에너지, 실생활에 필요한 열과

전기적, 기계적 에너지 공급

에너지란 일(작업)을 할 수 있는 힘을 뜻한다. 그 어원은 그리스어인 ‘에르곤’에서 나왔는데 ‘에네르게이아’이며, ‘일을 하는 능력’이라고 정의된다.

불의 발견, 증기기관의 발명 등 에너지이용은 인류문명을 빠른 시간 안에 비약적으로 발전시켰다. 18세기부터 19세기에 걸친 산업혁명을 ‘에너지혁명’이라고 일컬으며 근대과학기술의 눈부신 발전을 ‘에너지기술의 발전’이라고 보면 거의 틀림없을 것이다.

에너지는 빛, 동력, 연료로서 인간에게 많은 일을 해 주었고 인류 문명의 발달을 뒷받침하였다. 오늘날 전자·정보화사회 시대가 열리고 자동차, 에어컨, VTR, 인공위성 등이 작동되어 우리의 경제, 문화활동을 보다 더 편리하게 지탱해 주고 있다.

이처럼 윤택한 생활과 눈부신 사회발전을 가능케 해 준 원동력이 바로 에너지인 것이다. 이 사실은 과거와 현재에도 그러했듯이 미래에도 역시 그러할 것이다.

에너지의 형태는 그 관점에 따라 여러 가지로 달리 분류할 수 있다. 먼저 에너지를 그 본질에 따라 분류하면 외부에너지, 내부에너지, 열에너지, 기계적 에너지, 화학에너지, 핵에너지 등으로 나눠진다. 이들 에너지는 각기 특성을 지니고 있을 뿐만 아니라 서로 변환(變換 : Conversion)되면서 우리의 실생활에 필요한 열과 전기적, 기계적 에너지를 공급한다.

외부(外部: External)에너지

외부에너지란 물체의 운동 및 위치와 관계되는 에너지로 운동(運動: Kinetic)에너지와 위치(位置: Potential)에너지로 구성되어 있다. 어떤 속도로 운동하고 있는 물체는 다른 물체에 힘을 미쳐서 일을 할 수 있는 운동에너지(E=1/2 mv2: m -질량, v -속도)를 가진다. 또 높은 곳에 있는 물체는 그 높이에 상응하는 위치에너지(E=mgh: m -질량, g -중력의 가속도, h -높이)를 가지고 있고, 이 물체가 지상으로 낙하하는 경우 높이가 점점 줄어들면서 위치에너지는 감소하는 반면 물체의 낙하속도는 가속되어 운동에너지가 증가한다. 지상에서 발사된 인공위성이 일정한 고도의 궤도로 진입하는 과정은 운동에너지가 위치에너지로 바뀌는 예이다.

내부(內部: Internal)에너지

내부에너지란 물체 및 어떤 계(系: System)를 구성하는 분자들의 에너지를 말한다. 밀폐된 용기(계) 내에 들어 있는 공기에 대하여 외부에서 열을 가하면, 공기분자들의 운동에너지를 증가시켜 결국 계의 온도가 상승한다. 이 경우 가해진 열에너지는 계 내 공기의 내부에너지로 변환되면서 온도를 상승시키는 결과를 나타낸다. 또 온수로 난방을 하는 경우를 생각해 보면, 온수의 내부에너지는 열에너지로 변형되어 물에서 방안의 공기로 이동되고, 전달된 열은 공기의 내부에너지를 증가시키는데 쓰여 결국 실내 온도가 상승하는 것이다.

열(熱: Thermal)에너지

열(熱: Heat) 또는 열에너지는 온도차이가 있는 두 물체 사이에서 이동되는 에너지로, 더 뜨거운 물체에서 더 찬 물체로 전달되는 때에만 존재한다. 기체나 수증기의 팽창특성을 이용하면 열을 기계적 에너지로 변환시킬 수 있다. 가스터빈이나 증기터빈은 열에너지를 더 유익한 기계적 에너지로 변환시키는 장치이다.

기계적 에너지

기계적 에너지는 기체의 압축 팽창에 의한 일과 축(軸)의 회전에 의한 일로 구분된다. 전자의 예는 자동차 피스톤의 왕복운동에서 또 후자의 예는 증기터빈의 축회전에서 찾아볼 수 있다. 열기관은 열에너지를 기계적에너지로 변환시키는 장치로 자동차, 증기기관, 가스터빈 및 증기터빈은 모두 열기관이다.

화학에너지

화학에너지란 화학종(化學種)을 구성하고 있는 분자 내 원자 간의 결합에너지 및 위치에너지를 말한다. 석탄, 석유, 천연가스 등을 비롯한 각종 물질은 그 분자를 구성하는 원자의 종류와 결합구조에 따라서 각기 다른 화학에너지를 가지고 있다. 화학에너지는 연소(燃燒) 또는 다른 화학반응을 통하여 에너지 수준이 높은 화학종에서 낮은 화학종으로 변화하면서 그 차이에 해당하는 에너지를 열에너지의 형태로 방출한다. 자동차, 항공기, 로켓 등은 연료의 화학에너지를 열에너지로 거쳐 우리 생활에 유익한 기계적 에너지로 변환시키는 장치들이다.

