － | － | 7,727 | 8 |
| 벨기에 | 6,117 | 7 | － | － | － | － | 6,117 | 7 |
| 대만 | 5,164 | 6 | 2,700 | 2 | － | － | 7,864 | 8 |
| 인도 | 4,120 | 17 | 3,160 | 6 | 6,800 | 8 | 14,080 | 31 |
| 체코 | 3,860 | 6 | － | － | － | － | 3,860 | 6 |
| 스위스 | 3,372 | 5 | － | － | － | － | 3,372 | 5 |
| 핀란드 | 2,800 | 4 | 1,700 | 1 | － | － | 4,500 | 5 |
| 슬로바키아 | 2,200 | 5 | － | － | － | － | 2,200 | 5 |
| 브라질 | 2,007 | 2 | － | － | 1,350 | 1 | 3,357 | 3 |
| 불가리아 | 2,000 | 2 | － | － | 2,000 | 2 | 4,000 | 4 |
| 헝가리 | 1,940 | 4 | － | － | － | － | 1,940 | 4 |
| 남아공 | 1,890 | 2 | － | － | 110 | 2 | 2,000 | 4 |
| 리투아니아 | 1,500 | 1 | － | － | － | － | 1,500 | 1 |
| 루마니아 | 1,412 | 2 | 2,118 | 3 | － | － | 3,530 | 5 |
| 멕시코 | 1,364 | 2 | － | － | － | － | 1,364 | 2 |
| 아르헨티나 | 1,005 | 2 | 745 | 1 | － | － | 1,750 | 3 |
| 슬로베니아 | 727 | 1 | － | － | － | － | 727 | 1 |
| 폴란드 | 510 | 1 | － | － | － | － | 510 | 1 |
| 파키스탄 | 462 | 2 | 300 | 1 | － | － | 762 | 3 |
| 아르메니아 |
408 | 1 | － | － | － | － | 408 | 1 |
| (세계 총계) 기타포함 |
392,128 | 435 | 38,772 | 43 | 49,601 | 53 | 480,501 | 531 |
㈜ 자료: 일본원자력산업협회
□ 세슘 관련 상식
우라늄, 플루토늄 등 원자량이 매우 큰 원소들은 핵이 너무 무겁기 때문에 상태가 불안정해서 스스로 붕괴를 일으킨다. 이 원소들이 붕괴하며 다른 원소로 바뀔 때 방출하는 입자나 전자기파가 바로 방사선이다.
방사능이란 단위 시간당 원자핵 붕괴 수를 의미하는데 방사선의 세기라고 이해하면 된다. 우라늄·플루토늄·라듐 등 방사선을 방출하는 물질은 `방사성` 물질이라고 부른다. 일반적으로 사용되는 `방사능 물질`은 잘못된 표현이다.
세슘이란 우라늄의 핵분열 과정에서 얻어지는 물질이다. 동위원소(양자 수는 같으나 질량 수가 다른 원소) 중 하나인 세슘-137은 자연상태에서는 존재하지 않고 핵실험 등의 결과로 발생하는 인공 원소다. 세슘-137은 강력한 감마선으로 암세포를 죽이기 때문에 병원에서 자궁암 등의 치료에 사용되기도 하지만 정상세포가 이에 노출되면 반대로 암 등이 발현할 수도 있다. 세슘은 일본 후쿠시마 원전 주변에서 검출됐고, 체르노빌 원전 사고 때에도 누출된 바 있다.
노심은 원자로의 중심부로서 핵연료 우라늄의 원자핵이 중성자를 맞아 둘로 쪼개질 때(핵분열) 발생하는 에너지를 얻는 부분을 말한다. 핵연료봉과 함께 분열속도, 노심온도를 제어하기 위한 감속재와 냉각재 등이 들어 있다.
노심용해는 말 그대로 노심이 녹아 내리는 상태다. 이번 후쿠시마 원전의 경우처럼 노심 온도를 제어하는 냉각재의 공급이 제대로 되지 않으면 핵분열 반응 과정에서 발생하는 열을 식히지 못해 노심 자체의 온도가 올라간다. 노심 온도가 약 3000℃ 가까이 이르면 봉 형태의 핵연료(핵연료봉), 즉 우라늄 자체가 녹을 수 있다.
□ 핵폐기물 처리 (2009.11.)
올해는 1959년 한국원자력연구원이 설립되면서 우리나라에 원자력이 태동한지 반세기가 되는 해로, 우리나라는 지난 반세기 동안 원자력발전량 기준 세계 6위의 원자력대국으로 성장했다.
정부가 지난해 오는 2022년까지 12개의 원전을 추가로 건설해 원자력 발전의 비중을 48%까지 확대 하겠다는 정책을 확정한 것. 이에 따라 우리의 생활에 유용하지만 그만큼 위험도 도사리고 있는 원자력에 대한 과학적 이해와 인식의 전환이 요구되고 있다.
방사능이란 방사선을 방출할 수 있는 능력을 이르는 말로 프랑스의 물리학자 앙투안 앙리 베크렐(Antoine Henri Becquerel, 1852~1908)이 처음 발견했다고 한다. 우연히 우라늄 광석 옆에 둔 필름이 감광되는 것을 보고 우라늄 광석에서 방사선이 나온다는 것을 처음으로 발견한 것. 베크렐은 이를 바탕으로 1903년 퀴리부인으로 널리 알려진 마리 퀴리와 노벨 물리학상을 공동 수상하기도 했다.
원자력 에너지의 핵심은 어떤 질량을 가진 원자가 붕괴하면서 질량을 잃고 그 만큼이 에너지로 변환되는 것인데, 이 때 안정적인 원자는 핵 붕괴를 만들어내기 어려워 우라늄 같은 원자를 이용하는데, 이러한 원자는 너무 불안정해 항상 붕괴하고 있으며 붕괴되는 질량에 해당하는 에너지가 방사능이라는 형태로 방출되는 것이다. 이같이 방출된 방사선은 에너지와 전하량이 커서 DNA나 단백질의 주요구조를 망가뜨리기도 한다. 생물의 생식 세포가 다량의 방사선에 노출되면 돌연변이나 기형, 암 등을 유발할 수 있는 것이다.
하지만 방사선은 그 종류와 세기에 따라 실제 생활에 유용하게 쓰일 수도 있다. 실제로 원자력연구원은 방사선 돌연변이 육종 기술을 이용해 무궁화 신품종을 개발하기도 했다. 의학 부문에서도 방사선이 사용되고 있는 것은 익히 알려진 사실이다.
방사성 폐기물은 함유돼 있는 방사성 핵종의 특성에 따라 고준위 방사성 폐기물과 중저준위 방사성 폐기물로 나뉜다. 고준위 방사성 폐기물이란 원자로의 핵연료를 교체할 때 나오는 연소 된 핵연료를 말하는데 보통 발전소 내의 특수 시설에서 보관하게 된다.
'고준위 폐기물처리장'이 없는 우리나라의 경우 사용 후 핵연료를 발전소 내의 자체 저장공간에만 보관하도록 규정하고 있지만 현재 고리, 영광, 울진, 월성 등 4개 원자력발전소는 2016년과 2017 년에 저장공간이 포화상태에 이른다고 한다.
반면 중저준위 폐기물은 압축 소각해 부피를 줄인 다음 시멘트 속에 넣고 드럼통 안에서 굳히게 된다. 이 드럼통을 큰 압력을 받지 않고 지하수에 누출되는 일이 없도록 점토 등으로 채워진 공간에 넣고 자연 수준으로 방사능이 감소하기를 기다리는 곳이 이른바 방폐장이다. 이 같은 중저준위 폐기물도 방사능이 자연 수준으로 감소하기에는 수 백년이 걸리는 것으로 알려졌다.
이 때 전혀 다른 과학 영역인 지질학이 등장하기도 한다. 지형의 변화라든지 지진, 단층, 기후 변화 등을 고려해 방사성 폐기물을 보관해야 하는 것이다. 가동중인 원전에서 한번 타고 나온 “사용 후 핵연료”를 또 다시 연료로 반복 사용할 수 있는 “소듐냉각고속로” 개발이 필요하다고 한다. “소듐냉각고속로”를 통해 원자력 발전의 가장 큰 숙제인 고준위 방사성 폐기물의 양을 감축할 수 있다는 얘기다.
■ 체르노빌 원자력발전소 사고
체르노빌 원전 사고 20주년 (2006.4.) 최종분석
□ 체르노빌 사고 개요
자료인용; nuke
. 1986.4.26. 우크라이나 체르노빌 원전4호기 폭발
. 피해; 사고당시 발전기 엔지니어 소방대원 등 31명 사망,
2005년 현재 사망자 총 56명 암으로 인한 사망자 4 천명 (2005 IAEA.WHO 체르노빌 포럼)
. 당시 현장수습에 동원 된 80만 명 중 30만 명이 기준치의 500배에 달하는 방사선 노출
. 벨로루시 국토의 21%, 우크라이나 5%, 러시아 0.6%가 오염 (UN)
. 현재 이들 세 국가의 오염지역에만 5~8백만 명이 거주
. 체르노빌 폭발로 유럽의 지표면 40%가 오염
. 예상사망자 논란
. 당시 현장 수습에 동원된 인원 80만명 중 30만 명이 기준치의 500배에 달하는 방사선 노출
. UN; 직접적인 방사능 누출로 4천명 사망예상
. 세계보건기구 산하 국제 암센터; 향후 60년간 4만1천 여 명이 암에 걸리고
이 중 1만 6천명이 사망
. 그린피스; 암환자만 27만명 이 중 9만 명이 사망
. 토치(TORCH, 체르노빌 20주년보고서); 유럽서만 암환자 3~5만 명
□ 체르노빌(Chernobyl) 원전
구 소련(현재는 우크라이나)의 키에프(Kiev)시 북쪽 100 km 지점에 위치하며, 사고 당시 4기의 RBMK-1000(전기출력 1,000 MWe급) 원자로가 가동 중이었다. 1986년 4월 26일 원자력안전 역사상 가장 참혹했던 사고가 발생한 원자로는 그 중에서 가장 늦게 건설된(1983년 12월 전기 생산, 1984년 4월 상업 운전) 4호기였다.
체르노빌 원자로는 흑연감속 비등경수로(LWGR)로서, RBMK는 러시아어로 '고출력 압력관형 원자로'를 의미한다. 이 원자로형은 세계 최초의 상업용 원전이라 할 수 있는 5 MWe급 Obninsk APS 원전(1954년 가동되어 지금까지 운전 중임)에서 비롯되었다. 100 MWe급, 200 MWe급 등으로 용량이 점차적으로 격상되다가, 1973년부터는 1000 MWe급이 중점적으로 건설·운전되었으며, 1,500 MWe급도 1984년부터 가동되었다.
원자로는 직경 12 m, 높이 7 m인 원통형이며, 감속재인 흑연 블록들로 채워진 사이를 1661개의 수직 압력관이 관통하고 있다. 압력관 내에는 핵연료(농축도 1.8-2.0% 이하), 냉각재(비등 경수) 및 제어봉들이 위치한다.
원자로 냉각재 회로는 2 개로서, 각 회로가 1/2 노심을 담당한다. 각 회로마다 4기의 펌프(3기는 사용, 1기는 대기)와 2기의 증기 드럼(Steam Drum)을 갖는다. 냉각재는 운전 압력이 7.2 MPa이며, 원자로에서 비등하여 약 14%의 건도(물-증기 혼합 유동에서 전체 유량에 대한 증기 유량의 비율)로 나와 증기 드럼으로 가서 물(액체)과 증기(기체)로 분리된다. 분리된 증기는 터빈을 구동 시켜 전기를 생산한 후 응축되어 되돌아와서, 증기 드럼에서 분리된 물과 함께 원자로 압력관 하부로 다시 들어간다. 냉각재 펌프 출구에 밸브(Throttle Valve)가 있어서 원자로 출력에 따라 냉각재 유량을 조절한다. 또한 각 압력관(즉, 핵연료 채널) 입구에도 유량 조절 밸브가 위치하여 냉각재 유량이 출력 분포에 따라 이상적으로 분포하도록 한다. RBMK-1000은 원자로 냉각재에서 수증기가 직접 생성되어 터빈을 구동 시키는 직접 사이클 발전소이다. 그런데 출력에 관계없이 단일 터빈-발전기가 사용되는 다른 노형과는 달리, 2기의 500 MWe급 터빈-발전기가 사용되고 있다.
. 원자로 반응도의 제어
총 211 개의 B4C 제어봉에 의해 이루어진다. 가압경수로에 비해 제어봉의 종류가 세분되어 있을 뿐만 아니라, 많은 수의 제어봉(원자로 정지용 제어봉을 제외하면 총 187개 중에서 163개)이 수동 조작에 의존함을 알 수 있다.
RBMK 원자 중요한 특성은 각 출력 수준에서의 출력 반응도계수(출력 변화가 반응도 변화에 미치는 영향)가 냉각재 조건에 따라 크게 달라지는 점이다. RBMK에서 경수 냉각재는 반응도와 관련하여 중성자 감속 효과보다는 흡수 효과가 더 크다. 따라서 기포의 증가로 냉각재 밀도가 낮아질 경우에는 중성자 흡수의 감소로 인해 반응도가 증가한다.
높은 출력 수준에서는 출력 증가시 핵연료의 도플러 효과에 의한 반응도 감소 효과가 기포 증가(냉각재 밀도 감소)에 의한 반응도 증가 효과보다 크므로, 출력 급상승이 스스로 억제된다(Self-Limiting). 그러나 20% 이하의 출력에서는 출력 상승에 따른 기포의 증가가 반응도에 미치는 영향이 도플러 효과에 의한 영향보다 커져서 출력 급상승 사고의 위험성이 있으므로, 반응도 제어가 훨씬 어려워진다. 그리고 RBMK-1000 원자로에는 가압경수로와 같은 튼튼한 격납용기가 마련되어 있지 않다.
구 분 개수 기 능
수동제어 139 출력 분포 제어를 위해 운전원이 수동으로 작동; 4개 그룹으로 구분
국부 자동제어 12 4개의 측면 이온함(Ion Chamber) 신호를 이용하여 출력 분포 유지
자동 출력제어 12 원자로 총출력 제어에 사용되며, 제어봉 4개씩 3개의 세트로 이루어짐
원자로 정지(안전) 24 원자로 밖에 위치, 정지신호에 의해 삽입되어 원자로를 긴급 정지시킴
짧은 흡수봉 24 원자로 하부로부터 수동으로 인입되며, 축방향 출력 분포를 조절
. 체르노빌 4호기
사고 전까지 구 소련에서 가장 좋은 운전 실적을 기록하고 있었으며, 정기적인 유지 보수를 위해 1986년 4월 25일 정지될 예정이었다. 그런데 원자로 정지 후 회전 속도가 느려지는 터빈이 짧은 시간 동안(비상 디젤 발전기가 작동할 때까지)이나마 비상 전력원으로서 역할을 할 수 있는지를 시험하라는 지시가 갑자기 내려졌다.
이러한 시험은 그 전에도 두 차례나 수행되었지만 명확한 결론을 내릴 수 없었기 때문에 반복하고자 한 것이다. 불행하게도 이 시험은 발전소의 비원자력 부문에만 관계된 것으로 여겨졌기 때문에, 시험을 수행하는 그룹과 원자로 운전 및 안전을 담당하는 그룹간에 정보 교환과 협력이 잘 이루어지지 않았다. 따라서 시험 계획에 대한 안전 예방조치가 적절히 취해지지 않았고, 운전원들은 예정된 시험이 원자로 안전에 주는 영향이나 잠재적인 위험성을 잘 알지 못하였다.
. 원래 계획된 실험 순서
. 원자로 출력을 정격 출력의 22-32%(열출력 700-1000 MWt)로 낮추고,
두 터빈-발전기 중 하나를 정지시킨다.
. 시험 도중 비상노심냉각계통(ECCS)이 잘못 작동되는 것을 방지하기 위해
ECCS를 계통과 차단시킨다.
. 각 냉각재 회로에 있는 4기의 펌프 중에서 2기는 외부 전력망으로부터,
나머지 2기는 터빈 발전기로부터 전기를 공급 받도록 전력 공급선을 전환한다.
