원자력 발전에 대한 장점은 분명하나 그 단점 역시 명확하여 현재는 여러 나라에서 그 사용에 제한적으로만 이루어지고 있습니다. 이번 포스팅에서는 IEEE Spectrum에 소개된 방사성 폐기물 안전에 관한 내용을 적어보도록 하겠습니다.
개요
에스토니아 해안에서 소련의 엘리트 핵 잠수함 요원들을 훈련하기 위해 사용되었던 두 개의 원자로는 10월 혁명보다 훨씬 더 오랫동안 남아 있을 것입니다.
이 원자로들이 안전하게 유지되도록 하기 위해, 독립 이후 미래지향적인 이미지를 지향해온 에스토니아 정부는 최신 핵 검사 장비인 뮤온 스캐너를 도입하기로 결정했습니다. 에스토니아의 기관 관계자들은 엔지니어링 스타트업과 계약하여, 우주에서 생성된 입자가 뮤온을 발생시키는 원리를 활용한 스캐너를 통해 가동이 중단된 원자로를 검사했습니다.
이 원자로들은 수도 탈린에서 멀지 않은 바람이 많이 부는 발트해의 작은 반도에 위치한 작은 마을 팔디스키 인근에 콘크리트로 봉인되어 있습니다. 이곳은 울창하고 푸르른 자연경관 속에 고요하고 나무가 우거져 있으며, 토끼들이 뛰놀고 지평선에는 풍력 발전기가 돌고 있습니다. 이 지역은 국가의 모든 방사성 폐기물의 안전한 보관 및 저장 장소로 계획되어 있습니다. 수십 년 동안 팔디스키는 폐쇄된 군사 지역이었다고 에스토니아의 방사성 폐기물 처리 및 제염을 담당하는 국가 기관인 A.L.A.R.A. (As Low As Reasonably Achievable)에서 환경 기술을 담당하는 파르텔 살루베레는 설명합니다.
현재 팔디스키와 주변의 바위 해안은 개방되어 있습니다. 이 지역의 관광지로는 20세기 초 유명한 조각가 아만두스 아담손의 집이 있는데, 그는 자신의 이름을 딴 거리가 있을 정도로 명성이 있습니다. 또한, 해양 장식품들로 꾸며진 선술집이 있어 이곳이 피터 대제가 18세기에 팔디스키 항구를 건설한 전설을 기리는 현지 전통을 느낄 수 있습니다. 과거 소련의 잠수함 기지는 모듈식 크림색 벽 뒤 숲 가장자리에 있으며, 이 벽은 독특한 중세 현대적 감각을 자아냅니다.
“저기서 스캐너를 들여보냈습니다,” 라고 팔디스키의 A.L.A.R.A. 소속 환경 기술 전문가 파르텔 살루베레는 밝은 노란색 강철 해치를 가리키며 설명합니다. 이 문은 메인 홀의 격납고 모양 엔진홀의 구역에 위치해 있으며, 9미터 너비에 3층 높이의 거대한 원반 모양 강철 구조물의 아래에 있습니다. 이는 잠수함의 선체 단면 중 하나로, 건물 내부에서 가장 두드러지는 두 개의 구조물 중 하나입니다. 홀의 길이는 축구장 두 개에 달하며, 한쪽 구석에는 WD-40 스프레이 한 캔이 놓여 있습니다.
팔디스키 기지는 훈련 센터 역할을 했습니다. 소련 해군은 실물 크기의 잠수함 선체를 제작하여 현실감을 높인 시뮬레이터를 건설하였으며, 초기에는 양키급 잠수함을, 이후에는 델타급 잠수함을 모방했습니다. 잠수함 요원들은 이곳에서 원자로에 문제가 발생할 경우 수중에서의 압박 없이 시스템을 종료하는 훈련을 할 수 있었습니다. 두 개의 원자로가 이 시설의 중심에 있었으며, 각각 VM-A와 VM-4로 불렸습니다. 두 원자로 모두 우라늄을 연료로 사용하는 가압수형 원자로였습니다.
소련이 붕괴하면서, 독립한 에스토니아는 연료봉을 국경 너머로 보내는 협정을 체결했고, 남아 있는 시설은 해체되어 콘크리트로 봉인되었습니다.
잠수함 시뮬레이터를 폐기물 저장소로 준비하기
팔디스키 사이트가 장기 핵폐기물 저장소로 준비됨에 따라, 이 거대하고 밀도가 높은 원자로들이 구조적, 방사선학적으로 안정적인지를 검사해야 했습니다. 이를 위해 에스토니아의 스타트업 GScan이 미세 입자인 뮤온을 사용해 내부를 검사했습니다. GScan은 과학자와 전직 세관 관계자가 이끄는 회사로, 소립자를 활용해 물체 내부를 이미징하는 기술을 보유하고 있습니다.
뮤온은 전자와 유사하지만 무게가 200배 더 무겁고, 우주에서 유래합니다. 쌍성에서 방출되는 대형 플라즈마 제트가 입자 가속기의 역할을 하며, 이로 인해 발생한 우주선이 대기를 강타합니다. 이러한 충돌로 인해 생성된 뮤온은 지구 표면에 도달하여 모든 제곱미터에 영향을 미칩니다. 뮤온은 물체를 통과할 수 있으며 최대 1킬로미터까지 지하로 들어갈 수 있습니다. 유럽 입자 물리 연구소 CERN에 따르면, 매 분당 600개의 뮤온이 인체를 통과한다고 합니다.
