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[원자력 탐험대 11화] 방사선과 마트로시카

  • 2014.12.04.
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 방사선과 마트로시카

핵분열로 생기는 방사선, ‘5중 방호벽’ 완벽 차단

러시아의 전통 인형 마트로시카

러시아의 전통 인형 마트로시카(사진). 나무로 여자 모습을 본떠 만든 이 인형은 양파 껍질처럼 같은 모양의 작은 인형을 몸 안에 숨긴 형태를 띠고 있다. 러시아어로 여자 이름 ‘마트로냐’의 애칭인 마트로시카는 1890년대 일본의 기념품이 러시아로 건너와 만들어지기 시작한 것으로 알려졌다. 보통 5개의 인형을 열면 나타나는 가장 작은 인형은 당연히 외부의 충격에도 상처를 입을 걱정이 없다. 그렇기에 사람들은 종종 가장 작은 인형 대신 소중한 물건을 넣어두기도 한다.

설계에서부터 안전을 최우선으로 하는 원자력 발전소는 바로 이 마트로시카를 닮은 건물이다. 몇겹의 벽이 원자로를 감싸 외부와 완벽히 차단하기 때문이다. 방호벽이라 불리는 원자력 발전소가 마트로시카처럼 여러겹의 방호벽을 만드는 이유는 뭘까?

△ 핵분열 때 퍼져 나오는 방사선

원자력 발전소에서 전기를 만들기 위해 우라늄의 핵분열을 일으키면 열과 더불어 방사선이 쏟아진다. 방사선은 좀 어려운 말로 우라늄과 같은 방사성 원소가 붕괴할 때 방출되는 물질을 뜻한다. 선이란 이름이 붙은 것으로 작은 알갱이(입자)와 빛(광선)의 성질을 모두 지녔음을 짐작할 수 있다. 그리고 이러한 성질의 차이에 따라 여러 이름을 가진 방사선이 존재한다.
일반적으로 많이 알려진 방사선은 알파, 베타, 감마선이 있다. 병원에서 사용되는 X선 역시 방사선의 하나다. 이 가운데 영어 알파벳A, B, C에 해당하는 그리스 어로 된 알파(α), 베타(β), 감마(γ)선은 각기 다른 특징을 가졌으며, 인체에 해로운 것으로 알려져 있다. 먼저 알파선은 무게가 비교적 크기 때문에 공기 중에서 물질을 통과하는 투과력이 약한 편이다. 무거운 물
체가 물속을 헤쳐나가기 어려운 것처럼. 이에 비해 베타선은 무게가 적어 투과력이 더 크다.

핵분열로 쪼개진 핵이 안정된 에너지 상태로 돌아갈 때 나오는 감마선은 알파, 베타선에 비해 훨씬 투과력 강하여 이를 막기 위해서는 아주 두꺼운 벽이 필요하다.
핵분열 때 나오는 열로 발전기를 돌리는 원자력 발전소가 몇 겹의 벽을 만드는 이유는 바로 이러한 여러 성질을 가진 방사선이 바깥으로 새어 나가지 못하도록 하기 위함이다.

5중방호벽

■ 원자력 발전소를 감싸는 다중 방호 설비(5중 방호벽)
① 연료 펠렛: 핵분열에 의해 발생된 방사성 물질은 압축 소결 및 성형 가공된 산화 우라늄 금속 안에 갇힌다.
② 연료 피복관: 연료 펠렛을 빠져 나온 아주 작은 양의 가스 성분은 지르코늄 합금의 금속관(피복관) 안에 막혀 밖으로 나오지 못한다.
③ 원자로 용기: 두꺼운 강철로 된 원자로 용기로, 연료 피복관의 결함으로 방사성 물질이 새어나올 경우를 대비한다.
④ 원자로 건물 내벽: 원자로 용기밖에는 두께 6㎝ 이상의 철판이 마치 갑옷처럼 벽을 에워싼다.
⑤ 원자로 건물 외벽: 마지막 방호벽으로 120㎝ 두께의 강화 철근콘트리트로 지은 원통형 건물이다.

 

△ 5겹의 핵심 수비수

원자력 발전소를 방사선으로부터 지켜 주는 핵심 수비수, 즉 방호벽은 앞서 밝힌대로 여러겹으로 되어 있어 ‘다중방호벽’이라 부른다.
우리나라 원자력 발전소에선 모두 5겹의 다중 방호벽이 존재한다. 이들은 각기 다른 성질의 방사선을 차례로 차단해주는 역할을 하므로 재료나 모양 역시 큰 차이를 보인다.

이를 이해하기 쉽게 방사선이 나오는 순서대로 살펴보자.

먼저 핵분열 때 쪼개진 작은 핵을 가두는 ‘핵 연료 펠렛’이 있다. 가동된 연료 자체를 뜻하는 데, 천연 우라늄을 연료로 가공하면서 1차적으로 안정성을 높인 것이다.
다음엔 핵에서 나오는 방사선을 막아야 한다. 단, 핵은 눈에 보이진 않아도 만질수 있는 물질이지만, 방사선은 물질인 동시에 빛의 성질도 갖고 있으므로 이를 효과적으로 흡수하는 특수한 칸막이가 필요하다.

펠렛에 이은 두 번째 수비수는 펠렛에 특수 합금으로 만든 껍질을 둘러 씌운 ‘연료 피복관’이다. 말 그대로 핵연료에서 방사선이 빠져나오지 못하게 금속으로 포장한 것이다. 감전을 막기 위해 구리선에 플라스틱 등 전기가 통하지 않는 재료로 감싼 전선을 떠올리면 이해가 쉽다.

나머지 3~5 방호벽은 방의 형태로 튼튼하게 만들어진다. 3 방호벽인 ‘원자로용기’는 피복관에 문제가 생겨 방사선이 새어나올 경우, 이를 더 이상 밖으로 나가지 못하게 막아준다. 이를 위해 원자로 용기는 25㎝ 굵기의 두꺼운 강철로 되어 있다. 또 원자로 안에는 핵분열이 일어날 때 나오는 뜨거운 열을 식히기 위해 엄청난 양의 물이 들어 있는데, 이 물 역시 방사선이 마음대로 움직이지 못하도록 해주는 구실을 한다.

4 방호벽은 바로 원자로를 감싸는 ‘원자로 건물 내벽’이며, 5 방호벽은 ‘원자로 건물 외벽’이다.
원자로 건물 내벽의 경우 6㎝ 이상의 철판을 갑옷처럼 두르고 있어, ‘원자로 건물 내부 철판’이라고도 부른다.
원자로 건물 외벽은 이보다 더 두거운 갑옷을 입었다. 튼튼한 철근콘크리트로 만들어진 이 건물 벽의 두께는 120㎝로 6세 어린이의 키와 비슷할 정도로 두껍다. 원통형 모양의 이 건물 높이는 17층짜리 빌딩과 비슷한 50m에 이르고, 건물 안의 지름도 40m가 넘는다.

이처럼 전체 두께만 2m에 가까운 5겹의 방호벽은 원자로 안의 핵연료에서 나오는 방사선 등을 외부와 철저히 차단시켜 줄 뿐 아니라 강력한 폭탄이 터지는 것과 같은 외부의 충격에도 원자로를 안전하게 보호해 준다.

원자력 탐험대 11회

– 작성 : 소년한국일보 윤석빈 기자 binys@snhk.co.kr

– 원문보기 : 소년한국일보 http://ka.do/XNZn

 

 

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