(이는 외부 전원으로 작동되는 2기의 펌프에 의해 노심 냉각에 필요한 유량을
유지하기 위한 것이었음)
. 터빈으로의 증기 공급을 차단하고, 전기가 생산되는 시간을 측정한다.
그러나 실제 진행은 위와 같이 되지 않았다.
1986년 4월 25일 오전 1시경 일상적인 원자로 정지 절차를 시작하여 13시 경 50% 출력에 도달함에 따라 하나의 터빈-발전기를 정지시켰다. 이 때 전력망에 대한 지속적인 전력 공급이 요청되었으므로, 원자로 정지 절차는 일단 중단되고, 23시까지 50% 출력 상태가 유지되었다. 그 사이 ECCS는 시험 계획에 따라 계통으로부터 차단되었다. 23시에 출력을 다시 낮추기 시작한 후 운전원의 실수로 인해 열출력이 갑자기 30 MWt 수준으로 지나치게 떨어졌다. 운전원은 모든 자동 장치를 차단하고 수동 조작에 의해 출력을 700-1000 MWt로 높이려고 시도했으나 여의치 않아 26일 1시에 이르러서도 200 MWt에 머물렀다.
운전 지침 최소한 30 개의 제어봉이 원자로 제어를 유지하기 위해 필요한 것으로 기술되어 있었으나, 시험에서는 6-8 개의 제어봉만 사용되고, 대부분의 제어봉이 원자로 밖에 인출되어 있었다(이는 노심에 축적된 크세논(Xenon)에 의한 중성자 흡수 효과를 상쇄하기 위한 것이었음). 이는 갑작스런 출력 상승이 일어났을 때 제어봉을 삽입시켜 원자로를 정지시키는데 약 20초가 걸림을 의미한다.
시험 후의 충분한 노심 냉각을 위해 운전원들은 8기의 냉각재 펌프가 모두 작동하도록 하였는데, 이로 인해 냉각재 유량의 증가 및 증기 압력의 감소가 유발되었다. 이 때 원자로 자동 정지계통이 작동 가능한 상태였다면 낮은 증기압으로 인해 원자로가 자동적으로 정지되었겠지만, 이 기능은 이미 차단되어 있었다.냉각재 유량 증가로 인한 증기 체적의 감소는 반응도의 감소를 가져왔고, 이를 상쇄하기 위해 거의 모든 제어봉들을 노심 밖으로 인출해야 했다.
원자로는 매우 불안정해졌으며, 일정한 출력을 유지하기 위해 운전원들은 매순간 마다 제어봉들을 조정해야 했다. 이 때 운전원들은 증기 압력을 유지하기 위해 급수 유량을 줄였으며, 터빈에 의해 전기가 공급되는 원자로 냉각재펌프가 제공하는 유량은 점점 더 작아지고 있었다. 냉각 기능의 저하에 따라 핵연료 채널에서의 기포 생성이 증가되면서 원자로는 더욱 불안정해졌고, 기포 체적 증가에 의한 반응도 삽입 효과에 의해 출력이 급격하게 상승하였다.
. 사고의 진행
원자로 출력은 순간적으로 정상 출력의 100배 이상으로 폭주하였다. 급격한 열 생성에 의해 핵연료가 파손되었으며, 핵연료와 물과의 반응에 의한 증기 폭발(Steam Explosion)이 발생하여 노심이 파괴되었다. 2-3초 후 두 번째 폭발이 발생하여 원자로가 더욱 파괴되고, 원자로 건물의 지붕도 파괴되었다. 확실치는 않지만, 두 번째 폭발은 수소에 의한 폭발인 것으로 추측된다.
이 때가 4월 26일 1시 23분이었다. 두 번의 폭발에 의해 고온의 방사성 파편 및 흑연 조각들이 공기 중으로 흩날리고, 파손된 노심이 대기에 노출되었다. 노심 및 건물로부터의 연기, 방사성 핵분열 생성물, 파편 등이 공기 중으로 1 km 이상 솟아올랐다. 무거운 것들은 발전소 주변에 떨어졌지만, 가벼운 것들은 바람을 타고 북서쪽으로 퍼져 나갔다. 이미 파손된 4호기 건물에서 일반 화재가 발생하여 발전소가 수증기 및 먼지들로 뒤덮이게 되었으며, 인접한 터빈 빌딩의 지붕을 파괴하고, 많은 가연성 물질들을 태웠다. 이에 따라 100 명이 넘는 소방수들이 동원되어 5시 경 화재를 진압하였는데, 이 과정에서 가장 많은 방사선 피폭을 당했으며, 상당수가 생명을 잃었다.
일반 화재 잡혀갈 즈음, 감속재로 사용되던 흑연에서 화재가 발생하였다. 강렬한 흑연 화재는 방사성 물질을 대기 중에 크게 확산시키는 역할을 하였는데, 흑연 화재에 대한 확실한 대처 방법을 찾기가 매우 어려웠다. 탄화붕소, 백운석, 납, 모래, 진흙 등 여러 물질들을 공중에서 투하하였으며, 5월 9일에야 소화가 완료되었다. 이 후 원자로 아래 쪽으로 터널을 뚫고 냉각 회로를 갖춘 두꺼운 콘크리트 바닥을 설치하였으며, 원자로 건물을 콘크리트로 매장(석관이라 함)하였다.
사고가 발생하여 4호기가 파손된 상태에서도 나머지 1, 2, 3호기는 계속 운전되다가, 4호기와 접한 3호기는 5시경, 1, 2호기는 다음 날 2시 경에 정지되었다. 4월 27일과 28일에는 인접 도시들의 주민들이 소개되었다.
한편 스웨덴에서는 4월 28일 9시 30분 경 높은 방사능이 측정됨에 따라 자국의 Forsmark 발전소를 정지하고 비상 조치를 취했다. 곧 소련에서 문제가 생긴 것으로 추측하고 문의하였으나 퉁명스러운 대답만을 들었다 한다. 4월 29일에는 사고 사실이 키에프 지방신문 및 국제통신사에 보도되었고, 4월 30일에는 전국적인 신문들에도 보도되었다. 이후 추가적인 방사능 누출을 방지하고 오염을 제거하기 위한 노력이 계속되었으며, 같은 해 10월에는 1, 2호기가, 1987년 11월에는 3호기가 재가동되었다.
사고 직후 체르노빌 원전 3,4호기의 모습과 석관에 의해 4호기가 매장된 현재의 모습을 보여준다. 4호기에서 발생한 참혹했던 사고에도 불구하고, 1,2호기는 물론 인접한 3호기도 현재 정상 운전 중이다.
. 사고의 결과
체르노빌 사고로 인해 방사능에 가장 많이 피폭된 사람들은 발전소 운전 요원을 포함해 소방대원, 군인 등 사고 직후에 복구를 위해 동원된 사람들이었다. 또한 1986~1990년 기간에 사고 복구 및 처리와 관련된 활동을 했던 60-80만 명 중에서 약 20만 명 정도의 정화 작업자들이 방사선 피폭률이 최고였던 1986~ 1987년에 체르노빌 지역에서 일했는데, 이들은 원자로 주위의 청소, 석관의 구축, 정화, 도로 건설, 그리고 오염된 빌딩과 숲 및 장비의 철거와 매장 등을 담당했었다.
. 방사선 피폭으로부터의 보호
1986년 4월 27일부터 8월 중순까지 약 116,000 명의 주민들이 체르노빌 발전소 주위의 거주지로부터 다른 곳으로 소개되었고, 최고 선량률을 나타내는 지역을 포함하는 "금지 구역"이 정해져서 일반인의 접근이 금지되었다.
체르노빌 사고 대해 위에서 설명한 초기 대응이 이루어진 후 현재까지 사고의 영향을 경감시키기 위한 다양한 후속 조치들이 취해져 왔다. 또한 이 사고와 관련하여 국제원자력기구(IAEA)와 원자력기구 (OECD- NEA)를 비롯한 여러 국제 기구들이 많은 역할을 했는데, 세계기상기구(WMO)의 통신망은 방사능 오염 피해 상황의 보고에 결정적인 역할을 했고, 유엔과학위원회(UNSCEAR)는 전반적인 대중 보건 평가에, 세계보건기구(WHO)는 국제적 보건 방호의 지침 규정과 체르노빌 피해 주민의 건강 추적에, 유엔 식량농업기구(FAO)는 농산물과 식품 처리 분야에 대해, 국제노동기구(ILO)는 오염 지역에서 활동한 작업자의 방호 분야에서 각각 제 몫을 다했다. 그러나 체르노빌 사고 이후로 각종 언론 매체들을 통해 발표된 사고의 영향에 관한 보고들은 사상자 수나 각종 질병의 발병률 등의 문제에서 큰 견해 차이를 보이며 계속적인 논란의 대상이 되어 왔으므로, 이를 객관적이고 도 종합적으로 이해하는 것이 중요하다.
이 절에서는 현재까지 밝혀진 체르노빌 사고로 인한 방사성 물질 방출 및 침적과 선량 평가 결과, 인체와 환경 및 사회 전반에 미친 영향, 남아있는 안전성 문제 등에 관해 기술한다.
1996년 4월 유럽 연합(EC)과 IAEA 및 WHO 합동으로 개최했던 국제 회의인 "체르노빌 사고 후 10년 사고의 영향 요약"에서 전문가단들이 발표한 내용들과 1995년 11월에 방사선 방호 전문가들로 구성된 OECD/NEA 위원회가 UNSCEAR, FAO, WHO 및 EC 등의 최신 정보를 이용하여 보고한 방사선 방호 및 보건에 대한 영향 평가 결과를 토대로 하고 있다.
. 방사성 핵종의 방출 및 침적
. 방출
사고 시 방출된 모든 방사성 물질의 전체 방사능은 비활성 기체들에 의한 6-7x10^18 Bq을 포함해 약 12x10^18 Bq 정도인 것으로 평가되고 있다. 사고 당시 비활성 기체의 100%, 휘발성 방사성 핵종의 20~60%, 그리고 원자로에서 사용 중이던 연료의 약 3~4%가 방출된 것으로 평가되고 있다. 이 결과는 구 소련 당국이 1986년에 보고한 방사능 평가량보다는 높은 수치를 나타내는데, 그 이유는 구 소련에 의한 방사능 평가가 구소련 지역 내에 침적된 방사성 물질들만을 기초로 하여 이루어졌기 때문이다.
사고 시 방출된 물질의 핵종 구성은 복잡하였으며, 방사선 의학적으로는 요오드(I)와 세슘(Cs)이 특히 중요하다. 반감기가 짧은 요드는 단기간에 큰 방사선 의학적인 영향을 가지는 반면, 반감기가 수십 년 수준인 세슘은 장기간에 걸친 방사선 의학적인 영향이 크다. 방출된 주요 핵종 들의 방사능은 요오드 131이 1.3~1.8x10^18 Bq, Cs134가 ~0.05x10^18 Bq, Cs137이 ~0.09x10^18 Bq인 것으로 평가되었다. 이러한 값들은 사고 당시 원자로 노심에 있던 I131의 50~60%와 방사성 세슘 동위원소의 20~40%에 해당한다.
. 침적
대기 중에 방출된 물질들은 널리 확산되어 궁극적으로는 지표면에 침적되었다. 전 북반구를 대상으로 침적에 대한 측정이 실시되었는데 대부분의 물질들은 다양한 침적 밀도를 가지고 발전소 부지 주변 지역에 침적되었다. 벨라루시, 러시아, 우크라이나에서 Cs137의 방사능 준위가 185 kBq/m2을 초과하는 것으로 측정된 지역의 면적은 각각 16,500 km2, 4,600 km2, 8,100 km2이며, 초기에는 방출량이 많은 I131과 Te132가 오염 농도를 지배하였고, 장기적으로는 반감기가 긴 Cs134 및 Cs137이 지배적으로 되었다. 사고 후 시간에 따라 방사성 물질이 북반구에서 퍼져나간 경과를 예시하고 있다.
. 선량평가
사고로 인한 주민의 피폭은 초기에는 방사성 요드와 텔레늄에 의한 내부 피폭, 장기적으로는 지표에 침적된 세슘에 의한 외부 피폭이 주를 이루었다. 1986~1987년에 사고 복구에 참여했던 20만 명의 사람들은 평균적으로 100 mSv 수준의 선량을 받았다. 이들 중 약 10%는 250 mSv 수준의 선량을 받았고, 수 %의 사람들이 500 mSv를 초과하는 선량을 받았다. 반면에 사고의 초기에 대응했던 수십 명의 사람들은 수천 mSv의 치사 가능성이 있는 선량을 받았다.
1986년에 금지 구역으로부터 소개되었던 116,000명 중에서 10% 미만의 사람들이 50 mSv 이상의 선량을 받았고, 5% 미만의 사람들이 100 mSv 이상의 선량을 받았다. 일반적으로 음식이나 오염된 우유의 섭취, 또는 초기 방사성 구름 아래에서의 호흡에 의해 사고로 방출된 방사성 요드가 흡수되어 갑상선에 축적되었다. 갑상선이 받은 선량은 다른 신체 장기들이 받은 선량들에 비해 특히 높을 것으로 예상되었는데, 어린이들의 경우에 더욱 그러하였다. 주로 우크라이나, 벨라루시 및 러시아 연방에 거주하는 150,000명에 대해 보고된 수치를 기반으로 평가된 갑상선이 받은 등가 선량은 1986년 비엔나에서 열린 체르노빌 사고에 관한 사고 후 검토 회의, 오염 지역에 계속 살고 있는 생물의 안전성 여부를 결정하기 위해 1990년에 수행된 국제 체르노빌 프로젝트, 그리고 현재까지의 모든 다른 국제적인 평가들에 나와 있는 것처럼 수 Sv부터 그 이상까지의 수준이었다.
북반구 여러 국가 대해 평균 선량을 포함하여 사고의 결과로 주민들이 받게 될 장기간 선량이 UNSCEAR에 의해 평가되었다. 이 보고에 따르면 개인 선량이 가장 높았던 국가에서의 첫해 평균 선량은 0.8 mSv였고, 개인 선량이 가장 높은 유럽 지역에서 2056년까지 70년 동안 받을 평균 선량은 1.2 mSv이다. 또한 국제 체르노빌 프로젝트에서는 1986년부터 2056년까지 70년 동안 가장 오염이 심한 지역에 거주하는 사람들이 받게 될 최대 선량은 160 mSv 수준일 것으로 평가하였다. 최근에 수행된 보다 상세한 연구에서도 비슷한 결과들이 나오고 있는데, 1996년부터 2056년까지의 기간동안 오염 농도가 185~555 kBq/m2인 지역에 거주하는 주민들이 받을 선량은 일반적으로 5~20 mSv 수준이고, 오염 농도가 555~1,480 kBq/m2인 지역에 거주하는 주민들이 받을 선량은 주로 외부 피폭에 의해 20~50 mSv 수준일 것으로 평가되고 있다. 그러나 토양으로부터 식량으로의 방사성 핵종 전이율이 높은 지역의 주민들은 70년 동안 내부 피폭만으로도 50 mSv를 초과하는 선량을 받을 수도 있다.
. 인체에 미친 영향
급성 방사선 영향 사고 초기 복구에 참여했던 작업자 중에서 237명이 방사선 피폭의 영향으로 보이는 임상학적 증후군들을 나타내어 병원에 수용되었다. 이중 143명이 급성 방사선 증후군(Acute Radiation Syndrome, ARS)으로 진단되었고, 이들 중 28명이 첫 3개월 이내에 방사선 상해의 결과로 사망하였다. 결과적으로, 기타 사망자 3명(1명은 폭발로, 1명은 관상동맥혈전증으로, 1명은 일반 화상으로 사망)을 합하여 31명이 초기에 사망하였다. 10 Gy 이상의 선량을 받았던 11명의 환자들에게서는 발병 초기에 점막이 마르고 부어 궤양이 생기면서 호흡과 음식물 섭취에 심한 고통이 있었고, 사망자 28명 중에서 26명은 열과 β-선에 의하여 총 신체 표면적 50% 이상의 피부 상해를 입었다. 지난 10년 동안 추가로 14명의 환자가 급성 단계 이후에 사망했으나, 그들의 사망이 급성 방사선 증후군에서 보이는 초기의 심각한 증상들과는 관련되지 않았기 때문에 직접적으로 방사선 피폭에 의한 것이라고는 단정할 수 없으며, 다른 원인에 의한 사망이 확실한 경우도 있었다.