핵(核: Nuclear)에너지

핵에너지는 원자의 핵을 구성하는 양자(陽子), 중성자(中性子) 등 입자 간 결합력의 형태로 저장되어 있고, 이는 핵분열 또는 핵융합 과정을 통하여 열에너지의 형태로 변환된다. 무겁고 불안정한 하나의 원자핵이 중성자에 의하여 두 개의 비슷한 원자핵으로 쪼개지면서 수반되는 질량결손(缺損)에 해당하는 막대한 열에너지(E=mc2: m 질량결손, c 빛의 속도)를 방출하는 것을 핵분열(分裂: Fission)이라 한다.

반면에 핵융합(融合: Fusion)은 두 개의 가벼운 원자핵이 융합하여 더 무거운 하나의 원자핵으로 변하는 것으로, 이 과정에서 역시 질량결손이 생기면서 막대한 열에너지가 방출된다.

이밖에도 압축된 스프링에 내재된 탄성(彈性)에너지, 태양광선 등이 갖고 있는 방사(放射)에너지, 전압차이에 의한 전기(電氣)에너지 등이 있다. 다음에 에너지를 그 자원(資源: Resourc) 면에서 분류하면 고체(주로 석탄), 액체(주로 석유), 기체(주로 천연가스)연료와 수력(水力), 핵(核), 전기(電氣), 태양, 생물(生物: Biomass), 풍력(風力), 해양(海洋), 지열(地熱)에너지 등으로 나누어진다. 특히 고대생물의 지구화학적 변화로 생성된 석탄, 원유, 천연가스 등을 통틀어 화석연료(化石燃料: Fossil Fuel)라 한다.

화석연료나 핵연료처럼 한번 사용하면 없어지고 마는 고갈성(枯渴性)에너지와 달리 수력, 태양, 생물, 풍력, 해양, 지열에너지처럼 사용해도 자연적으로 재생되는 것을 재생(再生: Renewable)에너지라 한다. 또한 에너지를 그 자원으로부터 최종소비까지의 흐름이란 면에서 분류하면 1차, 2차 및 최종에너지 등으로 나누어진다.

1차(Primary)에너지는 어떤 변환도 하지 않은 에너지로서 직접 에너지로 쓸 수 있는 것은 그 자체, 일정한 생산과정을 거쳐야 에너지로 사용할 수 있는 것은 그 과정이 완료된 산출물을 뜻하고 여기에는 화석연료 즉 석탄, 원유, 천연가스(LNG 포함)와 수력, 핵, 태양, 생물, 풍력, 해양, 지열에너지 등이 포함된다. 2차(Secondary)에너지는 1차에너지의 변환으로 생산되는 에너지(전력과 각종 석유제품 등)를 말하고 최종(最終: Final)에너지는 유용한 에너지(열, 빛, 동력 등)로 사용할 수 있게끔 소비자에게 공급되는 에너지이다.

국내 총 21기, 전 세계 443기 가동중 ...

대체 에너지 없어 생명 담보해야

“지난 98년 울진 1호기 냉각수 누설의 위험을 강력히 지적했음에도 정부는 문제없다는 답변만 되풀이했다. 하지만 결국 그해 12월 발전을 정지하고 핵연료 교체 및 보수에 들어갔다. 설계에 없는 용접 부위가 1989년 울진원전 1호기에서 1곳, 1994년 영광 3호기에서 43곳, 4호기에서 6곳이 발견됐다. 이는 세계적으로도 전무후무한 일이다”(김영환 민주당 최고위원 3월17일 성명)김 위원은 또 “최근 조사 결과 원전 반경 50km 내에 1978년부터 총 123회 지진이 발생했다”며, “폐로 기술과 고준위 폐기물 처리에 대한 정책과 방향을 마련해야 한다”고 강조했다.

일본 지진 참사로 발생한 원전 폭발사고 이후 전 세계가 동시다발적으로 원자력 발전에 의존하는 에너지 정책에 대한 재검토 필요성이 부각되고 있다.

국내는 현재 고리, 월성, 영광, 울진 등에서 총 21기의 원자로가 가동 중에 있다. 여기에 7기가 시공 중에 있고, 2030년까지 2기를 추가 시공할 예정이다.

현재 가동 중인 21기에서 생산되는 전력량은 1만8,716MW로 국내 전체 전력소비량의 31%를 차지하고 있다. 시공 중인 원자로까지 합하면 40%에 육박하는 수준이다.

태양광, 풍력 등 신재생에너지 등 개발하고 있지만 원전을 대신할 만큼의 에너지로 올라서기 위해선 많은 시간이 필요한 시점이다. 때문에 원전의 위험성에도 불구하고 정부나 관련 업체들이 쉽게 원전을 포기하지 못하는 이유다.

