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우라늄 1g을 분열시킨것만으로도 2만KW/H의 열이 생긴다. 이것은 석탄 약3t을 태운 열과 같다. 이런 열을 이용하여 전기를 만드는 원자력 발전소 건설이 활발해지고 있으나 주변 환경에 방사능 물질을 누출시키는 영향도 문제가 되고 있다.

전력생산에 이용되는 원자력의 대부분은 핵연료를 원자로에서 핵분열 반응을 일으켜 발생하는열로 화력발전에서 처럼 물을 끓여 고온고압의 수증기를 발생시켜 발전기에 연결된 터빈을 돌려 발전하는 방식이다.

1960년대에는 세계각국이 원자력 에너지 개발과 이용에 활발하다가 1970년대에 접어들자 핵확산방지 정책으로 원자력 산업이 위축되었고, 미국 드라마일섬 원자력발전소에서 발생한 방사능 누출사건이 원자력발전 반대운동으로 번지기 까지했다.

그러나 1980년대에 들어서자 다시 원자력발전소 건설이 활발해지고 있다. 1979년에 전세계 전력생산의 8%가 원자력 발전에 의한것이었으나 1980년 후반에는 약 23%, 2000년 까지는 약 42%를 차지 할 것으로 예상된다. 85년 현재 세계 23개국에서 가동중인 2백69기에서 약 1억 6천 8백만kW가 생산되고 있으며 건설중인 것이 2백 43기로 약 2억 3천만 3백만KW, 발주중에 있거나 계획중인것이 1백 69기에 1억 6천 9백만kW여서 이것이 모두 완성되면 42개국의 6백 79기에서 5억 7천만kW의 전력을 생산하게 될 것이다. 우리나라에서는 1978년 7월에 58만 7천KW 용량의 고리원자력발전소 1호기를 가동, 총발전량의 약6%를 차지했으나 83년에 준공된 67만 8천 7백kW의 월성 3호기의 가동으로 원자력 발전 비율은 약 10% 수준이 되었고, 86년까지는 6기가 4백 76만 6천kW를 발전하여 총발전량의 약27%를 차지했으며 1991년에는 13기가 가동하여 1천1백21만6천kW로 약41%를 차지하게 될 전망이다.

우리나라와 세계 각국에서 현재 실용화 되어 발전용으로 가동되고 있는 원자로는 모두 천연 또는 농축 우라늄을 연료로 하는 열중성자로다. 이를 구성하는 주요요소는 핵연료, 감소재, 냉각재, 제어봉, 반사체, 차폐체이다. 이들은 압력용기라는 강철통 속에 함께 장치되어 있다.

핵연료는 가늘고 긴 원통형으로 된 연료봉안에 들어있고 이런 연료봉 여러개를 다발로 묶어 핵연료 집합체를 이루고 다시 이런 여러개의 집합체가 노심부에 꽂혀 있다. 연료봉 안의 핵연료는 펠레트라는 세라믹 형태로 된 이산화우라늄의 작은 원통으로 채워져 있다.

감속재의 기능은 핵분열에 의하여 발생된 고속중성자의 속도를 떨어뜨려 열성중성자로 만든다. 이 감속재에는 경수, 중수, 흑연을 주로 쓴다.

제어봉은 카드뮴이나 붕소처럼 중성자를 잘 흡수하는 물질로 만들어 노심 안에 적당히 집어 넣거나 빼어냄으로써 중성자수를 조절하여 연쇄반응을 제어한다. 이는 원자로의 가동을 시작하거나 일정한 출력을 유지하게 하는데 쓰이기도 하고 천재지변이나 사고가 났을때 원자로를 긴급정지 시키는 역할도 맡는다.

냉각재는 노심에서 핵분열에 의해 발생된 열을 원자로 밖으로 운반하여 증기를 생산하도록 한다.

반사체는 원자로 외부로 중성자가 도망가는 것을 막아 손실을 줄여 연쇄반응 효과를 높이기 위한것으로 열중성자로에서는 대개 감속재가 이 역할을 동시에 한다.

차폐체는 원자로 가장 바깥쪽에 설치된 구조물로 핵분열에 의한 방사선으로 부터 인체를 보호하고 방사선과 열에 의한 원자로 압력용기의 손상을 막아준다.

압력용기는 다시 강철로 안을 받치고 콘크리트로 보강된 격납용기 속에 냉각계설비, 증기발생기들과 함께 수용되어 있어서 발전기에 연결된 터빈에 증기를 보내 발전 시킬수 있는 원자력 증기공급계통을 이루고 있다.

세계 전체의 발전용 원자로의 대부분을 차지하는 경수로는 미국에서 개발된 것이다. 원폭제조 필요한 100%가까운 고농축 우라늄 생산을 위해 건설된 우라늄 농축공장을 가지고 있었으므로 저농축 우라늄을 핵연료로 사용하는 경수로를 개발하여 처음에는 원자력 잠수함이나 항공모함의 동력용으로 썼으나 대형화하여 발전용으로 개발한 것이다.

중수로는 열중성자 흡수가 적은 중수를 감속재로 쓰기 때문에 농축하지 않은 천연 우라늄을 핵연료로 사용할 수 있으며 우라늄 농축공장이 없는 캐나다에서 개발했다.

역시 천연 우라늄 연료와 흑연 감속재를 쓰는 가스 냉각로는 플루토늄 생산을 위해 영국과 프랑스에서 개발했으나 경수로나 중수로에 비해 경제성이 낮아 프랑스는 현재 가압경수형 발전로를 채택하고 있다.