당시의 환자들이 그들이 이용할 수 있는 가장 경험 많은 병원에서 그 때의 지식으로 가능했던 최선의 치료를 받았다는 데에는 의심의 여지가 없으나, 당시 추천됐던 골수 이식 요법은 거의 효과가 없었다. 향후에는 이러한 골수 손상을 조혈(Haemopoietic) 증식 인자를 즉각적으로 관리함으로써 치료할 수 있지만, 이를 위해 최적의 조합과 선량 일정이 결정되어야 하는 과제가 여전히 남아 있다. 방사선에 의한 다른 손상들에 대해서도 보다 정확하게 예측하고 각 개인에 맞는 치료를 지원하기 위한 새로운 진단 도구들이 개발되어 왔다.
현재 정신적 스트레스를 포함하여 여러 가지 병으로 고통 받고 있는 심각한 상태의 환자들을 합병증으로부터 보호하기 위해 최신의 치료 방법과 대책이 필요한 상태이다. 이런 환자들에 대해서는 그들의 건강 상태에 대한 주의가 필요하고, 앞으로 20~30년 동안에 걸쳐 관찰되어야 한다. 또한 발견된 질병 패턴들 중에서 방사선 피폭에 의한 것들과 환자가 원래 가지고 있는 것들을 구별하는 것도 중요한 과제일 것이다.
지발성 방사선 영향 체르노빌 사고의 방사선 피폭으로 인한 만성 영향 중에서 지금까지 가장 확실하게 나타난 것은 사고 당시 어린이였던 사람들의 갑상선암 발병률 증가이다. 1995년말까지 보고된 갑상선암 환자의 수는 진단 당시 15살 미만의 어린이들 중에서 약 800명이었고, 이들 중 400명 이상이 벨라루시에 거주하는 사람들이었으며 나머지는 우크라이나와 러시아 연방에서도 나타났다. 감상선암 발병률의 증가는 사고 전·후로 6개월 이내에 태어난 어린이들에게서 주로 관찰되었으며, 사고 6개월이후에 태어난 아이들의 발병률은 피폭되지 않은 사람들의 발병률 수준으로 현저하게 낮았다. 또한 갑상선암 발생의 대부분은 사고 결과로 방사선에 오염되었다고 생각되는 지역에 집중되어 있다. 따라서 이런 시간적·지질학적인 분포를 통해 발병률의 증가와 체르노빌 사고로 인한 방사선 피폭과의 관계를 명백히 알 수 있었다. 더욱이 환자들의 갑상선 요드 농도가 높은 점으로 보아 요드의 방사성 동위원소가 어린이들의 갑상선암 발병률을 증가시킨 확실한 원인으로 추정된다.
피폭시의 연령별 분석을 통해 나이가 어린 어린이들이 가장 위험했었다는 점이 확인되었다. 아동의 경우 갑상선암의 잠복기가 20년 이상까지도 연장되므로 피폭된 어린이들의 갑상선암 발병률 증가는 상당 기간 지속될 것으로 예상된다. 이로 인해 앞으로도 방사선 영향을 받은 집단 내에서 갑상선암이 만연할 수 있기 때문에 이에 대처하기 위한 적절한 재원이 필요하다. 방사선 피폭과 갑상선암 진단 사이의 최소 잠복기는, 외부 방사선의 급성 피폭과 관련한 과거 경험으로부터 예상된 잠복기보다는 다소 짧은 약 4년 정도인 것으로 판단되고 있다. 체르노빌 사고 후 10여년 동안 3명의 어린이들만이 갑상선암으로 사망했다. 어린이들에게서 발병된 젖꼭지 모양의 갑상선암은 악성임에도 불구하고, 표준적인 치료 절차가 적절히 이루어진다면 효과가 있는 것으로 보인다. 그러나 아직까지는 단지 단기간의 추적 조사 데이터만 있는 상태여서 최적 치료법을 확립하기 위해서는 어린이 환자들에 대해 완벽하고도 계속적인 추적 조사를 할 필요가 있고, 이러한 어린이들의 L-티록신은 평생 동안 의무적으로 관리되어야 한다.
체르노빌 사고로 인한 미래의 갑상선암 발병률은 예측하기 매우 어렵다. 그러나 현재의 발병률 증가가 수십 년간 지속되어 수천 명의 갑상선암 환자가 발생할 것으로 예상되며, 이들 대부분은 치료 가능할 것으로 보인다. 갑상선암이 조기에 진단되고 적절한 치료가 이루어진다면 이로 인한 사망자 수를 크게 줄일 수 있을 것이므로, 이러한 사람들은 그들 일생을 통해 계속적으로 면밀히 감시되어야 한다. 사고 당시 어린이였던 사람들에게서 나타나는 갑상선암의 수와 표준 갑상선 선량 측정을 바탕으로 예측된 암의 수와는 큰 차이가 있다. 이러한 차이는 일반적으로 표준 모델들 내에 고려되어 있지 않은 체르노빌 사고만의 특이했던 몇 가지 요소들 때문일 수도 있다.
갑상선 종양의 감지와 더불어 이러한 문제들을 명백히 밝히는 것이 중요하다. 이미 확인이 된 젊은이들의 갑상선암 발병률 증가 외에도 오염된 지역에 거주하는 주민들과 정화 작업자들 사이에 다른 악성 질병들도 증가한 것으로 보고되어 왔다. 이러한 증가율은 피폭된 주민들의 추적 조사에서의 차이와 체르노빌 사고 후의 강화된 규명 활동의 결과로 나타났을 수도 있다. 그러나 현재와 미래에 있어서 정화 작업자들의 발병률이나 오염 지역에 살고 있는 어린이들의 갑상선 암 발병률과 같은 장기간 영향의 크기를 전망할 수 있게 하거나 특별한 주의가 요구되는 지역을 확인하는데 도움이 될 수 있으므로 이를 위한 추가적인 연구가 필요할 수도 있다. 이 때 사고로 인해 발생된 불치의 암과 그렇지 않은 암의 발생 숫자에 대한 평가 결과는 평가에 사용된 여러 가정들의 불확실성을 고려하여 조심스럽게 해석되어야 한다.
. 희귀병인 백혈병
방사선 피폭 후의 주요한 관심사 중의 하나이다. 방사선 피폭으로 생긴 백혈병에 의한 사망은, 일본의 원자폭탄 폭발 또는 다른 원인들과 관련되어 생존한 사람들의 데이터에 기초한 예측 모델에 의하면 이론적으로 발생할 가능성이 거의 없다. 백혈병으로 인해 사망할 것으로 예측된 총 초과 사망자 수는 오염 지역과 엄격한 통제 구역에 거주하는 7,100,000명중 470명 수준인데, 이를 약 25,000명 정도의 자연 발생적 백혈병 사망자와 구별하는 것은 불가능하다.
1986~1987년 동안에 일했던 200,000명의 정화 작업자들에 대해 예측된 백혈병에 의한 초과 사망자 수는 200명 수준(백혈병에 의한 자연 발생적 사망자 수는(약 800명)이다. 이 모델에 따르면, 초과 사망자 200명중 약 150명이 피폭 후 10년 안에 사망할 것으로 예측되었지만 실제 사망자의 수는 40명에 불과하였다. 요약하면, 지금까지 갑상선암을 제외하고는 백혈병 또는 악성 질병의 발병률에서 체르노빌 사고로 인한 인지할만한 증가는 관찰되지 않았다. 암 관련 예측 모델에 따르면, 오염 지역과 엄격한 통제 구역에 거주하는 7,100,000명 중에서 체르노빌 사고로 인해 향후 85년 동안 불치의 암이 발병할 경우의 수는 6,600명 수준으로 계산되는데, 이는 암에 의한 자연 발생적인 사망자수 870,000명의 0.8%이다. 이러한 암 발병률의 증가나 주민들에서의 유전적 영향은 광범위하면서도 잘 설계된 장기간의 역학 연구를 수행한다 하더라도 판별하기 어려울 것이다.
. 심리적 영향
체르노빌 사고의 사회적·심리적 영향들과 그 반응들에 대해서 몇 건의 중요한 연구와 프로그램들이 지난 10년 동안 수행되어 왔다. 이러한 연구들은 국제 체르노빌 프로젝트에서의 결론을 포함하여 체르노빌 사고로 영향을 입은 주민들 사이에 걱정과 우울증, 그리고 정신적 고통으로 인한 다양한 심리적 건강 질환과 증상들이 있다라는 이전의 발견들을 확증해 주었다. 그런데 체르노빌 사고의 심리적인 영향을 경제적 궁핍이나 구 소련 붕괴의 영향과 구별하는 것은 대단히 어려운 일이다.
체르노빌 사고 심리적인 영향들은, 특히 사고 직후의 대중 정보의 부족, 스트레스, 이주의 충격, 사회적 결속의 붕괴, 그리고 방사선 피폭에 의해 자신뿐만 아니라 자녀들까지 고통 받을 것이라는 두려움 등에서 그 원인을 찾을 수 있다. 사고 후 수년 동안 진상을 듣지 못했던 사람들이 공공기관의 설명에 대해서 회의적인 반응을 나타내고, 과거보다 증가된 것처럼 보이는 여러 종류의 질병들이 방사선에 의한 것임에 틀림없다고 믿는 것도 이해할 수 있는 일이다.
그러나 방사선 위험에 대한 이러한 잘못된 인식은 사람들에게 매우 해롭다. 사고 결과들에 대한 견해가 일치되지 않은 채 정치 문제화되어 다루어진 것이 주민들에게 심리적으로 나쁜 영향들을 미쳤고, 심각한 상태가 장기간 계속되어 왔다. 무력증이나 절망감을 포함한 심각한 심리적 영향들이 사회를 후퇴시키고 미래에 대한 희망을 상실하게 하였다. 경제적 곤궁과 같은 다른 요소들은 사고의 결과로 피폭된 다양한 집단들을 포함해 일반적으로 주민들의 건강에 두드러진 영향을 미친다. 피폭된 주민들에 대한 통계는 옛 소련 지방의 질병률과 사망률이 일반적으로 명백히 증가됐는지의 관점에서 조사되고 있는데, 이는 이러한 증가 추세가 체르노빌 사고 때문인 것으로 오해하는 것을 막기 위한 것이다.
방사선과는 무관한 과거의 다른 사고 경험들로부터도 심리적인 영향이 장기간 계속될 수 있다는 사실을 알 수 있으며, 체르노빌 사고 후 10년이 지났는데도 증상들은 계속 전개되고 있다. 방사선 위험과 그 대응책들에 대한 논쟁이 계속되고 어린이들에게서 갑상선암의 현저한 증가가 계속되는 한 이러한 증상들이 지속될 것으로 판단된다. 체르노빌 사고의 심리적 영향을 평가할 때는 옛 소련 붕괴의 심리적 영향과 벨라루시, 러시아 연방 및 우크라이나의 경제적, 정치적, 사회적 상황을 고려해서 이루어져야 한다.
. 환경에 미친 영향
사고 후 몇 주 동안에는 원자로 부지 10 km 이내의 침엽수나 작은 포유동물 등 방사선에 민감한 동식물들이 죽는 단기적인 환경 영향이 있었다. 1986년 가을에 선량률은 100분의 1 수준까지 떨어졌고, 1989년까지 자연 환경이 점차 회복되기 시작했다. 주민들이나 생태계에 계속적으로 나타나는 심각한 영향들은 관찰되지 않았지만, 장기간에 걸친 유전 영향들의 가능성 및 중대성이 연구되어야 할 과제로 남아있다. 주민들에 대한 환경 오염의 의미는 그들의 피폭 경로에 따라 결정된다. 주요 피폭 경로는 땅에 침적된 방사성 물질로부터의 외부 피폭과 음식물의 오염에 따른 내부 피폭이 있다. 사고 후 몇 주 동안은 방사성 요드가 의학적으로 가장 큰 중요성을 가진 핵종이었다. 1987년 이후의 대부분의 방사선 선량은 Cs134와 Cs137에 의한 것이었고, Sr90에 의한 약간의 영향이 있었다. 반면에 Pu239에 의한 영향은 아주 작았다.
일상적인 식품들 중에서 몇 가지가 방사성 물질에 의해 오염되었다. WHO/FAO Codex Alimentarius Commission은 국제 무역을 통해 운송되는 식료품들에 대해, "이온화 방사선에 대한 방호와 방사선원의 안전성을 위한 국제 기본 안전 기준"에 의거해 최대 허용 오염 준위를 정하였는데, 사고 후 초기의 우유나 푸른 채소같은 주요 식료품들은 이 기준을 초과하였다. 사고 후 초기 단계에서 취해졌던 통제 수단들의 유효성에 대한 의문점들은 여전히 남아있다고 볼 수 있다. 대응책들이 외부 피폭을 줄이는 데는 비교적 비효율적이지만 방사성 물질의 내부 흡입을 줄이는 데는 매우 효율적일 수가 있다.
장기적으로 적절한 농업 대책들을 적용한다면 세슘이 식품으로 흡수되는 것을 효과적으로 줄일 수 있다. 가장 적절한 대응책들과 그 효과는 토양 유형과 같은 지역적 조건들에 달려있는데, 예를 들면 땅에 침적된 세슘의 양이 상대적으로 적었던 지방이라 할지라도 세슘이 우유로 전이될 가능성은 높을 수 있다. 일부 농부들이 개인적으로 생산한 몇몇 식품들이 WHO/FAO Codex Alimentarius 기준을 초과하긴 하지만, 일반적으로 현재 집단 농장에서 생산된 식품들 중에 이 기준을 초과하는 것은 없다. 관리 중인 농업 용지와 자연적인 환경의 중간 성격을 지닌 반자연적인 환경은 주민들이 미래에 받을 선량 준위에 큰 영향을 미칠 수 있다.
토양으로부터 목초지에서 방목되는 소의 우유까지의 방사성 핵종 전이율은 토양 유형에 따라 다양하게 나타난다. 반자연적인 목초지나 숲, 산악 지역에서 방목된 동물들로부터 생산된 특정 식품들과 엽조·엽수류나 딸기류, 버섯과 같은 야생 식품들은 향후 수십년에 걸쳐 Codex Alimentarius의 기준을 초과하는 Cs-137 준위를 나타낼 것이고, 이러한 식품들이 미래에 주요한 내부 피폭 선원이 될 것으로 보인다. 체르노빌 부지에 매장된 방사성 물질에 의한 지역적인 선량률은 상당히 높을 수 있다. 게다가 사고로 생긴 방사성 잔해의 임시 저장소를 안전하게 관리하기 위해 지역내 지하수의 장기적인 잠재적 오염이 고려되어야 한다.
. 금지 구역의 완전한 복구
주거 지역 근처의 고방사선 구역의 존재, 지하수의 지역적 방사능 오염 가능성, 석관 붕괴의 가능성과 관련된 위험, 그리고 일상의 음식물과 생활 유형에 가해진 심각한 제한들 때문에 현재로서는 불가능한 것으로 보인다.
. 사회 전반에 미친 영향
1990년부터 1995년말 사이에 당국은 우크라이나(약 53,000명), 벨라루시(약 107,000), 그리고 러시아(약 50,000명)에서 사람들을 추가로 이주시켰는데, 이러한 소개와 이주는 새로운 생활 조건에 적응하는 어려움과 연결되어 일련의 중대한 사회적 문제들을 야기했다. 인구 통계학적 측면에서 오염 지역의 여러 척도들이 악화되었다. 출산율이 감소하고, 노동 인력도 오염 지역에서 비오염 지역으로 이동하고 있어서 노동 인력과 전문 인력이 부족해지고 있다. 오염 지역에서의 방사선 피폭을 제한하기 위해 당국은 산업과 농업 활동에 제한을 가하였다. 또한 오염 지역의 생산품에 대한 일반인들의 부정적인 태도 때문에 생산품의 판매와 수출이 어려워졌으며, 결과적으로 지역의 수입이 감소하였다. 따라서 이러한 오염 지역에서 거주하고 일하는 사람들은 사회적·경제적으로 보조금에 상당히 의존하고 있는 형편이다. 현재 운영 중인 보상 시스템을 보완하여 기금의 일부를 새로운 산업이나 농업 프로젝트에 활용하는 것이 바람직할 것이다.