한국 등 개발도상국, 에너지난으로 원전 고수

국내와 마찬가지로 인도와 중국 등 개발도상국들은 원전 건설을 지속 추진하겠다는 입장을 고수하고 있다. 원전 안정성 문제를 인정하면서도 턱없이 부족한 에너지 수요를 충족하기 위해 선택의 여지가 없다는 이유에서다.

인도는 현재 20기의 원전을 가동하고 있으며, 수십 개 규모의 원전 신규건설을 위해 1,500억달러를 투입할 예정이다. 2050년까지 국가 전력 소비량의 4분의 1을 원전에서 공급한다는 계획이다. 이는 현재 수준의 10배에 달한다. 인도 원자력 연구원들은 일본의 원전 위기가 대중을 동요시키지 않을 것으로 전망하고 있다.

대규모 원전 확장 계획을 갖고 있는 중국에서도 일본 원전 위기가 중국의 원자력 계획에 영향을 주지 않을 것이라고 장 리준 환경부 차관이 최근 강조했다. 하지만 그는 지난 3월 16일 신규 건설 승인을 일시 보류하기로 했다며 입장을 번복했다. 중국에서는 현재 11개의 원전이 가동되고 있으며, 향후 10년 동안 연간 10개의 원전을 새로 지을 계획이다. 중국의 전력 소비는 연간 12%씩 상승하고 있다.

동유럽과 중동 지역에서도 원자력을 포용하는 분위기다. 러시아, 체코 공화국은 최근 에너지 정책을 변경할 계획이 없다고 밝혔다. 중동 국가들은 원전을 앞다퉈 건설하고 있다.

아랍에미레이트(UAE)는 페르시안 걸프 바라카 시에 4개 원전 건설을 추진하고 있다. 2020년까지 전력의 25%를 원자력으로 공급한다는 계획이다. 요르단과 쿠웨이트, 카타르, 바레인, 이집트도 원전 건설을 검토하고 있으며, 원유 부국인 사우디 아라비아도 원전 도시를 계획하고 있다.

년 미국 스리마일 원전 방사능 누출, 1986년 체르노빌 원전 폭발 사고로 주춤하기도 했지만 그 매력적인 경제성 때문에 각국은 원전 건설을 멈추지 않고 있다. 계획대로라면 현재 가동 중인 443기에다 2030년까지 약 430기가 추가로 건설돼 1,200조원의 시장이 형성된다.

원전피해 제대로 인식해야

방사능으로 인한 피해가 발생해도 축소되거나 감춰지고 있다는데 전문가들은 우려하고 있다. 원자력발전소는 사고가 아니더라도 원자로의 정상적인 가동과 조작을 통해 통상적으로 방사선을 방출하는데 일반적으로 대중들은 이런 사실에 무지하다.

미국 원자력산업계를 감독할 책임이 있는 원자력규제위원회는 핵에너지 발생을 통해 만들어지는 인공방사선으로 일반대중들이 매년 100밀리렘을 부가적으로 받는 것이 허용된다고 결론 내렸다. 그러나 방사성 물질은 인체에 축적되면 계속해서 방사능을 배출하기 때문에 자연에 존재하는 방사능에 인공적인 방사능까지 더해지면 심장질환과 뇌졸증, 백혈병, 갑상선 암 발병 위험이 높아진다. 낮은 방사선이라도 태아에게는 치명적이다.

원전의 폭발이나 인위적인 파괴는 최악의 상황이다. 후쿠시마와 유사한 수준의 사고였던 스리마일 아일랜드 사고(1979년)의 경우 수백 명의 지역주민들이 구역질과 구토, 설사, 코피, 입안에서 느껴지는 금속성의 맛, 탈모, 붉은 피부발진 등의 증상을 보였다.

당시 펜실베니아에서는 갑상선 기능부전증을 가진 신생아의 수가 사고 전 9개월 동안 아홉 건에서 사고 후 9개월 내에 20건으로 증가했다는 보고가 나왔고, 1981년에서 1985년 사이 주민들의 암 발생률도 크게 늘었다. 그러나 미국 정부는 제대로 역학조사를 하지 않았고 원자력산업계는 서둘러 피해보상을 마무리했다.

문제는 이렇게 누출된 방사성 물질이 대기와 땅으로 스며들어 먹이사슬을 교란한다는 데 있다. 최종 피해자는 먹이사슬의 가장 위에 있는 인간이다. 책에 따르면 당시 스리마일 아일랜드 원자로에서 12~15마일에 걸쳐 위치한 농장의 우유에서 리터당 3,000피코퀴리(Picocurie: 방사능의 단위로 1조 분의 1퀴리)가 검출됐고, 7마일 떨어진 농장 우유에서는 리터당 3,500피코퀴리, 16마일 떨어진 농장 우유에서는 리터당 4,000피코퀴리가 검출됐다. 한 살 된 아이가 리터당 2만1,300피코퀴리가 함유된 우유를 마시면, 갑상선에 0.3렘 정도의 방사선량을 받는 것으로 이는 수년 후 갑상선암을 일으킬 수 있다.