우리나라 고리1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10호기는 모두가 경수로중 가압경수형이며 월성의 3호기만이 캐나다에서 개발한 중수로(CANDU형)이다.

이 중소로는 발전을 중단하지 않고 핵연료를 교체할 수 있으며 천연우라늄을 핵연료로 쓰기 때문에 자원공급이 유리하고 농축이 필요없고 쓰고난 우라늄 중에서 우라늄 235와 플루토늄을 회수하기 위한 재처리가 필요없으므로 국산화가 비교적 쉬워 우리 실정에 알맞다. 그러나 열효울이 바교적 낮고 중수공급을 전적으로 캐나다에 의존해야 하는 문제점이 있다.

이에 비해 가압경수형 원자로는 출력밀도가 높아 원자로가 소형이며 감속재와 냉각재로 보통물을 쓰므로 구하기 쉽고 취급하기 쉽다. 또 원자로 증기발생계통, 2차냉각계통 및 터빈 발전기 계통이 분리되어 있어 방사성 물질이 원자로 외부로 샐 염려가 적다. 그러나 핵연료를 교체할때 발전을 중단해야 한다.(58만 7천kW용량의 고리 1호기의 경우 장전된 천체 핵연료의 3분의 1(16t)을 매년 교체하기위해 75일 가량 가동중단). 또 중수에 비해 열중성자 흡수가 많은 보통물을 사용하므로 3% 정도의 농축 우라늄을 써야하고 쓰고난 뒤에 재처리 해야한다.

핵에너지 이용의 문제점

핵에너지를 이용하는 원자력발전은 주변환경에 방사능을 띤 물질의 유출에 의한 방사선의 영향을 미친다.

핵분열 발전에서 방출되는 방사선은 대부분 쓰고 버린 방사성 폐기물이나 핵분열 생성물에 의한 것이다. 방사선은 일종의 에너지의 흐름으로 헬리움 원자핵의 흐름인 알파선, 전자의 흐름인 베타선, 전자파의 일종인 감마선의 형태로 크게 나눠 세종류가 있다. 이런 형태의 방사선은 불안정한 원자핵이 안정된 원자핵으로 변환되는 과정에서 나오는 것으로 원자번호가 83이상인 모든 원소와 이외의 불안정한 원소에서 방출된다. 이러한 원소를 방사성핵종 또는 방사성동위원소라 부르고 방사선을 방출하는 성질을 방사능이라고 흔히 말한다.

핵분열생성물은 우라늄이 중성자에 의해 분열되면서 생긴 분열파편인 방사성 핵종이며 원자력발전 폐기물에도 섞여있다.

방사선은 물질을 구성하고 있는 원자들과 상호작용하여 이온화시키거나 내부구조와 상태를 변화하게 하여 여러 형태의 물리적 화학적 생물학적 효과가 물질에 나타나게 한다. 대상물질에 따라 손상이나 파괴되기도 하고 화학적 성질이 변하기도 하며 특히 인체나 생물체에 나타나는 생물학적 효과는 다양하다. 방사선을 생물체에 쪼이면 체세포나 생식세포를 구성하고 있는 여러형질의 분자구조와 유전형질을 포함한 유전자 안의 DNA 구조를 변형시키거나 파괴하여 돌연변이를 일으킨다. 결과적으로 나타나는 구체적인 증상은 신체적인 영향과 유전적인 영향이다. 신체적 영향은 체세포의 돌연변이에 의해 당사자에게만 나타나는 증상이다. 쪼인 방사선의 세기나 양에 따라 처음에는 피속의 혈구에 변화가 일어나며 조혈기관장해에 의해 빈혈, 발열, 구역질, 피로 등이 나타난다. 다음에 장기능의 증상으로 식욕부진, 설사, 탈수, 탈모, 출혈현상 등이 나타나고 위험수준을 쪼이면 신경계통의 증상이 나타나 무기력, 경련, 경기, 운동기능조절상실 등이 일어난다. 아밖에 피부염, 탈색, 결막염, 각막염, 혈우병, 각종 암, 생식력 감소 등 현상도 나타난다.

방사능물질이 핵분열발전소에서 유출되어 인체나 주변환경 생태계에 영향을 줄수 있는 경로는여러 갈래 있다. 발전소 안의 방사능물질에서 방사선을 직접 쪼일 경우도 있겠으나 대개 기체, 액체, 고체 상태의 폐기물 유출에 의한 경우가 많다.

발전소 건물 안을 환기한 공기, 터빈의 배기, 고체폐기물소각로의 배기와 냉각계통의 펌프, 파이프, 밸브에서 새어나온 누설물, 시설 안에서 사용한 기구나 의류의 세탁배수, 쓰고 난 핵연료 저장에 사용한 물이 있다. 또 사용한 제어봉, 오염된 공구도 있으며 쓰고난 핵연료는 그 속에 포함된 핵분열 생성물 때문에 방사성이 대단히 높다.

생태학적으로 볼때 원자력 발전소에서 나오는 폐기물 속의 방사성핵종은 대부분 먹이의 연쇄과정에서 생물학적으로 농축되는 핵분열생성물로서 인간이 먹이의 연쇄에서 최종 소비자의 위치에 있음을 생각할때 핵분열 발전에 의한 방사능 오염가능성은 매우 중대한 문제다. 따라서 핵 폐기물을 안전하게 처리하는데 각국은 골치를 썩이고 있는데 폐광을 이용하거나 돌산을 깊게 똟어 파묻는 등의 방법을 많이 쓰고 있다.