. 체르노빌 사고의 영향
지난 몇 년 동안의 정치적, 경제적, 사회적 변화에 의해 한층 악화되어 왔고, 생활과 공중 건강의 질 저하를 야기시켰으며, 사회 활동에도 좋지 않은 영향을 미쳤다. 현재의 상황은 사고 후의 결과들과 그 경감을 위해 취해진 조치들에 대한 불완전하고 부정확한 대중 정보로 인해 더욱 복잡해져 있다. 그러므로 대중에게도 사고의 영향을 제한하기 위해 취해진 조치나 현재의 방사선 준위라든가 식품의 핵종 농도에 대해 보다 정확한 정보를 제공하는 것이 필요하다.
. 남아있는 안전성 문제
. RBMK 발전소
RBMK 원자로는 흑연 감속, 경수 냉각이라는 독특한 설계로 인해 고연소도, 저출력에서는 원자로 안전성 측면에서 바람직하지 않은 특징이 있어서, 이것이 출력 폭주로 인한 체르노빌 사고의 원인이 되었다. 또한 원자로 긴급 정지를 위한 제어봉 삽입 시간이 서구의 가압경수로에 비해 매우 길어서 출력 급증시의 긴급 대응도 어려웠다.
체르노빌 사고는 이와 같은 원자로 및 정지계통 설계에 있어서의 심각한 결함과 더불어 안전 운전 절차의 위반이 동시에 작용하여 비롯되었다. 옛 소련에서 책임을 맡고 있던 조직들은 안전 문화가 결여되어 있었기 때문에, 그들이 사고 전에 이러한 설계 결함들을 알고는 있었지만 개선 조치를 취하지 않았다.
사고의 원인에 직접적으로 관련된 이러한 특성들 외에도 소련의 RBMK 원자로의 설계는
. 제 1 세대 RBMK 원전의 노심 냉각 안전 계통의 불완전성,
. 사고 시 방사능 격납 능력의 미비,
. 다수의 압력관 파열 영향에 대한 불충분한 고려,
. 화재나 침수에 대한 방호의 부족,
. 기기나 문서의 품질 관리 미흡 등과 같은 고유의 결함들을 지니고 있다.
특히 1960년대 설계인 RBMK 원자로의 제 1 세대 원전은 현재의 안전 목표들에도 미달된다. 불완전한 격납용기와 같이 아직 존재하고 있는 결함들에도 주의를 더 기울일 필요가 있다.
현재 가동 중인 RBMK형 원전들의 안전성을 향상시키기 위한 많은 개선 대책들이 지난 십여 년에 걸쳐 취해져 왔다. 체르노빌 사고 후 즉각적으로 기술적·조직적 대응책들이 취해졌고, 이와 더불어 1987년부터 1991년 사이에 사고의 원인이 된 설계 결함들을 본질적으로 개선하기 위해 안전성 향상 조치가 수행되었는데, 그 주요 내용은 (1) 제어봉의 추가, 핵연료 농축도의 증가(2.4%) 등을 통한 반응도 기포계수 특성의 완화, (2) 제어봉 구동 장치의 개선 등을 통한 긴급 정지 시간의 단축 (2.5초), (3) 원자로 반응도 여유 계산 주기의 단축, 운전 절차 및 제한치의 개선 등 운영 체계의 강화, (4) 원격 정지 제어실 설치 등이다.
또한 발전소 관리, 훈련, 비파괴 시험이나 안전 해석과 같은 영역에서도 진전이 있었기 때문에, 똑같은 사고 시나리오가 반복되는 일은 없을 것으로 보인다. 그러나 상당량의 방사성 물질 방출을 야기할 수 있는 다른 사고들의 발생 가능성은 배제할 수는 없다. 또한 이전 기준에 맞춰 설계된 원자로들도 적절한 개선이 없다면 안전에 관한 한 문제가 될 수 있다. 이러한 관점을 바탕으로 주기적인 안전성 검토의 중요성이 널리 인식되고 있다. 모든 RBMK 발전소들에 대해서는, 체르노빌 사고와 직접적으로 관련이 되지 않은 RBMK 원자로의 설계 결함들을 개선하기 위해 추가의 안전성 향상 계획이 있지만 이런 계획들의 이행이 관련 국가들의 필요한 재원 부족으로 인해 지연되고 있다.
. 석관
손상된 핵연료와 파손된 장비들을 격납하고 환경으로의 방사성 물질 방출 가능성을 줄이기 위해 원자로 주위에 건설되었던 석관에는, 현재 사용된 핵연료와 새 핵연료가 다른 물질들과 혼합되어 주로 먼지 등의 다양한 형태로 약 200톤 가량 포함되어 있다. 이러한 물질의 총 방사능은 주로 장수명 방사성 핵종에 의한 것으로 700x1015 Bq로 평가된다. 석관은 지난 10년 동안 설정된 방호 목표들을 만족시켜 왔지만, 장기적인 관점에서는 안정성과 내구성이 의심을 받고 있다. 특히 석관 상부의 밀봉 상태가 손상되어 생긴 많은 균열을 통하여 다량의 빗물이 침투함에 따라, 석관을 지지하고 있는 금속 구조물이 부식될 수 있고, 또한 중성자의 활동이 증가될 위험도 있다. 이로 인해 구조물이 붕괴된다면 방사성 먼지가 방출되고 작업자들의 심각한 방사선 피폭이 야기될 수 있다. 그러나 최악의 상황이라도 사고의 영향은 반경 30 km 이내 지역으로 제한될 것으로 예상된다. 석관의 붕괴가 인접한 체르노빌 3호기에 영향을 미칠 위험성에 대한 의견들은 크게 다른데, 이에 대한 상세한 연구가 필요하다.
현재 석관은 임계 안전성 관점에서 문제가 없는 것으로 판명되었지만, 물이 침투할 경우에 석관 내에서 임계 상태가 도달할 가능성을 완전히 배제할 수는 없다. 그러나 임계 상태가 발생하여 석관 내에 높은 방사선 준위가 야기되더라도 방사능의 대량 외부 방출은 예상되지 않는다. 다만 이러한 사건이 일어날 때 부지 내의 사람들에게 미칠 영향은 보다 명백하게 밝혀질 필요가 있다.
체르노빌 부지에 남아있는 발전소들과 석관의 안정성만이 해결되어야 할 주요 문제들의 전부는 아니다. 특히 부지 내에 매장된 방사성 물질과 관련된 추가적인 문제점들이 있는데, 이러한 문제들은 상호 연관되어 있기 때문에 해결을 위한 통합적인 접근이 필요하다. 석관 위에 2차적인 수용 시설을 건설하자는 제안 등이 이와 관련되어 있으며, 구 소련의 체르노빌 원전 관련 조직들이 갖고 있는 지식들을 보다 효과적으로 통합하여 활용하는 것이 바람직하다. 석관의 생태학적 안전성을 보장하기 위해서는 추가적인 연구 개발을 통한 적절한 설계와 그에 따른 건설이 필요한 것으로 판단된다.
. 비용-효율성의 측면
연구의 진전과 재정적 상황에 따라 적절한 단계들이 취해져야 하는데, 첫 번째 과제가 현존하는 석관을 안정화 시키는 것이다. 이것은 석관의 붕괴 위험을 현저히 줄일 것이고, 이차 수용시설과 같은 추가의 대책들을 보다 신중하게 계획하는데 필요한 시간을 제공해줄 것이다.
■ 일본 후쿠시마 원전 사고
경과와 영향 그리고 교훈
KAIST Nqe, 한국과학기술원 원자력 및 양자공학과
자료인용; 중간보고서(2011.4.18) 중에서, 일부발췌
□ 요약문
2011.3.11.의 동일본 대지진과 지진해일(쓰나미)로 인해 일본에서 가동 중이던 55기의 발전용 원자로 중 후쿠시마에 위치한 후쿠시마 제1발전소의 1~4호 기에서 잔열 제거에 문제가 발생하여 각각 건물을 크게 손상시키는 수소폭발이 발생하고 상당량의 노심 내 핵연료 또는 사용 후 핵연료 저장수조 내 핵연료가 손상되는 피해를 입었다.
. 사고의 경과
이번 사고의 개요는 “쓰나미로 인해 원자로 잔열 냉각시스템이 작동불능 상황이 되어 노심의 손상이 발생한 것”으로 정의될 수 있다.
냉각시스템의 작동불능 원인은 설계치를 크게 상회하는 14m의 쓰나미로 인해 전력 공급이 완전히 상실된 것이다. 지진 발생 직후에 외부 전원이 모두 소실되었으나, 후쿠시마 원전에서는 원자로의 안전 정지와 비상 디젤발전기의 구동이 모두 성공적으로 이루어졌으며, 원자로의 냉각도 순조롭게 개시되었다.
그러나 쓰나미로 인해 비상 디젤 발전기가 침수되고 연료공급 장치가 손상되어 발전소에 전기가 없는 상태가 되어 다중으로 설치되어 있던 안전시스템들의 작동이 중단되었다. 배터리를 이용하여 수시간~수일간 증기터빈 냉각장치를 가동하였으나 장기 사용으로 인해 기능을 잃자 원자로의 노심 잔열을 제거하기 위한 장치가 모두 작동불능 상태가 되었고, 노심 연료봉의 온도가 증가하게 되었다.
후쿠시마 제1발전소 1호기와 3호기에서는 냉각 없이 고온 증기에 노출된 연료봉의 피복재가 증기와 산화반응을 일으키면서 수소가스가 생성되었고 이것이 증기와 함께 배출되어 원자로 건물 지붕 밑에 모여서 수소폭발을 유발하였다. 2호기에서는 수소폭발의 장소가 원자로 건물 지붕이 아닌 격납용기에 연결된 압력억제 수조였다.
한편 연료 교체를 위해 사용 후 핵연료가 모두 저장수조에 옮겨져 있던 4호기에서는 수조의 물이 증발하면서 역시 물 밖으로 드러난 연료봉의 피복재가 산화하여 원자로 건물이 파손되는 수소폭발을 일으켰다.
사고 후 현재까지 해수 및 담수를 주입하여 원자로의 잔열을 제거하기 위한 시도가 계속되고 있는데, 해수 주입의 경우 원자로의 재사용을 하지 않는 것을 전제로 하는 것이다. 현재 노심내부는 외부 공급 냉각수에 의해 냉각이 수행되고 있고, 더 이상 악화되지 않고 있는 것으로 판단된다. 격납용기내의 수소폭발을 방지하기 위해 질소를 주입하고, 근처의 오염지역을 정화하여 복구작업을 본격화하기 위한 다양한 노력이 계속되고 있다.
. 방사성 물질의 유출 및 영향
원전에는 만일의 사고에 대비하여 방사성 물질이 외부로 유출되지 않도록 다중 방벽이 설치되어 있지만 이번 후쿠시마 사고의 경우 핵연료의 과열로 인해 기체상태의 방사성 물질인 제논과 크립톤, 휘발성 방사성 물질인 요오드와 세슘 일부가 외부로 유출되었다.
유출 경로는 공기와 물에 섞여 방출되는 두 가지인데, 사고 초기에는 수소폭발이나 화재와 함께 증기에 섞여 대기 중으로 방출되었으나 시간이 지남에 따라 방사능 수치가 계속 감소하고 있다.
현재 일본 상수처리 시설들의 요오드-131 방사능 오염 수치는 6세 이하 영유아 섭취 허용치인 100 베크렐/킬로그램 이하이다. 냉각을 위해 주입된 물에 녹아 있는 요오드와 세슘은 일부 유출량을 제외하고는 현재 발전소 내에 격리되어 있다.
최근 추가 격리 공간을 확보하기 위해 기존에 보관 중이던 저방사성 오염수 11,500톤을 인근 바다로 방출하는 일이 있었다.
후쿠시마와 체르노빌 원전사고의 진행과정이나 파급효과는 큰 차이를 보이는데, 체르노빌 원전의 경우 출력폭주로 인한 사고이며 원자로를 감싸는 격납용기가 없어 방사 성 물질이 광범위한 유럽 전역으로 급속히 퍼져나갔다.
이에 비해 후쿠시마 원전의 경우 원자로 정지 후 잔열 제거 실패로 인한 과열이 원인이었으며, 노심이 압력용기와 격납용기에 싸여있어 방사성 물질의 유출을 상당부분 차단하고 있는 것으로 판단된다.
우리나라에서는 4월 6일 - 4월 7일 대기 중의 방사능 수치가 가장 높았던 것으로 측정되었다. 이 기간 동안 검출된 요오드-131과 세슘-137의 최대 방사선량을 1년간 지속적으로 흡입한다는 보수적인 가정으로 환산하여도 0.000140mSv1)와0.000646mSv로 일반인 연간선량 한도인 1mSv와 비교하여 각각 1/7100, 1/1600 수준이다. 현재 한반도 전역에서 측정되고 있는 방사선량은 평상시 시간당 자연방사선량(0.00005mSv/h - 0.0003mSv/h) 이내의 수준을 유지하고 있으며 우리 국민의 건강과 환경에 미치는 영향은 무시할 수 있다.
□ 후쿠시마 제1발전소 사고
. 초기 사고의 경과
. 1,2,3호기 운전 중, 4,5,6호기 정비 중
후쿠시마 제1원전의 지진 발생 당시의 상태는 다음과 같았다.
호기 노형 전기출력 열출력 격납용기 착공 상업운전 주계약 지진발생시
(MWe) (MWt) 종류 상태
1호기 BWR-3 460 1380 Mark-I 1967.4 1971.03 GE 전출력 운전
2호기 BWR-4 784 2381 Mark-I 1969.1 1974.07 GE/도시바 전출력 운전
3호기 BWR-4 784 2381 Mark-I 1970.8 1976.03 도시바 전출력 운전
4호기 BWR-4 784 2381 Mark-I 1972.9 1978.10 히타치 정지(핵연료 수조보관 중)
5호기 BWR-4 784 2381 Mark-I 1971.12 1978.4 도시바 정지(원자로내 핵연료 장전)
6호기 BWR-5 1100 3,293 Mark-II 1973.5 1979.10 GE/도시바 정지(원자로내핵연료 장전)
. 지진 발생으로 1,2,3호기 정지, 외부전원 상실, 비상디젤 작동
2011.3.11. 14시 46분에 일본 동북(東北, 도호쿠)지방의 미야기현 동쪽 해저에서 발생한 규모 9.0의 대지진으로 후쿠시마 제1발전소에서 운전 중이던 1,2,3호기가 자동 정지되었다. 지진 직후 외부에서 공급되는 교류 전원이 상실되었다. 이에 대비한 비상 디젤발전기가 작동하여 원자로 냉각 등 필수적인 안전기능을 유지하고 있었다.
. 지진해일(쓰나미)로 비상디젤 등 주요 설비 파괴, 냉각기능 상실
14미터 이상의 대형 지진해일(쓰나미)로 인해 발전소 건물이 5미터 이상 침수되었다. 작동하고 있던 디젤 발전기들도 연료탱크와 라인 유실, 발전기 냉각 장치 유실 등 갖가지 문제로 작동을 멈추어 발전소에 쓸 수 있는 전원을 모두 상실하였다.
발전소에 쓸 수 있는 전원이 없는 상황에서 사용할 수 있는 설비는 축전지로 제어할 수 있는 노심격리냉각시스템 (reactor core isolation cooling system) 뿐이다. 수시간~수일간의 운전 후, 1,2호기의 경우 축전지가 모두 방전 되어 냉각기능을 잃었고, 3호기는 펌프가 과열되어 고장 나면서 냉각기능을 잃었다. 축전지가 고갈된 이후에도 외부전원이 복구되지 못해 냉각기능을 상실한 채 시간이 흐르게 되어 원자로가 과열되기 시작하였다.
. 안전에 가장 중요한 붕괴열 제거 실패, 원자로과열, 수소발생
원자로 크기와 운전이력에 따라 다르지만 정지된 원자로에는 핵분열로 생성된 방사성 물질 1톤 가량이 있다. 방사성 물질이 방사선을 내면서 안정화되는 과정에서 발생하는 열을 붕괴열이라고 한다.