“뮤온이 너무 많지 않아서 다행입니다. 그렇지 않으면 모두 위험했을 것입니다. 그러나 충분히 많아서 측정이 가능합니다,” 라고 로스 알라모스 국립 연구소의 핵물리학자이자 뮤온 단층 촬영 개발의 선구자인 크리스토퍼 모리스는 설명합니다. 이는 고밀도 물질의 구성을 탐색하고 내부의 2D 및 3D 이미지를 생성하는 방법입니다.
이 기술 중 하나는 물체를 통과하는 뮤온 전송을 측정하여, 각기 다른 밀도로 인해 생성된 이미지를 해석합니다. 또 다른 방식은 물체를 통과할 때 뮤온의 각도를 관찰하는 것입니다. 물체 위아래에 감지기를 두어 입자가 통과하면서 궤적이 어떻게 바뀌는지 추적하여 이미지를 형성할 수 있습니다.
GScan은 대학 도시 타르투 외곽의 작은 제조 시설에서 얇은 섬광 섬유 플라스틱 매트를 제작합니다. 매트 한쪽 끝에는 작은 광자 감지기 어레이가 있어 뮤온이 활성화될 때 신호를 보냅니다. 지난 여름, GScan 팀은 이러한 추적 장치 중 하나를 팔디스키의 원자로 아래에 설치했습니다. 8주 동안 구역별로 콘크리트를 통과하는 뮤온 전송을 관찰했고, 이를 통해 원자로의 내부 이미지를 얻었습니다. 이 이미지는 과거 중성자, 방사성 코발트, 플루토늄에 노출되었던 원자로 용기의 무결성을 나타냅니다. GScan의 물리학자이자 최고 과학 책임자인 마디스 키이스크는 이 이미지를 지난달 비엔나에 있는 국제 원자력 기구(IAEA)에 발표했습니다.
독일 항공우주센터(DLR)의 해양 인프라 보호 연구소 그룹 리더인 사라 반스는 뮤온 장치의 해상도를 높이고 스캔 시간을 단축하기 위해 새로운 기계 학습 기법을 적용하는 데 열정을 보이고 있습니다. 그러나 스캔 속도는 여전히 도전 과제라며, 국제 이론물리학 센터(ICTP) 트리에스테의 프로그램 책임자인 랄프 카이저는 말합니다 (참고로 ICTP는 팔디스키 작업에 참여하지 않았습니다). 카이저는 국제 원자력 기구(IAEA) 물리학 부서의 전임 책임자로서, 최신 뮤온 이미징 기술에 대한 국제 원자력 기구의 보고서에 대해 자문 역할을 맡았습니다. 정지된 물체를 대상으로 할 경우에는 이미징 속도가 큰 문제가 되지 않습니다. 예를 들어 프랑스 원자력 위원회는 구형 민간 및 무기용 원자로 해체 프로그램에서 뮤온 단층 촬영 장비를 실험 중입니다.
이와 같은 용도에 뮤온 스캐너가 점점 더 유망한 선택지가 되고 있습니다. 모리스 박사는 지난 10년 동안 2011년 쓰나미 이후 후쿠시마 원전 사고로 인한 방사능 오염 정화 작업을 돕기 위해 뮤온 스캐너를 실험하는 여러 팀과 협력해왔습니다. 현재 그는 로스 알라모스 연구소 동료들과 함께 후쿠시마 원자로의 녹아내린 연료를 조사하기 위해 소형 뮤온 검출기를 개발하는 작업을 도시바와 함께 진행하고 있습니다.
현재 원자력 발전이 AI 데이터 센터의 막대한 에너지 수요를 충족하기 위해 다시 주목받고 있으며, 일부 AI 대기업이 구형 원자력 발전소 재가동까지 계획하고 있는 상황에서, 노후 원자로의 무결성을 검증할 필요성은 뮤온 스캐닝 기술의 수요 증가로 이어질 가능성이 있습니다.
“뮤온 단층 촬영의 응용 분야는 계속 증가하고 있습니다,”라고 모리스 박사는 말합니다. “전 세계적으로 남아있는 핵 문제들이 많습니다.”
마무리
이번 포스팅에서는 뮤온 스캐닝 기술의 다양한 응용 분야와 이를 통해 해결할 수 있는 핵 문제들에 대해 살펴보았습니다. 특히, 방사성 폐기물 관리와 원자로의 안전성을 검사하는 데 있어 뮤온 기술이 제공하는 혁신적 가능성을 확인할 수 있었습니다. 미래의 에너지 수요가 급증하는 상황에서, 뮤온 스캐닝과 같은 첨단 기술이 안전하고 효율적인 방사선 관리와 원자력 발전소 운영에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 앞으로도 이러한 기술들이 더 널리 연구되고 응용되어, 보다 안전한 환경을 만드는 데 기여할 수 있기를 바랍니다.