원자력의 원리
원자력발전소는 전 세계의 전기의 약 10% 이상을 공급하며 핵잠수함이나 항공모함에 동력을 제공하기도 한다. 원자력발전소는 기본적으로 제어된 원자탄이라고 할 수 있다. 핵분열에서 나오는 동력으로 막대한 열을 공급해서 끓인 물이 증기 터빈이나 발전기를 구동시킨다. 우라늄은 지구에 아주 흔하다. 우라늄은 다음과 같은 몇 가지 동위원소(양성자의 수는 같지만 중성자의 수는 다른 원자)로 발견된다. 원소 중에는 모든 동위원소가 자연상태에서 방사능을 가지고 있는 원소가 있다. 우라늄은 가장 좋은 예로 자연상태에서 방사능을 방출하는 가장 무거운 원소이다. 이것은 우라늄 원자가 다음 세 가지의 일반적은 과정 중 어느 하나를 진행하고 있다는 것을 의미한다. 이것은 우라늄 원자가 다음 세 가지의 일반적인 과정 중 어느 하나를 진행하고 있다는 것을 의미한다. 그것은 알파 붕괴, 베타 붕괴, 자연 발생적 분열이다. 예를 들면 어느 한 원자가 자연 발생적 분열을 일으키면 저절로 두 개의 작은 원자로 분열되면서 약간의 방사능을 방출하게 된다. U 235는 유도 핵분열이 가능한 몇 안 되는 물질 중의 하나로 원자력에 가장 일반적으로 사용되는 동위원소이다. U235의 핵에 자유 중성자가 충돌하면 핵이 중성자를 흡수하며 불안정해지면서 바로 분열된다. 그리보 그보다 작은 두 개의 원자와 두세 개의 자유 중성자, 그리고 감마선과 열의 형태로 막대한 양의 에너지가 만들어진다. 이런 과정은 매우 빨리(약 피코초, 즉 1조 분의 1초 단위로) 진행된다. 여기에서 방출된 자유 중성자는 다른 U235에 충돌해서 또 다른 핵분열을 일으키게 된다. 핵분열이 효율적으로 일어나기 위해서는 우라늄이 적어도 2퍼센트 내지 3퍼센트의 U235를 가지도록 농축되어야 한다. 민간 원자력 발전소에서는 3퍼센트를 요구한다. 무기가 될 정도의 우라늄에는 적어도 90퍼센트의 U235가 들어 있어야 한다. 원자폭탄에서는 전체 우라늄이 순간적으로 모든 에너지를 방출하며 거대한 폭발을 일으키면서 최대한 빨리 핵분열을 일으켜야 한다. 원자력 발전소에서는 이와 같은 에너지가 몇 개월에 걸쳐서 방출되도록 핵분열 과정을 조절하게 된다. 그러나 원자폭탄과 원자력 발전소에서 일어나는 과정은 똑같다.
발전소의 내부
원자로를 만들기 위해서는 먼저 10센트짜리 동전 크기의 직경에 약 2.5센티미터 내외의 길이를 가진, 작은 알약 모양으로 농축된 우라늄이 있어야 한다. 이 알약 모양의 우라늄을 긴 막대기처럼 정열한 다음, 다시 이것들을 모아서 하나의 다발로 만든다. 이 다발을 압력용기 안의 물속에 넣는다. 이때 물은 냉각재로 기능한다. 원자로가 작동하려면 물속에 잠겨 있는 우라늄 덩어리가 약간 임계 초과 상태가 되어야 한다. 임계점을 초과한 우라늄은 그대로 두면 결국 과열되면서 녹기 시작한다. 너무 과열되는 것은 막기 위해서 중성자를 흡수하는 제어봉이 우라늄 다발에 들어가 있는데, 제어봉을 들어 올리거나 내려서 이를 조절한다. 중성자를 흡수하면 우라늄 다발에서 일어나는 유도 핵분열의 양을 줄일 수 있다. 관리자는 이 제어봉을 이용해서 핵반응의 속도를 조절한다. 우라늄의 핵이 좀 더 많은 열을 발산하기 원한다면 관리자는 제어봉을 우라늄 덩어리 밖으로 들어 올린다. 열을 줄이려면 제어봉을 우라늄 다발 속으로 더 깊숙이 집어넣는다. 제어봉을 우라늄 다발 안으로 완전히 집어넣으면 원자로의 작동이 중지된다. 대부분의 원자로에서는 우라늄 덩어리가 물을 가열하여 증기로 바꾸고, 이 증기가 증기 터빈을 구동시켜 전력을 만드는 발전기를 회전시키게 된다. 어떤 원자로에서는 원자로에서 나온 증기가 두 번째의 중간 열 교환기로 들어가서 또 다른 순환수를 증기로 변환시키고, 여기에서 나온 증기가 터빈을 구동시키게 한다. 이런 형태의 설계가 유리한 점은 방사성 물질에 오염된 물이나 증기가 터빈과 접촉할 일이 없다는 것이다. 일단 원자로만 지나가면 나머지 과정은 석탄이나 석유를 이용하는 발전소나 원자력 발전소나 크게 다를 것이 없다. 이런 발전소는 모두 다 터빈을 구동시키는 증기를 만들기 위해서 열을 이용한다. 이들 간의 유일한 차이는 열을 만드는 동력을 무엇이 제공하느냐이다. 원자로의 압력용기는 보통 방사능 차폐재 역할을 하는 콘크리트 벽 안쪽에 위치해 있다. 그리고 이 차폐재는 그보다 훨씬 큰 철제 안벽 안에 들어가 있다. 이 철제 안벽 안에는 원자로의 주요 부분뿐만 아니라 크레인이나 작업원이 연료를 보급하거나 원자로를 유지 보수할 때 사용하는 여러 장비들이 함께 들어 있다. 이것은 또한 방사능에 오염된 가스나 액체가 밖으로 새어나가지 못하게 하는 역할도 한다. 이 철제 안벽의 외부는 다시 콘크리트 건축물로 둘러싸여 있는데, 이 건축구조는 747기가 정면 충돌하는 대재난에도 견딜 수 있을 만큼 튼튼하다.
심각한 문제들
정상적인 운전 시에는 잘 지어진 원자력 발전소는 석탄을 이용하는 발전소보다 훨씬 깨끗하다. 원자력 발전소는 공기를 오염시키지도 않고 재를 배출하지도 않는다. 그러나 불행하게도 원자력 발전소에는 심각한 문제들이 있다. 우라늄을 채굴학 ㅗ정제하는 과정은 역사적으로 한번도 청정과정이었던 적이 없다. 원자력 발전소가 기능을 잘 발휘하기 못하면 방사성 물질을 누출시킬 수 있다. 체르노빌 참사는 잘못된 설계와 운전 미숙으로 많은 양의 방사성 물질이 대기 중에 누출되어서 비롯된 것이다. 원자력 발전소에서 나오는 사용 후 원료는 독성이 수세기에 걸쳐서 지속되며 아직까지도 그것을 안전하게 보관할 수 있는 방법을 모른다. 현재까지 미국에서는 별 문제가 없었지만 핵연료를 발전소로 운송하고 다시 배출하는 일에는 많은 위험이 따른다. 이런 문제들이 최소한 미국에서 새로운 원자력 발전소 건설이 힘든 이유이다. 사회는 얻는 것보다는 잃는 것이 더 많다고 결정한 것처럼 보인다.