사고 직후에는 이 잔열의 양이 정상운전 시 열출력의 6~7%이며, 1일 후 0.5%, 1개월 후 0.3% 수준으로 감소한다. 발생하는 열을 제거하기 위해서는 찬 물을 넣어주고 뜨거운 물을 꺼내서 식힌 후 다시 넣어주는 냉각 작업을 지속적으로 해야 하나, 전원, 펌프, 배관, 탱크 등 쓸 수 있는 수단이 대부분 쓰나미의 손상을 입어 1,2,3호기 냉각이 지연되었다.
냉각수 공급 지연으로 원자로의 물이 끓어 증기가 되고, 핵연료가 물 밖으로 드러나면서 온도가 상승하기 시작했다. 핵연료를 감싸고 있는 포장재인 지르코늄이 증기와 고온(700~1200도 이상)에서 반응하면서 수소를 발생시켰다. 수소는 가벼워서 위로 모이고, 산소와 만나면 급격하게 타거나 농도가 높을 경우 폭발하게 된다. 수소는 같은 무게의 TNT 대비 약 30 배의 강한 폭발력을 가지고 있다. 따라서 수소 500kg이 모두 폭발할 경우 TNT 15톤에 해당하는 폭발이 발생하는 것이다.
. 증기발생, 과압, 배기, 수소폭발, 원자로건물 파손
노심에서 냉각수가 증발하고, 수소가 발생하면서 격납용기 내부의 압력이 증가하였다. 그대로 두면 격납용기가 파손될 우려가 있어 1호기의 경우 제일 먼저 증기배기를 수행했다. 증기는 격납용기 밖으로 배출되며 원자로 건물 내부를 거쳐서 외부로 방출되게 된다. 배출되는 증기에 수소가 섞여 있었고, 수소가 원자로건물의 상부에 모여서 일정농도 이상에 이르게 되었다.
대기압 하에서 수소체적이 약 4%를 넘으면 연소가 일어나고, 약 15%를 넘으면 폭발이 일어나게 된다. 1호기 수소폭발(2011.3.12. 오후 3:36)로 원자로건물 상부가 파괴되었다. 3호기는 3월14일 수소폭발을 일으켜 원자로건물이 심하게 파손되었고 2호기는 3월 15일 수소폭발을 일으켜 격납용기 아래쪽의 압력억제 수조(도넛 모양의 수조)가 파손되었다.
. 사용후 핵연료 저장조 냉각수 고갈과 과열, 화재
쓰나미 발생 이전에 이미 정기 보수를 위해 정지 중이었던 4호기는 2010년 11월에 노심의 핵연료를 모두 사용 후 핵연료 저장조로 옮겨놓은 상황이었다. 원자로 밖으로 나와 수조에 보관되던 핵연료도 여전히 붕괴열을 내고있어 계속적인 냉각이 필요하다.
지진과 쓰나미 이후 냉각이 중지되면서 수조의 온도가 올라가고 물이 증발해서 줄어들었고 물 밖으로 핵연료가 드러나면서 지르코늄이 산화되고 이때 발생한 수소의 급격한 연소로 이어져서 4호기에 화재가 발생하게 된다.
1,2,3호기도 사용 후 핵연료 저장조에 핵연료가 저장 중이었고, 시간이 1년 이상 지났지만 여전히 붕괴열이 나오고 있어 4호기 보다 느리지만 냉각수 과열과 증발이 진행되었다. 수위가 내려가고 핵연료 손상의 우려가 있어 1,2,3,4호기 모두 헬리콥터, 소방차, 콘크리트 주입펌프 등을 이용해서 해수와 담수를 주입하게 되었다.
□ 냉각 및 사고수습을 위한 조치
. 원자로 내부로의 해수 및 담수 주입
1호기 수소폭발 이후 더 이상의 노심손상을 막기 위해 해수주입이 결정되고 소방 설비를 이용해서 해수를 주입하기 시작했다. 3호기도 노심용융의 위험을 감지하고 증기를 방출 한 다음 해수주입을 시작했다.
2호기도 원자로 내부 냉각수 수위 저하에 따라 원자로 내부로의 해수 주입을 시작하였다. 해수를 주입할 경우 물이 증발하고 소금이 축적되면서 노심의 유로를 막거나 주입하는 노즐을 막을 우려가 있어 장기적으로 지속하는 것은 바람직하지 않다. 또한 해수는 부식성이 강해 펌프, 배관, 밸브, 압력용기 등 금속구조물과 콘크리트 구조물의 건전성 저하를 가져온다.
사고초기 담수공급이 불가능한 상황에서 해수를 주입하였으나 이후 담수를 자위대 보급선과 미군 바지선 등으로 공급 받으면서 2,3,1호기 순으로 담수주입으로 전환하였다. 해수 및 담수 주입을 통해 노심내부 냉각수 수위가 핵연료 높이의 절반 수준을 유지하고 있다.
. 전력복구, 전력을 이용한 냉각수 주입
외부전력복구 작업이 순차적으로 완료되면서 엔진을 이용해서 펌프를 가동하던 방식을 전동모터를 이용한 펌프 가동으로 전환하였다. 또한, 주 제어실의 조명 등 필요한 설비 중 일부에 전력이 공급되었다. 2011.4.13. 현재까지 원자로 냉각수 주입은 전동펌프를 이용해서, 사용 후 핵연료 저장조 냉각수 주입은 콘크리트 펌프(2호기 제외)를 이용하고 있다.
. 방사성 오염수 누출
2011.4.2. 2호기 냉각해수 유입구 근처의 케이블 저장조에 1,000 mSv/h를 초과하는 고방사능이 검지 되었고, 오염수가 유출되는 약 20 cm 크기의 균열이 발견되었다. 균열을 막기 위한 작업이 개시되었고 콘크리트 타설, 톱밥 투입, 흡습제 투입, 수지 살포 등의 방법을 통해 4월 6일 균열부위를 막고 작업을 완료하였다.
. 저농도 방사성 오염수 방류
원자로의 냉각을 위해서 냉각수(해수 혹은 담수)를 주입하면 원자로용기 내부 및 격납용기 내부에 순차적으로 축적되게 된다. 축적된 냉각수가 파손부위를 통해 흘러나와 쓰나미로 인해 침수되어 있던 터빈건물 지하공간으로 들어가면서 각 원자로 당 약 2만 톤의 방사성 오염수가 생겼다.
장기적인 냉각을 위해서는 이 오염수를 다시 원자로 내부로 주입하는 순환냉각이 필요한데 순환냉각 설비를 설치하기 위해서는 일단 오염수를 제거해야 하는 상황이다.오염수를 저장할 수 있는 공간은 발전소에서 복수기, 복수저장탱크, 액체폐기물 처리설비 등이 있다. 따라서 이들 설비 내부에 있는 저농도 오염수를 바다로 방류하고, 고농도 오염수를 저장하는 작업을 수행하였다.
. 추가 수소폭발을 방지하기 위한 질소주입
수소와 산소가 공존하는 경우 수소폭발이 가능해 진다. 1호기 격납용기 내부에 수소가 잔존하고 있을 가능성이 크고 주입되는 해수와 담수에 있던 용존산소의 방출과 물의 방사분해(radiolysis)로 산소가 생성되어 있을 가능성이 있어, 격납용기 내부의 수소폭발 가능성이 제기되었다. 수소폭발을 막기 위해 격납용기 내부로 비활성기체인 질소를 주입하기로 결정하고 임시 질소주입장치 설치 후 질소를 주입하였다.
. 방사성 오염물질 제거
3호기와 4호기의 폭발로 사용 후 핵연료 저장조에 있던 구조물 등이 부지로 흩어졌다. 이들 중에는 방사능이 강한 물질들이 있어 원활한 발전소 회복작업을 위해 이들 구조물을 제거하는 작업이 우선 실시되고 있다. 또한 발전소 부지에 떨어진 방사성 물질이 바람에 의해 다시 부유 되어 확산되는 것을 막기 위해 수지를 살포하는 작업도 병행되고 있다.
□ 사고 평가, 전망 및 관리 계획
. 후쿠시마 제1발전소 사고 등급
2011.3.18. 이전의 관측 결과를 바탕으로 사고등급을 국제원자력 사고 등급(INES) 5등급으로 잠정 추정하였으나 2011.4.12. JNES의 방사성 물질 누출량 평가를 기초로 INES 7등급으로 추정하였다. 총 방출량은 요오드-131 환산 10^16 Bq을 초과하면 7등급으로 평가할 수 있다.
방출 추정치 체르노빌 사고 방출량
(일본 원자력 안전위원회)
요오드-131 1.5×10^17 Bq 1.8×10^18 Bq
세슘-137 1.2×10^16 Bq 8.5×10^16 Bq
(요오드-131 환산)
(4.8×10^17 Bq) (3.4×10^18 Bq)
(총계) 6.3×10^17 Bq 5.2×10^18 Bq
. 후쿠시마 제1발전소 사고 관리 과업
. 원자로용기의 침수를 통한 냉각격납용기(Dry Well 부분) 내부로의 냉각수 주입을 통한 원자로용기 하부헤드 침수를 계획하고 있다. 이는 2011.4.17. 발표된 사고수습 및 회복을 위한 로드맵에 포함된 냉각 전략이다.
. 방사성 오염수 처리; 1,2,3호기 터빈빌딩 지하 및 기타 관로에 있는 약 60,000톤 가량의 방사성 오염수를 복수기(condenser), 복수저장탱크(condensate storage tank), 액체폐기물 중앙처리소 등으로 이송하는 작업을 계획하고 있다. 11,500톤의 저농도 오염수를 바다로 순차적 방류하여 2011.4.20. 방류작업을 완료하였다.
. 격납용기내부 질소 주입; 1호기를 우선 주입하고 타 호기에 대해서 순차적으로 적용할 예정이다. 산소의 유입을 줄이기 위해서 질소 순도를 98%에서 99.98%로 증가시킬 계획이다.
□ 방사선과 방사능
후쿠시마 원전사고 방사능 누출로 인해 극미량이지만 요오드-131과 같은 방사성 원소가 국내 대기 중에서 검출되기도 하였다. 요오드-131과 같은 방사성 원소는 원자핵이 불안정하여 안정한 상태로 전이하려는 경향이 있으며, 이 핵붕괴 과정에서 인체에 유해한 알파선, 베타선, 그리고 감마선과 같은 방사선이 방출된다.
방사능이란 방사성 원소가 붕괴되는 속도를 의미한다. 방사능이 더 높다는 의미는 단위 시간당 더 많은 방사성 원소가 붕괴되고 그 만큼 많은 방사선이 방출된다는 뜻이다. 알파선(헬륨의 원자핵)이나 베타선(전자)과 같은 하전 입자는 감마선과 같은 전자파에 비해 투과력이 약하다.
예컨대 인체의 밖으로부터 방사선이 조사되는 경우를 고려하면, 하전 입자의 경우 구조물이나 방호도구에 의해 보다 쉽게 차폐가 될 수 있다는 것이다. 하지만, 만약 흡입 등을 통해 인체의 내부로 하전 입자 선원이 들어오는 경우에는 오히려 전자파 방사선에 비해 인체 내 흡수가 쉽게 일어나 해당 인체의 방호가 더 어렵게 된다.
여러 가지 방사성 원소들이 존재하며, 이들의 원자핵 붕괴 양식은 다양하게 나타난다. 예를 들어 요오드-131은 원자핵 붕괴로 인해 베타선, 감마선 등을 방출하면서 원자의 수가 약 8일에 절반 수준으로 줄어들게 되며, 이를 반감기라고 한다. 반감기가 짧은 원소일수록 방사능의 영향이 빨리 소멸하게 된다. 반면, 세슘-137과 같은 경우 반감기가 약 30년으로 방사능의 영향이 상대적으로 오래 지속되게 된다. 하지만 세슘과 같이 반감기가 긴 원소의 경우도 체내 유입 시 인체 대사에 의해 외부로 빠져나가게 되므로, 인체 내에서의 반감기는 약 100일 정도이다.
. 방사능의 세기
방사능의 세기를 표현하는 데는 1초간 원자핵이 붕괴하는 숫자, 즉 dps(disintegration per second)가 사용되며 베크렐(Bq)이라는 단위 와도 혼용된다:
1Bq = 1dps. 최근 보도 자료에서 자주 사용되는 단위는 베크렐에 접두어를 붙인 형태로 예컨대 1TBq은 1 테라베크렐이라 읽고 1조Bq을 의미한다.
예를 들어, 우유 1L에 100Bq의 요오드-131 방사능이 검출되었다고 하면, 이것은 그 순간 우유 속에 초당 100번 붕괴하는 수준의 요오드-131 원자가 들어있다는 의미가 되며, 환산하면 약 1억 개의 요오드-131 원자가 들어있는 셈이 된다.
□ 인체 및 환경에 미치는 영향
. 방사선 선량
방사선이 물질을 통과할 때 에너지가 물질에 일부 혹은 전부 흡수되게 되는데, 이 흡수된 에너지를 선량(흡수선량)이라고 한다. 가령 1kg의 물질에 1J(주울)의 에너지가 흡수되었다면, 흡수선량은 1Gy(그레이)로 정의된다. 그러나 흡수된 에너지 양이 동일해도 방사선 종류에 따른 또는 인체 내 피폭 부위에 따른 생물학적 효과가 다른 점을 고려하여 생물학적 방사선 위험정도를 나타내는 물리량으로 유효선량(단위: 시버트, Sv)을 사용한다.
이는 인체 내 각 조직 간의 선량분포에 따른 위험정도를 하나의 양으로 나타내기 위해서 방사선 종류에 따른 가중치 및 각 조직의 등가선량에 해당 조직의 가중치를 곱하여 합산한 양을 말한다. 일반적으로 1시버트(1Sv)는 매우 높은 유효선량을 나타내므로 밀리시버트(mSv=10-3Sv) 혹은 마이크로시버트(μSv=10-6Sv)의 단위를 사용
한다. 과거에는 rem(렘)이라는 단위가 주로 사용되었으며, 1Sv = 100rem의 관계가 있다.
최근 보도에 자주 등장하는 단위는 시간당 마이크로시버트(μSv/h)로서, 예를 들어 측정치가 0.5μSv/h 일 때 1년간 같은 수준의 방사선에 노출될 경우 누적 선량은 4.4 mSv35)가 된다. 참고로 도쿄 주변의 대기 환경 방사선량은 2011.4.9. 현재 약 0.1μSv/h 이내 수준을 유지하고 있다. 이는 1년간 같은 수준으로 누적된다 해도 선량이
1 mSv가 되지 않는 수준이다.
□ 과거 스리마일아일랜드(TMI), 체르노빌 사고의 방사능 피해
1979.3.28. 발생한 미국 TMI 사고는 국제원자력사고등급(INES) 5인 원전 사고였다. 하지만 TMI 사고로 인한 인명피해는 전무했으며 건전성을 유지한 1미터 두께의 콘크리트 격납용기 덕분에 사고 기간 중 반경 16 킬로미터 이내 인근 주민의 방사능 피폭은 미국민 연간 평균 자연방사선 피폭선량인 약 3mSv에도 훨씬 미치지 못하는 약 0.08 밀리시버트 방사선 피폭선량 정도였다. 한편 개인적으로 받은 최대 방사선 피
폭선량은 자연방사선 피폭선량의 3분의1 수준인 1 밀리시버트 이하의 양이라고 밝혔다.
이에 견주어, 1986년 4월 26일에 발생된 체르노빌 원전사고는 우크라이나, 벨라루스와 러시아 외에도 거의 유럽 전 영역으로 방사능 오염이 확산되었다. 체르노빌 원전사고 발생 몇 시간 후에 3명이 과다 방사선 노출로 인해 사망하였으며 134명이 고방사능 피폭으로 급성 방사선 질환의 피해를 받았다. 이 중 28명은 사고 경과 4개월 이내에 방사선피폭 후유증으로 사망하였다. 2008년 통계에 의하면 총 64명이 방사능 피폭으로 사망한 것으로 보고하였다.
체르노빌 사고 후 방사성 물질 누출 방지와 누출 방사능 처리 작업에 투입된 해체 작업자들 중 작업 초기인 1986년에서 1990년 사이에 투입된 53만 명의 작업자들은 평균적으로 약 120 밀리시버트의 방사능에 계속해서 피폭되었다. 공식 보고서에 따르면, 이들 중 25,000명이 사망하였지만 이들의 사망 원인과 방사능 피폭과의 직접적인 관계는 과학적으로 입증되지 않았다.
사고 당시 복구 작업과 추후 사고 처리에 투입된 인원 중 소수의 그룹은 위험한 수준의 방사선에 노출되었고 방사선 피폭 후유증에 대한 모니터링은 현재에도 지속적으로 이루어지고 있으며 반년에 적어도 한 번 정도 정기적 건강검진을 받고 있어 건강에 대한 불안을 가지고 살고 있는 실정이다. 체르노빌 원전 반경 30km 지역은 여전히 통제구역으로 치명적이 지는 않지만 방사능 수준이 여전히 정상치보다 높다.
□ 후쿠시마 원전사고로 인한 방사성 물질 유출, 확산 및 거동
. 주요 방사성 물질의 종류와 양
원자력 에너지는 우라늄 연료의 핵분열 연쇄반응에서 발생되는 막대한 에너지를 이른다. 일반적으로 핵분열 연쇄과정의 부산물로 수 백 종의 다양한 방사성 동위원소들이 생성되며 경수로 원전의 연소 된 핵연료에는 다음과 같은 방사성 물질이 존재한다.
원자력발전소에는 방사성 물질의 외부로의 유출을 차단하고 억제하는 다중 방벽이 설치되어있지만, 노심용융과 원자로 폭발 등으로 원자로 압력용기, 격납용기 등의 공학적 방벽이 제 역할을 하지 못할 경우, 대량의 방사성 물질이 주변 환경으로 유출될 수 있다. 외부로의 유출 가능성이 큰 방사성 물질은 다음의 3가지로 분류되어진다.
. 비활성 기체 방사성 물질(제논, 크립톤)
. 휘발성 방사성 물질(요오드, 세슘)
. 에어로졸 / 미세먼지 형태의 핵 물질과 이에 흡착되는 방사성 물질
이번 후쿠시마 원전사고로 인해 외부로 누출된 주요 방사성 물질은 제논, 크립톤, 요오드, 세슘 등이다. 2002년 OECD-NEA 보고서에 의하면, 실제 체르노빌 원전사고에서 제논(Xe), 크립톤(Kr) 등과 같은 비활성기체 방사성 물질의 100%가 주변 환경으로 유출되었고 휘발성 방사성 물질인 요오드(I)와 에어로졸 세슘(Cs), 텔루늄(Te) 등은 10 ~ 20% 가량이 유출되었으며, 그리고 3.5% 가량의 핵연료 물질(Zr, Np, Pu, Am, Cm 등)이 마이크로미터 크기의 미세먼지로 유출되었다고 밝혔다.
현재까지 후쿠시마 사고 원전에서 유출된 방사능 총량은 37만 테라베크렐에서 63만 테라베크렐로 잠정 추산하고 있으며 체르노빌 사고 때 방출된 방사능 총량인 520만 테라베크렐(테라 = 1조)의 10분의 1수준인 것으로 추정하고 있다.
후쿠시마 사고 원전 냉각을 위해 매일 500톤 가량의 냉각수를 주입하였으며 현재 총 50,000톤 정도의 고방사성 오염수와 30,000톤 가량의 저방사성 오염수가 발생한 것으로 보고하고 있다. 특히 20,000여 톤 정도의 고방사성 오염수 웅덩이가 2호기 터빈기계실에 존재하는 것으로 확인 되었다.
. 후쿠시마 원전 사고의 방사성 물질 유출 및 확산
주변 환경으로 방사성 물질의 확산은 대기와 물에 의해 이루어진다. 이번 후쿠시마 사고 원전에서도 수 차례에 걸친 방사성 오염 증기 배출, 수소폭발, 오염수 누출 및 방류 등으로 다량의 방사성 물질이 주변 환경으로 유출되었다.
방사능 확산 규모는 주변의 기상조건에 의해 결정되며 특히 풍향과 풍속에 따라 그 피해 지역과 규모가 달라진다. 이와 더불어 상대적으로 물에 잘 녹는 화학적인 특성을 가진 요오드와 세슘 화합물은 원자로 냉각을 위해 주입된 해수와 담수에 녹아 나와 발전소 건물 균열을 따라 지하수나 인근 바다에 유입된 것으로 일본 정부는 밝혔다.
후쿠시마와 체르노빌 원전사고의 진행과정이나 파급효과는 큰 차이를 보인다. 체르노빌 원전은 원자로를 감싸는 격납용기가 별도로 있지 않은 상태에서 출력폭주로 인해 대규모 화재가 발생하여 방사성 물질이 광범위한 유럽 전역으로 급속히 퍼져나갔다.
이와 달리, 후쿠시마 원전에도 핵연료가 심하게 파손되었을 것으로 예상하지만 원자로 압력용기와 금속 격납용기에 싸여있어 방사성 물질의 유출을 상당부분 차단하고 있는 것으로 판단된다. 그 동안 유출된 방사성 물질의 대부분은 2011.3.15. 수소폭발에 의해 파손된 2호기의 압력억제수조(suppression pool)에서 새나간 것으로 일본 정부는 밝히고 있다.
. 일본 주요지역 방사능 준위
국제원자력기구(IAEA)는 1992년부터 원자력 사고의 정도를 일관성 있고 또 일반인이 이해하기 쉽게 사건등급(Event Scale)을 도입하여 평가하고 있다. 이것이 국제원자력사고등급(INES, International Nuclear Event Scale)이며 0 ~ 7 등급으로 구분한다. 일반적으로 INES 사고등급은 유출된 방사성 요오드-131의 양을 가지고 판단한다.
이는 요오드-131이 호흡이나 음식물을 통해 갑상선에 누적되어 인체에 미치는 영향이 가장 크기 때문이다. 2011.4.12. 일본 정부는 후쿠시마 원전사고 등급을 국제원자력사고등급(INES)에서 최고 등급인 7등급으로 격상한다고 발표하였다. 이는 대량의 방사성 물질이 유출되었고 광범위하게 사람의 건강과 환경에 영향을 미치고 있으며 이는 주변국가에서도 만일의 방사능 피해에 대비하여 세심한 주의와 대책을 마련해야 함을 의미한다.
2011.3.15. 후쿠시마 원전 주변 환경 방사능 수치는 2호기의 압력 억제수조(suppression pool)의 파손 이후 일시적으로 시간당 최고 12 mSv까지 증가했음을 일본 정부의 측정 자료에서도 확인할 수 있다. 원전사고 초기에 요오드와 세슘 등으로 대기 중의 방사능 준위가 크게 증가 하였고 기상조건 특히 북서풍 혹은 북풍 등의 풍향에 따라 이와테현, 미야기현, 이바라키현, 도지기현, 도쿄 등의 동부 해안 지역으로 확산되었다.
현재 일본 상수처리시설의 요오드-131 방사능 수치는 6세 이하의 영유아 섭취 허용 방사능 제한치 100 베크렐/킬로그램 이하로 떨어져 있다. 반감기가 8일인 요오드-131의 양은 시간이 경과함에 따라 지속적으로 감소하리라 판단된다.
□ 후쿠시마 제1발전소 사고 일지
일본 후쿠시마 원전 사고, 경과와 영향 그리고 교훈
중간보고서, 2011. 4. 18, 일부발췌
KAIST Nqe, 한국과학기술원 원자력 및 양자공학과
. 2011년 3월 11일 (금, 사고 1일)
2011년 3월 11일 14시 46분에 일본 동북(東北, 도호쿠)지방의 미야기현 동쪽 해저에서 발생한 규모 9.0의 지진이 발생함. 1,2,3호기는 자동 정지되었고 4,5,6호기는 정기유지보수를 위해 정지 중이었음. 4호기는 2010년 11월 원자로의 모든 연료를 사용 후 핵연료 저장조로 이동시킨 상태였음. 외부 전원이 상실됨. 짧은 시간 동안 비상디젤발전이 발전소 냉각장치에 전원을 공급함. 쓰나미가 발전소 부지를 침수시킴. 비상 디젤발전기 가동이 중지됨. 1,2,3호기에서 증기터빈으로 구동 되는 원자로 격리냉각시스템(RCIC, Reactor Core Isolation Cooling System)과 3호기의 고압냉각수 주입시스템(HPCI, High-Pressure Coolant Injection System이 1,2,3호기의 노심으로 냉각수를 주입함. 발전소 주변 3km 이내의 주민에게 소개령 내려짐.
. 2011년 3월 12일 (토, 사고 2일)
백업 배터리 공급이 중단됨. 1,2,3호기의 냉각기능이 상실되거나 심각하게 손상됨. 압력조절응축수조(Pressure Suppression Pool)로의 증기배기로 인한 압력증가. 1호기의 격납용기 배기함. 10km 이내 주민의 소개령 발동. 1호기의 수소폭발로 사용 후 핵연료 저장조 등이 있는 원자로건물 상부부분 파손. 사용후 핵연료 저장조 대기로 노출. 소개범위 20km로 확대. 1호기 해수주입 시작됨.
. 2011년 3월 13일 (일, 사고 3일)
3호기 격납용기 배기. 3호기 해수주입 시작.
. 2011년 3월 14일 (월, 사고 4일)
3호기 수소폭발 발생. 3호기 원자로건물 상부 심각하게 파손. 1,2,3호기의 원자로용기내부 수위가 핵연료 아래로 보고됨. 1,2,3호기 모두 핵연료 손상 예상됨. 1,2,3호기 모두 격납용기 건전성은 유지함. 2호기 해수주입 시작.
. 2011년 3월 15일 (화, 사고 5일)
4호기 화재 발생. 4호기 원자로건물 최상층 손상 확인. 2호기 격납용기 배기 시작. 2호기 원자로건물 내부에서 수소폭발 발생. 압력조절응축수조의 파손이 의심됨. 2호기 원자로건물은 손상 없음. 4호기 추가 폭발로 원자로건물 상부 파손 확대. 4호기 사용 후 핵연료 저장조의 냉각수 비등 위험이 보고됨. 5호기 사용 후 핵연료 저장조의 수위가 핵연료 최상부 위쪽 2미터까지 하강함. 6호기 비상디젤발전기 1기가 5호기와 6호기 사용 후 핵연료 저장조 냉각장치에 전원공급 시작.
. 2011년 3월 16일 (수, 사고 6일)
4호기 사용 후 핵연료 저장조 부근에서 다시 화재 발생. 20km 이내 소개조치 완료. 3호기에서 연속적인 수증기 배출이 관찰됨. 3호기 사용 후 핵연료 저장조의 냉각수 비등에 의한 것으로 추정.
. 2011년 3월 17일 (목, 사고 7일)
헬리콥터를 사용해 해수를 3호기 사용 후 핵연료 저장조에 살수. 특수소방펌프와 폭동 진압용 물 펌프를 사용한 해수 살포도 병행함.
. 2011년 3월 18일 (금, 사고 8일)
3호기 해수살포 지속함. 1,2,3,4호기 사용 후 핵연료 저장조에 냉각수를 주입하는 작업이 최우선 순위가 됨.
. 2011년 3월 19일 (토, 사고 9일)
3호기 해수살포 지속함. 5,6호기는 6호기의 비상디젤발전기 2기를 이용한 사용 후 핵연료 저장조 냉각 시작됨. 발전소 주변에서 생산된 우유와 시금치가 일본기준을 초과함. 도쿄 등에서 기준치를 넘지 않지만 평소 이상의 방사능이 계측됨. 후쿠시마의 수돗물에서 기준치 이상의 방사성 요오드 검출.
. 2011년 3월 20일 (일, 사고 10일)
3호기 해수살포 지속함. 5,6호기 사용 후 핵연료 저장조 냉각수 온도 하강하기 시작함. 3호기 사용. 2호기 사용 후 핵연료저장조로 40톤의 해수 주입. 2호기 임시 전원센터에 외부전원 연결. 5,6호기 냉온정지(Cold Shutdown) 상태 도달.
. 2011년 3월 21일 (월, 사고 11일)
1,2,5,6호기 외부전원 연결. 1,2호기 전원이 임시배전반에 연결됨. 1,2호 기에서 지진과 쓰나미 영향을 받은 기기의 점점 시작됨. 5호기 전원이 6호기 비상디젤발전기에서 외부전원으로 전환됨. 일본정부가 시금치와 우유의 유통을 잠정 중단하도록 조치함.
. 2011년 3월 22일 (화, 사고 12일)
3,4호기 외부전원 연결로 6개 호기 모두 외부전원 연결됨. 1,2호기 기기 점점 지속됨. 5,6호기 냉온정지 상태를 유지하며 사용 후 핵연료 저장조 냉각 지속. 1,2,3,4호기 배수구에서 방사성 요오드(I-131) 및 세슘(Cs-134, 137)의 농도가 규제 제한치 초과함.
. 2011년 3월 24일 (목, 사고 14일)
1호기 원자로용기 온도가 400°C에 근접하여 설계온도 302°C를 초과함; 냉각수 주입량 증가시킴. 3호기에서 검은색연기가 발생하여 모든 작업 일시 중지. 방사선 준위의 변화는 없음. 1,2,3,4호기에서 증기배출이 관찰됨. 1호기 증기배출은 최초로 관측됨. 3호기 터빈건물에서 배선작업 중이던 작업자 3명이 고준위 방사선에 피폭됨. 2명의 작업자는 고준위 베타선 피폭에 의한 화상이 의심되어 병원으로 후송됨. 3명의 작업자는 170mSv에서 180mSv의 피폭을 당함. 동경전력이 17명의 작업자가 100 mSv 이상의 피폭을 받았음을 발표함.
. 2011년 3월 25일 (금, 사고 15일)
2호기 주제어실 전원 공급. 오전 6시 1호기 원자로용기 온도가 400°C에서 204.5°C로 하강함. 1,2,3,4호기 건물외벽온도가 20°C 이하로 하강함. 3호기 사용 후 핵연료 저장조 외벽온도가 전일 56°C에서 31°C로 하강함.
. 2011년 3월 26일 (토, 사고 16일)
2,3호기 해수주입에서 붕산을 첨가한 담수주입으로 전환하고 엔진펌프에서 전동펌프로 전환함. 2,3호기 주제어실 조명이 복구되어 1,2,3호기 모두 주제어실 조명 사용.
. 2011년 3월 28일 (월, 사고 18일)
후쿠시마 제1발전소 부지 내에서 플루토늄 검출. 검출량은 평상시 검출량과 큰 차이 없는 건강에 영향 없는 수준임. 1,2,3호기 터빈빌딩의 물에서 방사성 물질이 검출되어 방사성 물질의 누출을 줄이면서 노심을 냉각 해야 함. 2호기의 경우 물 표면에서의 선량률이 1000 mSv/h 이상, 3호기의 경우 750 mSv/h, 1호기의 경우 60 mSv/h 수준임. 2호기 터빈건물 외부 웅덩이(트랜치)에서 고준위 방사선이 계측됨.
. 2011년 3월 29일 (화, 사고 19일)
1호기 해수주입에서 붕산을 함유한 담수 주입으로 전환하고 엔진펌프에서 전동펌프로 전환.
. 2011년 3월 30일 (수, 사고 20일)
2,3호기 해수주입에서 담수주입으로 전환. 1,2,3,4호기에서 흰색 연기 발견. 4호기 사용 후 핵연료 저장조 담수 살포 시작.
. 2011년 3월 31일 (목, 사고 21일)
바지선을 통해 추가적인 담수 공급. 1,3호기 사용 후 핵연료 저장수조로 민물 살포.
. 2011년 4월 1일 (금, 사고 22일)
2호기 사용 후 핵연료 저장조로 담수공급. 4호기 사용 후 핵 연료 저장조로 콘크리트 펌프를 통한 담수 공급.
. 2011년 4월 2일 (토, 사고 23일)
1,3호기 사용후 핵연료 저장수조로 콘크리트 펌프를 이용한 살수. 바지선을 통한 2차 담수 공급. 2호기 냉각해수 유입구 근처의 케이블 저장조에 1000 mSv/h를 초과하는 고방사능 검지. 방사성 물이 유출되는 약 20cm 크기의 균열 발견. 균열을 막기 위한 작업 개시.
. 2011년 4월 3일 (일, 사고 24일)
1,2,3호기에 외부전원을 사용하는 전동펌프를 이용한 원자로 냉각수 주입 지속. 4호기 사용 후 핵연료 저장조에 콘크리트 펌프를 사용한 냉각수 살포 지속. 콘크리트 균열 메꿈 작업 지속.
. 2011년 4월 4일 (월, 사고 25일)
11,500톤의 저준위 방사성 냉각수의 해수로의 방출을 TEPCO가 결정함. 터빈 건물에 고인 고준위 방사성 냉각수 등을 수집 처리하기 위해 저장되어 있던 저준위 냉각수의 방출을 결정함. 근해의 어류와 해초류를 섭취할 경우 연간 약 0.6 mSv의 추가적인 피폭이 예상되는 수준임. 이 수준은 자연방사선 피폭의 1/4 수준임.
. 2011년 4월 5일 (화, 사고 25일)
4호기 사용후 핵 연료저장조로 콘크리트 펌프를 이용한 냉각수 살포 지속. 2호기 콘크리트 균열부위 막음 작업 지속.
. 2011년 4월 6일 (수, 사고 26일)
2호기 콘크리트 균열부위 막음 작업 완료로 누출 멈춤. 1호기 격납용기 내부에서의 수소폭발을 방지하기 위한 질소주입 준비.
. 2011년 4월 7일 (목, 사고 27일)
새벽 1:31 1호기 격납용기 질소주입 시작. 격납용기 압력이 2.5기압(원래 압력에서 1기압 증가)될 때까지 주입할 계획. 약 7일 소요 예정. 7.1 규모의 여진이 후쿠시마 제1발전소 근해에서 발생. 2011년 3월 11일 9.0 지진 이후 가장 큰 규모임. 후쿠시마 제1발전소에 안전 영향은 없음. 2,4호기의 사용 후 핵연료 저장조로 냉각수 공급.
. 2011년 4월 8일 (금, 사고 28일)
3호기에 담수 75톤 살수
. 2011년 4월 9일 (토, 사고 29일)
1호기 격납용기 압력이 질소주입에 의해 4월 7일 1:20 1.5기압에서 4월9일 12:00 1.9기압으로 증가됨. 5,6호기 수집조(Sub Drain)의 1,320톤 방류 완료 (4월 8-9일).
. 2011년 4월 10일 (일, 사고 30일)
1-4호기 중앙폐기물처리설비의 물 9,070톤 방류 완료(4월4-10일).
. 2011년 4월 11일 (월, 사고 31일)
오후 5:16 하마도리 (후쿠시마 제2발전소 인근) 리히터 규모 7.1의 여진 발생. 모든 작업자 TSC 건물로 대피. 1,2,3호기 외부전원이 일시 중단됨. 오후 6:00경 전원 복구됨. 방사성 오염수 방출과 질소주입작업이 중단/연기됨. 오후 5:00 기준 3000m3의 질소 주입. 격납용기(드라이웰) 압력이 오후 8:00경 1.99 기압임. 지속적인 주입에도 압력이 1.90-1.95 기압으로 유지되므로 격납건물의 미세 누출이 있는 것으로 추정.
에다노 관방장관이 비상대피구역을 현재 20km 영역에서 확대함을 발표. 대피구역 내의 연간 선량이 24mSv를 초과할 것으로 보여 영역을 확대함. 30km 영역내의 주민에게 옥내대피 혹은 자발적 외곽 대피를 권고함.
. 2011년 4월 12일 (화, 사고 32일)
NISA의 방사성 물질 누출량 추정결과 요오드-311 1.5×10^17 Bq, Sc-137 1.2×10^16 Bq로 요오드-131 환산 6.3×10^17 Bq의 방출량이 평가됨. 이는 체르노빌의 5.2×10^18 대비 10% 수준. 일본원자력 안전위원회가 후쿠시마 제1발전소 사고를 INES 7등급으로 평가함. 2호기 해수 스크린 부근에 방사성 오염수 확산 방지용 철체 차단막 설치
. 2011년 4월 13일 (수, 사고 33일)
새벽 0시 30분 콘크리트 펌프를 이용해서 4호기 사용 후 핵연료 저장조에 195톤의 물 살수, 3,4호기 해수 스크린 부근에 방사성 오염수 확산 방지용 모래 차단막 설치
. 2011년 4월 14일 (목, 사고 34일)
1호기 질소주입 지속. 1,2,3호기 담수 노내 주입 지속.
. 2011년 4월 16일 (토, 사고 36일)
1호기 질소주입 지속. 1,2,3호기 담수 노내 주입 지속.
■ 핵폭격 피해 사례와 가상 시나리오
□ 00
서울 핵폭발 가상 시뮬레이션 (2004, 미국방부)
□ 피해사례, 01
(미주중앙, 09.06.12)1945.7.16. 오전5시 미국 뉴멕시코주 엘라모고도 사막 한가운데서 강렬한 빛과 함께 거대한 버섯 구름이 피어 올랐다. 인류최초의 핵실험의 위력은 다음달 일본의 나가사키와 히로시마에 투하된 폭탄으로 20만 명의 목숨을 앗아갔다.
존 웨인은 1954년 핵실험장에서 137km거리인 유타주 평원에서 칭기스칸을 소재로 한 영화 "정복자" 를 촬영하고 있었다. 일본 저널리스트 다카시의 저서 "존웨인은 누가 죽였나" 에 따르면 방사능으로 그 후 30년 동안 전체스태프 220명 중 90명이 암에 걸렸고 그 중 46명이 사망하였다고 하며, 존웨인은 79년 위암으로 죽었고, 딕 파월감독과 여주인공 수전 훼이드 역시 암으로 사망하였다고 한다.
지난3월 일본에서 열린 "실크로드의 죽음"이라는 심포지음에서 중국이 신강(新疆)에서 22 차례 핵실험 때문에 소수민족인 위구르족의 암 발생률이 치솟고, 희생자가 19만 명에 달한다는 보고가 있다. …… (중앙일보)
미 국방 안보 분야의 대표적 싱크탱크인 '랜드 연구소(RAND Corporation)'의 대북전문가 브루스 베넷(57) 박사는 최근 미주중앙과 가진 인터뷰에서 "북한은 현재 핵무기용 플루토늄을 100㎏ 이상 보유하고 있으며 이는 20개의 핵미사일을 만들 수 있는 양"이라고 말했다. 이어 그는 "만약 북한이 2차 핵실험을 했던 규모의 핵폭탄이 서울 한복판에 떨어진다면 그 피해 규모는 9.11 테러의 100배에 달할 것"이라고 예상했다.
베넷 박사는 한미 양국 국방부의 연구 의뢰를 도맡고 있는 세계적인 군사전문가다.
최근 북핵 문제가 세계적인 관심사가 되고 있는 가운데 랜드 연구소를 방문한 미주중앙 취재진과의 인터뷰에서 베넷 박사는 "현재 재래식 전력은 한국이 20~30% 정도 앞서지만 핵 요인을 감안하면 북한이 우세하다고 볼 수 있다"고 말했다.
그러나 그는 "북한이 15~20년 내에 자멸할 가능성이 높다"고 예상하고 "통일 대비하기 위해서는 '식량비축'이 가장 효과적"이라고 지적했다.
우려되는 북한의 핵 도발과 관련 베넷 박사는 현재 북한 핵무기 화력 수준과 실제 공격으로 인한 사망자수 이에 따른 경제적인 피해 정도도 제시해 관심을 모았다.
베넷 박사는 "지난달 25일 북한이 감행한 2차 핵실험의 화력은 10킬로 톤 안팎으로 TNT 폭탄 1만t의 위력을 갖추고 있다"며 "서울의 인구밀도를 감안하면 직접적인 타격으로 인한 사망자는 30만~40 만 명 수준"이라고 설명했다.
참고로 1945.8.6. 떨어진 히로시마 원폭은 12~13킬로 톤으로 당시 사망자는 8 만 명이었다.
경제적 파급효과에 대해서는 "9.11 당시 사망자수는 미국 인구의 0.002%에 불과했지만 GDP 손실액은 1~5%였다" 며 "남한 인구의 1%에 가까운 40만 명이 숨진다면 매우 비극적인 상황이 벌어질 것"이라고 말했다. (미주중앙, 2009.06.12 중에서 발췌)
□ 피해내용의 구분, 02
히로시마와 나가사키에 떨어뜨린 핵폭탄을 1세대 핵폭탄이라 함
1세대 핵폭탄은 핵분열에 의한 에너지에 의해 광범위한 피해를 줌
2세대 핵폭탄은 1세대 핵이 핵분열에 의한 에너지로 광범위한 피해를 입힌다면 2세대 핵은 반대로 핵융합에 의한 에너지로 광범위한 피해를 입히는데 핵융합에 의한 에너지가 핵분열에 의해 발생한 에너지에 비해 더욱 강력한 에너지를 발산함 (수소폭탄)
2.5세대 형 핵은 2세대 핵에 우라늄238이란 물질을 한 겹 더 씌워 파괴력 증대와 함께 방사능 방출량을 더욱 증대시킨 무기로 흔히 '더러운 폭탄'이라 부름
3세대 핵은 현재 선진국에서 표준으로 정하고 보유한 무기로서 기존의 2세대 핵인 수소폭탄을 중성자탄으로 개발하여 파괴력 등을 더욱 증대시킨 것
4세대 핵으로 볼 핵폭탄은 현재 개발 중으로 추정
아메리슘이나 큐리움 같은 플루토늄보다 훨씬 무거운 매질로 제작하는 것인데 아주 소량만으로도 1세대 핵의 수백 배에 달하는 파괴력을 발산한다고 함
현재까지 개발 된 3세대 핵(1메가톤급, 10^6 톤)의 파괴력은 1세대 핵(리틀보이가 12.5Kt)에 비해 평균 80배 가량 높다고 봄,
. 1세대 핵인 히로시마에 떨어진 리틀보이의 파괴력
리틀보이의 파괴력은 12.5Kt에 달하며, 핵 폭발 시 발산되는 4가지 파를 보면,
. 충격파
핵탄두는 지상에 부딪히며 터지는 게 아니라 공중에서 폭발
충격파는 핵폭탄이 가진 위력의 50%에 해당하고
보통 2Km의 거리까지 이 충격파에 의해 사라졌음(히로시마 기준)
온도는 3000 ~ 4000도까지 육박해 직격탄을 맞은 사람들은 '증발'하는 현상이 발생
. 열파
열파는 전체 피해의 35%를 발생시키며
열파는 4Km 반경 안의 모든 것들을 태워버렸음
. 방사능파
핵폭탄이 가진 가장 지독한 피해 중 하나
리틀보이를 기준으로 반경 5~6Km 안의 생명체들은 보통 2주 안에 모두 죽었고
살아 남았다 해도 6개월 이상을 넘길 수 없었음
6개월 동안 백혈병 환자가 기하급수적으로 증가했고 그 다음으로 암환자가 대거 증가했었음
게다가 그 피해는 후손들에게 이어져 씻을 수 없는 상처로 남았음
. 방사능낙진에 의한 오염
□ 피해 시나리오, 03
(퍼온글을 재구성 함)(가정) 1메가 톤( 1MT, 10^6 톤) 규모의 핵폭탄이 터졌을 경우의 시나리오 1 메가 톤으로 정한 것은 이것이 일반적인 전략핵폭탄의 기본 크기이며, 전략핵폭탄인 만큼 도시들을 겨냥하고 있기 때문임오후 1시 서울시 중구 서울시청 상공 2500 고도에 1mt 전략 핵폭탄 직격 시의 가정
. 열복사
서울시청을 중심으로 반지름 약 3km의 거리의 모든 것이 폭발과 동시에 "증발"함
경복궁, 서울역, 을지로, 종로, 동대문, 연세대학교, 숙명여대, 용산구청, 북한산 국립공원 일부가 태양의 약 1000배의 열로 약 1에서 2초간의 빛의 방출로 인해 불에 타는 것이 아니라 순식간에 "증발"해버림
피해자들은 자신이 죽는지도 핵폭발이 일어났는지도 느낄 수 없음
그냥 밝은 빛이 카메라 후래쉬 터지듯 반짝한 후 동시에 "증발"함
그리고 이 지역은 폭발에 의한 화구를 생성하게 됨
그와 동시에 전자장펄스(EMP)에 의해 서울 및 기타 인근도시의 모든 전자장비 및 자동차 심지어 여러분의 손목시계까지 모두 작동을 멈춤
또한 약 7~9km떨어져 있는 서울시립대, 성산대교, 동작대교, 국립묘지, 반포 고속버스터미널, 미아삼거리, 동덕여대, 서대문 시립병원, 서부 시외버스터미널 등의 모든 가연성으로 이루어진 모든 것이 엄청난 열로 인해 폭발의 중심지가 증발함과 거의 동시에 타기 시작하며, 주위의 모든 사람들도 같이 타 들어 가기 시작함
이 지역의 사람들은 3도 화상을 입게 되고 노출부위가 25%가 넘는 사람들은 몇 초 뒤 절명하며, 거의 이 지역의 대부분인 운 나쁜(?) 노출부위 25%미만의 사람들은 약 1분 뒤 후 폭풍이 다가올 때까지 고통 속에서 기다리게 됨
. 후 폭풍
폭심지부터 약 3km의 불덩이가 생기며 엄청난 양의 산소를 태우게 됨
그리고 모자라는 산소를 주위에서 흡수하기 시작하는데 불타고 있는 폭심지 주변의 건물들이 산소를 빨아들이는 속도에 못 견디고 대부분 폭심지 안쪽을 향해 붕괴함
그리고 몇 초 뒤 시속 1000km로 산소를 팽창시키는데 속도는 점점 느려져서 25초 뒤에는 약 시속 400km 속력의 후 폭풍이 동대문, 연세대, 숙명여대, 용산구청 등에 도착하게 되고, 그리고는 1분 뒤에는 시속 350km의 속력의 후 폭풍이 약 7~9km 떨어져 있는 서울시립대, 동작대교, 반포 등지에 도착하게 됨
후 폭풍은 약 진도7의 지진의 파괴력으로 도시를 덮치는데, 지상의 모든 90%이상의 건물은 이 충격으로 파괴되고 모든 건물파편이나 유리파편은 조각조각 나서 이 부근의 사람들의 몸을 총알처럼 관통하여 살상하게 되며, 더욱이 파편 뿐만 아니라 이 바람에 직접 노출되게 되면 사람의 몸도 두 동강이 남
또한 엄청난 열을 포함하므로 인근의 아스팔트도로들이 부글부글 끓게 됨
약 2~3분 정도 경과하면 후 폭풍은 과천시청, 정부종합청사, 서울랜드, 중부고속도로입구, 카톨릭 병원, 김포공항, 도봉산, 광명시청, 송파구, 부천역곡, 태릉선수촌, 구리시, 미금시, 행주산성에까지 도달하며 이 지역 역시 처음 지역보다는 덜하지만 후 폭풍으로 인한 건물붕괴, 화재 등을 일으키며, 이로 인해 피해 속에서 겨우겨우 생존해 남아 건물 밖으로 도망쳐 온 생존자들에겐 화재선풍이라는 또 하나의 재앙이 덮침
오후1시로 시간을 정한 이유는 이 시간대에 일반적으로 불을 많이 사용하기 때문에 핵폭발 시에 더 많은 피해를 내기 때문임
직접적인 후 폭풍의 범위는 말씀하시는 분마다 가지각색인데 약 반경 30km의 건물들을 파괴할 수 있다고 생각하면 됨
결국 최악의 경우를 생각해 보면 후 폭풍이 인천, 의정부, 수원까지도 도달하여 건물을 파괴 할 수도 있음
. 선 낙진 피해 엄청난 후 폭풍으로 인해 차량, 인간, 건물파편 등이 공중으로 날아가는데 약 2~3km정도의 높이까지 올라감
그 뒤 후 폭풍의 영향으로 폭심지 멀리 떨어지는데 피해 예상지역은 인천, 안산, 수원, 용인, 동두천, 심지어 강화도까지 날아감
대부분의 선 낙진은 눈처럼 떨어지는 뿌연 재인데, 앞서 언급한 차량, 인간, 건물파편 등도 많은 양이 같이 떨어짐
선 낙진들은 엄청난 방사능을 띤 오염물질들인데 처음 열복사 내지 선 낙진에 노출된 사람은 2주 내지 길게는 6개월 안에 사망하게 됨
. 후 낙진 피해 작고 가벼운 먼지 크기의 재들은 더 높이 올라가 바람을 타고 더 멀리 뿌려지게 됨
서울에서 터졌을 시 후 낙진은 무역풍을 타고 일본까지 가게 됨
. 종합 1차 열복사 및 2차 후 폭풍에 의해 서울의 모든 80~90%의 건물파괴 및 서울인구 천만 명 중 약 200만 명은 찍소리 한 번 내보지도 못하고 즉사, 약 2백만 명은 고통 속에서 몸부림치다 사망, 그리고 약 300만 명은 2주 내지 6개월 안에 사망하게 될 것이며 교통마비, 수돗물 중단, 전기 중단, 의료기관 및 의료요원의 부족 속에서 사망자는 더욱 더 늘어날 것임
또한 인근 주변도시 인천, 수원, 동두천, 의정부 등은 열복사 및 후 폭풍에 의한 직접피해는 그나마 서울보다는 좀 덜 할 테지만 선 낙진 피해로 인해 죽어가는 사람은 서울 못지 않을 것이며, 전체적인 피해 역시 약 60%이상의 인구가 직, 간접적인 피해로 6개월 안에 사망할 것임
간단히 계산했을 때 우리나라 인구 중 천만에서 천이백만 명 정도가 사망할 것임
그 뿐만 아니라 수도권 붕괴로 우리나라 당장 후진국으로 전락
방사능피해로 인해 사망하는 사람의 고통은 말로 다 표현할 수 없을 정도로 처참하며, 핵전쟁 후를 표현한 TTAPS보고서에서는 이를 산 자가 죽은 자를 부러워하는 세상 (The quick envy the dead) 라고 표현했음
말 그대로 살아남은 사람들은 살아남아 있는 자신의 운명을 저주하며 죽음을 고통 속에서 기다리는 시간만이 있을 뿐임
□ 피해 시나리오, 04
(퍼온글을 재구성 함) (코발트탄의 개발상황은 불확실, 가상 시나리오일 뿐?)
. 코발트 폭탄의 경우 피해 예상 시나리오
코발트탄: 수소폭탄의 변종의 하나로 기폭제의 겉을 우라늄235대신 코발트59를 싼 폭탄 서울시청 상공(100m 고도)에 400 kt 중성자방사선 59Co 극강화탄두 코발트탄 직격 가정
. 최초 1분간의 피해
폭발 직후 서울시 중구를 중심으로 종로구, 성북구, 마포구, 동대문구, 성동구, 용산구 일부의 건물이 무너져 내리고 반경 20km 안팎 대부분의 건물들은 반파, 균열이 감
착탄한 자리에 국지적 강하와 폭발에 의한 깊이 60m, 폭 500m의 치사지구가 형성됨
동시에 코발트 중성자가 빠른 속도로 두께 30m 이상의 납을 제외한 모든 물체를 투과하면서 범위 수km 지하 200m까지의 질소 덩어리와 암석에서 새어 나오는 우라늄, 토륨, 칼륨, 라돈기체는 약하게 폭발, 리히터 규모 3 정도의 지진을 일으키고 공기 중의 수소가 탄화되면서 메탄가스로 치환, 일순 진공상태를 이룸
30km 내에서 폭발 방향을 향해있던 자들은 순식간에 살이 뒤집히고 내장을 쏟아내며 사망, 전시 파상 음을 듣고 깊은 지하로 대피한 사람들까지 코발트 방사선을 쏘이고 사망함
폭발 지역을 약간 벗어난 지역의 창공을 비행하는 여객기에 탑승한 모든 승객은 사망하지만 코발트탄은 일반 핵폭탄과 달리 우라늄이 방출되지 않아 대량의 전자장펄스가 발생하지 않으므로 자동 운항하던 여객기는 유령비행을 계속할 수 있음
1분 내로 들짐승과 날짐승과 나무들은 시커멓게 타 들어가 생명순환을 멈추고 붕괴낙진에 함유된 방사선으로 인해 대기 중의 박테리아(방사능에 영향을 받지 않는 희귀 박테리아는 제외)는 모조리 사멸함
. 수시간 내의 피해
서너 시간 내로 서울과 인근의 강원도와 경기도의 40% 가량의 사람이 사망한다.
강한 코발트가 몸을 훑고 지나가는데 살아 남는다 하더라도 급속히 인체 내부는 파괴되어 곧 죽게 됨
코발트 방사선이 지나간 자리에 모든 생물체는 절대 살 수 없음
코발트는 폭발 직후에는 매우 빠른 속도로 번지는데 성층권으로 올라간 극미한 코발트 입자는 천천히 확산되어 다시 밑으로 내려오게 됨
다시 내려온 이 코발트는 남하 풍속이 빠를 경우 1~2시간 내로 충북에 도착하여 큰 피해를 입히게 되고, 한강을 타게 된 코발트는 반나절 동안 고양과 김포를 거쳐 서해로 빠져 강화, 화성, 파주를 지난 후 홍성까지 이를 수 있음 폭발 후 처음 1시간 동안 방출되는 코발트탄 방사선의 강도는 일반 우라늄탄, 수소폭탄, 세슘탄에 비해 15000배 강함
. 일주일 내의 피해
코발트 원자가 모여 1g을 이뤘을 때 방출되는 방사선으로 한 광장에 모여있는 수백 명의 사람을 단번에 죽일 수 있다.
서울 중구에서 폭발한 코발트탄의 방사선은 24시간 이내로 무역풍을 타고 제주도를 지나 일본을 훑고 태평양에 이르게 된다.
정보 수집 결과 코발트의 특성상 48시간 동안 중국, 한국, 일본에 걸쳐 사망하는 사람의 수는 대략 2천만 명, 그 이후에 고통으로 울부짖는 사람의 수는 수억 명에 이를 것으로 예상함
. 1년 내의 피해
코발트탄 폭발로 인한 세계전쟁으로의 확대와 같은 변수는 제외하고 상황을 진행한다면,
바다에 침투된 코발트는 해류를 타고 중국 해역까지 거쳐가는 동안 그 해로에 서식하는 물고기 등의 생물체를 사멸시키고 한강을 통해 바다에 합류하여 중국 북경과 상해 해역에 도착한 코발트는 다시 해류를 타고 대만 타이페이와 필리핀 마닐라에 도착, 대기류를 타고 동해로 빠진 코발트는 북한 원산, 함흥, 나진, 선봉을 훑고 러시아 블라디보스토크에 도착, 파도가 부서지면서 코발트는 대기에 다시 합류, 살상을 시작함
한반도 중심에서 터진 코발트탄의 방사선은 크게는 아시아 전역, 동유럽, 오세아니아 북대륙과 태평양을 오염시킴
. 종합
수십 년에 걸쳐 한국에서는 100%, 세계적(?)으로 99.99%에 달하는 인명피해가 예상된다.
방사능이 퍼지는 동안 전세계적으로 이래 없는 전대미문의 경제대공황은 물론 정부, 국가 개념의 붕괴, 피해와 사망자수는 걷잡을 수 없이 불어난다.
방사선에 저항력을 가진 돌연변이 생물 또한 기대할 수 없는데 이유는 코발트 방사선을 쬐였을 때 스트론튬 90, 세슘 137의 전이원소 등이 근육과 체내의 골조직까지 정착하여 화학적, 생물학적으로 세포분열이 급격히 빨라지다가 세포와 조직 전체가 파괴되기 때문임
코발트탄의 방사선은 3년이 지나면 무려 110배나 더 방출량이 많아지며 이로 인해 광범위한 지역에 100%에 가까운 치명적인 살상효과를 마치고 수세기 동안 암, 기형아 출산 등의 피해는 극대화됨
코발트 방사선의 5.3년이 반감기가 17번 반복, 100년 가량 코발트의 방사선이 말끔히 사라지게 되는 동안 방출되면서 생명까지도 싹쓸이함
반감기 동안에도 강력한 감마선을 방출하기 때문에 물론 생물은 살아갈 수 없음
■ 원자 핵 반응의 이해
(
글: 배기범, 내용 중 일부만 발췌). 제시문
화학반응으로 방출되는 에너지는 수 eV이며, 이 에너지는 원자핵 주위를 도는 전자의 결합에너지와 관련이 있다. 그러나 원자핵반응으로 방출되는 에너지는 수백만 eV에 달한다. 이렇게 큰 에너지는 어디서 나오는 걸까.
음(-)전하를 띤 전자는 양(+)전하로 대전된 원자핵에 전기적 인력으로 결합돼 있다. 그러나 원자핵은 양성자와 중성자로 구성돼 있으며, 아주 좁은 공간에 모여 있어 양성자 사이에는 강력한 전기적 반발력이 작용한다.
이런 반발력을 극복하고 핵자 들이 10-14m의 좁은 공간에서 결합하는 데는 전기적 반발력보다 훨씬 강력한 인력이 핵자 들 사이에 작용하고 있음이 분명하다. 이 힘을 ‘핵력’이라고 한다.
핵자들은 강한 핵력으로 결합돼 있으므로 원자핵을 구성하는 핵자들을 따로따로 떼어놓으려면 핵력에 대항해 일을 해야 한다. 이와 반대로 떨어져 있는 핵자들이 결합해 핵을 구성할 때는 같은 양의 에너지를 방출한다. 이 에너지를 그 원자핵의 ‘결합에너지’라고 한다. 핵자들이 모여 이뤄진 원자핵의 질량을 보면 핵자들 각각의 질량을 합한 것보다 작게 나타난다. 이처럼 핵자들이 결합해 핵을 구성할 때 그 질량이 감소하는데, 이 질량의 차이가 ‘질량 결손’이다.
질량-에너지 등가 원리에 의하면, 핵자들은 질량 결손에 해당하는 에너지를 외부에 방출하고 더욱 안전한 원자핵을 이룬다. 이 핵자들을 다시 떼어놓으려면 이만큼의 에너지를 외부에서 공급해야 한다.
1934년 엔리꼬 페르미는 중성자를 원자핵에 충돌시키면 원자핵이 중성자를 흡수해 다른 원자핵으로 변환된다는 사실을 알았다. 이 때 중성자를 흡수한 원자핵은 질량수가 하나 더 많은 동위원소로 변한다.
우라늄의 동위원소인 23592U가 핵분열 해 생성되는 새로운 원자핵은 여러 가지가 있는데, 그 중에서 대표적인 핵반응은 다음과 같다.
23592U + 10n → 14156Ba + 9236Kr + 310 + 200Mev
우라늄 원자 한 개가 핵분열 할 때 방출되는 에너지는 200MeV이며, 이 에너지를 탄소를 연소시킬 때 원자 한 개당 나오는 에너지 4eV와 비교하면 엄청난 차이가 있음을 알 수 있다. 이처럼 핵반응이 일어날 때 방출되는 에너지를 ‘핵에너지’라고 한다. 우라늄 1g이 완전히 핵분열 할 경우 열량은 석탄 3톤을 태우는 것과 같다.
1개의 23592U원자핵이 분열해 발생한 중성자가 다른 23592U원자핵과 반응해 다시 2~3개의 중성자가 방출된다. 이런 과정이 되풀이되면 핵분열이 연쇄적으로 일어나는데, 이 반응을 연쇄반응이라고 한다.
핵분열의 연쇄반응이 순간적으로 일어나도록 한 물질이 원자폭탄이며, 연쇄반응에서 생겨나는 중성자 수와 속도를 조절해 연쇄반응이 서서히 일어나게 한 장치가 원자로다.
위의 핵분열과는 반대로 가벼운 원자핵이 융합해 무거운 원자핵이 될 때도 질량 결손이 일어나는데, 여기에 대응하는 막대한 에너지가 방출된다. 이 같은 핵반응을 ‘핵융합’이라고 한다.
예를 들면 중수소(21H)의 원자핵과 삼중수소(31H)의 원자핵이 융합해 이들보다 무거운 헬륨 원자핵을 만들 때 약 17.6MeV의 에너지가 방출된다. 이 반응을 식으로 나타내면 다음과 같다.
21H + 31H → 42He + 10n + 17.6Mev
핵융합이 일어나기 위해서는 두 원자핵이 매우 가깝게 접근해야 한다. 이때 두 원자핵은 모두 양전하를 띠고 있으므로 전기적 반발력이 작용한다. 이 반발력을 누르고 핵력이 작용하는 거리까지 접근하려면 약 1.1×1014J의 운동에너지를 가져야 하는데, 이를 온도로 환산하면 약 1억℃ 이상의 높은 온도를 유지시켜야 하므로 핵융합을 열핵반응이라고도 한다.
별의 내부는 이 정도의 높은 온도를 유지하고 있으므로 계속해서 핵융합반응이 일어난다. 지구상의 자원에는 한계가 있으므로 핵융합반응을 실현시키고자 많은 물리학자가 연구를 계속하고 있다. 핵융합은 인류의 미래 에너지원으로서 큰 기대를 모으고 있다.
원자력발전은 원자핵이 분열될 때 방출되는 막대한 열에너지를 이용해 전기에너지를 생산한다. 우리나라처럼 자원이 부족한 나라에서는 전력생산의 상당 부분을 원자력발전에 의존한다. 원자력발전 과정에서 극히 적은 양이지만 약한 방사선을 내는 기체와 액체가 발생하고, 강한 방사선을 내는 원전연료 폐기물이 나온다.
이에 대비해 원자력 발전소에서는 방사성 물질이 밖으로 유출되는 현상을 막기 위해 발전소 건물을 여러 겹으로 밀폐하고, 그 안에서 폐기물을 안전하게 처리하는 시설을 갖추고 있다. 원자력발전은 수력발전이나 화력발전에 비해 연료를 안정적으로 공급할 수 있고 가격이 낮다는 장점을 지닌다. 그러나 폐기물 처리와 안전성 문제가 대두되고 있어 철저한 안전관리를 통해 사용할 수 있도록 하고 있다.
2개의 중수소 원자핵 21H가 매우 큰 속력으로 충돌하면, 다음과 같은 핵융합반응이 일어난다.
21H + 21H → 32He + n
각 입자의 질량 [u]는 21H: 2.0136, 32He: 3.0150, n: 1.0087이고 1[u]는 에너지로 환산하면 9.3×102[MeV]이다.
□ 문제
.
이 반응에서 발생하는 에너지 [MeV]를 구하라.
. 두 개의 21H가 같은 운동에너지 0.35[MeV]로 정면충돌했다면 반응에서 발생한 32He와
중성자 n의 운동에너지 [MeV]를 각각 구하라.
. 이 반응은 두 21HH 원자핵이 서로 접촉할 정도로 가까워지지 않으면 일어나지 않는다. 한편 21H은 전하 e를 가지므로 가까워지면 쿨롱 힘으로 반발한다. 따라서 반응을 일으키기 위해서는 쿨롱 힘을 이기는 운동에너지를 21H에 가해 충돌시켜야 한다. 두 21H가 같은 속력으로 정면충돌할 때 반응이 일어나는데 필요한 21H의 운동에너지 K0를 구하라.
. 중수소 원자의 이상기체를 생각한다. 이 기체 중 21H 한 개가 갖는 평균운동에너지가 위에서 구한 에너지와 일치하는 온도 T[K]를 구하라. 볼츠만 상수 k=1.4×10-23 T[J/K], e=1.6×10-19[C], k0=9.0×109[N·m2/C2], r0=1.8×10-15[m]로 한다.
. 두 21H의 충돌로 일어나는 21H+21H→42He 같은 핵융합반응을 생각할 수 있다. 그러나 이 반응은 일어날 수 없다. 그 이유를 두 21H가 같은 속력으로 정면충돌하는 경우에 대해 설명하라. 단 42He의 질량은 4.0015[u]이다. ...... (중략)