핵 열생성

핵분열 열생성은 무거운 원자핵이 중성자를 흡수하여 두 개 이상의 가벼운 핵으로 쪼개지는 과정에서 대량의 열에너지가 방출되는 현상이다. 이는 원자력 발전의 근본 원리이며, 핵무기의 작동 메커니즘 중 하나이기도 하다. 핵분열 과정에서는 핵을 구성하는 양성자와 중성자 사이의 강한 핵력을 극복하는 데 필요한 결합 에너지의 일부가 열 형태로 방출된다. 이때 발생하는 에너지는 동일한 질량의 화학 연료가 연소할 때 발생하는 에너지보다 수백만 배 이상 크다.

핵분열 열생성은 일반적으로 우라늄-235이나 플루토늄-239 같은 중성자를 흡수할 수 있는 핵분열성 물질에서 일어난다. 원자로 내에서는 중성자가 이러한 핵분열성 물질의 원자핵에 충돌하여 불안정한 상태를 만들고, 이는 곧 핵분열을 유발한다. 핵분열은 연쇄 반응을 통해 지속될 수 있으며, 이 과정에서 추가 중성자와 함께 엄청난 열에너지가 발생한다. 발생한 열은 냉각수를 가열하여 증기를 만들고, 이 증기는 터빈을 돌려 전기를 생산하는 데 사용된다.

핵분열 반응의 열 출력은 제어봉을 이용해 조절한다. 제어봉은 붕소나 카드뮴 같이 중성자를 잘 흡수하는 물질로 만들어져, 원자로 노심에 삽입된 중성자의 수를 조절함으로써 연쇄 반응의 속도와 열 발생량을 정밀하게 제어할 수 있다. 이는 원자로의 안전한 운전에 필수적이다. 핵분열 열생성은 높은 에너지 밀도와 지속적인 에너지 공급이 가능하다는 장점이 있어, 원자력 추진 선박이나 미래의 우주 탐사 임무를 위한 동력원으로도 연구되고 있다.

핵융합 열생성은 가벼운 원자핵이 결합하여 더 무거운 원자핵을 형성하는 과정에서 막대한 열에너지가 방출되는 현상이다. 이 반응은 주로 수소와 같은 경량 원소들 사이에서 발생하며, 핵분열과 비교했을 때 단위 질량당 훨씬 더 많은 에너지를 생산할 수 있다는 특징을 가진다. 핵융합 반응이 지속되기 위해서는 수천만 도 이상의 극고온 상태를 유지하여 원자핵들이 강력한 전자기력을 극복하고 충분히 가까워지게 해야 하는데, 이는 기술적으로 매우 어려운 과제로 남아 있다.

이러한 핵융합 반응은 태양을 비롯한 대부분의 항성들이 빛과 열을 내는 근본적인 원동력이다. 항성의 중심부에서는 양성자-양성자 연쇄 반응이나 CNO 순환과 같은 과정을 통해 수소가 헬륨으로 변환되면서 지속적으로 에너지를 만들어낸다. 지구상에서도 수소폭탄은 순간적인 핵융합 반응을 이용하여 엄청난 파괴력을 발생시키는 대표적인 사례이다.

현재 핵융합 발전은 제어된 상태에서 핵융합 반응을 유지하여 청정 에너지를 생산하려는 목표로 연구가 활발히 진행되고 있다. 토카막이나 관성 가둠 방식의 실험 장치를 통해 고온의 플라스마를 생성하고 제어하는 기술이 개발되고 있으나, 상용화를 위해서는 반응으로 얻는 에너지가 반응을 유지하는 데 투입된 에너지를 넘어서는 순 에너지 획득을 안정적으로 달성해야 하는 과제가 남아 있다.

방사성 붕괴 열생성은 불안정한 원자핵이 자발적으로 방사선을 방출하며 안정한 상태로 변하는 과정에서 발생하는 열을 의미한다. 핵분열이나 핵융합과 달리 외부의 자극 없이도 지속적으로 일어나는 자연 현상이며, 붕괴 속도는 각 방사성 동위원소의 고유한 반감기에 의해 결정된다. 이 과정에서 방출되는 에너지는 주로 알파 입자, 베타 입자, 감마선 등의 형태로 나타나며, 이들이 주변 물질과 상호작용할 때 최종적으로 열로 변환된다.

이러한 열생성의 대표적인 예는 플루토늄-238과 같은 동위원소를 사용하는 방사성 동위원소 열전 발전기이다. 이 장치는 방사성 붕괴 시 발생하는 열을 열전 소자를 통해 직접 전기로 변환하는 원리로 작동한다. 태양계 탐사 임무에서 태양광이 약한 외행성 지역이나 장기간의 야간 활동에 필수적인 동력원으로 널리 활용되며, 보이저 계획이나 큐리오시티 (로버)와 같은 임무에서 그 신뢰성을 입증했다.

방사성 붕괴 열은 또한 지구 내부의 중요한 열원 중 하나이다. 지구 내부에 존재하는 우라늄, 토륨, 칼륨-40 등의 장수명 방사성 동위원소들이 붕괴하며 생성되는 열은 맨틀 대류와 판 구조론을 유지하는 데 기여하는 것으로 알려져 있다. 이는 지구의 지열 에너지의 상당 부분을 설명하며, 화산 활동과 지진의 근본적인 원인을 제공하기도 한다.

원자로는 핵 열생성의 가장 대표적인 인공적 발생원으로, 제어된 핵분열 연쇄 반응을 통해 지속적으로 열을 생산하는 장치이다. 원자로의 핵심 구성 요소는 연료봉, 감속재, 제어봉, 냉각재, 그리고 방사선을 차폐하는 격납 용기 등이다. 연료봉에는 우라늄-235나 플루토늄-239 같은 핵분열성 물질이 들어 있으며, 여기서 발생하는 연쇄 반응은 제어봉의 삽입 정도를 조절하여 정밀하게 제어된다. 생성된 열은 냉각재(물, 중수, 액체 금속, 가스 등)가 운반하여, 주로 증기 터빈을 돌려 전기를 생산하는 데 사용된다.

원자로는 용도와 설계에 따라 다양한 형태로 구분된다. 가장 일반적인 경수로는 일반 물을 냉각재이자 감속재로 사용하며, 대부분의 상업용 원자력 발전소가 이 방식을 채택하고 있다. 중수로는 중수를 사용하여 천연 우라늄을 연료로 쓸 수 있고, 고속 증식로는 사용 후 핵연료에서 재생된 플루토늄을 연료로 사용하며 더 많은 핵분열 물질을 생성해 낼 수 있다. 또한, 연구용 원자로는 동위원소 생산이나 중성자 실험 등에, 그리고 원자력 추진을 위한 원자로는 항공모함이나 잠수함의 동력원으로 활용된다.

원자로의 안전 운전을 위해서는 냉각 시스템이 가장 중요하다. 핵분열이 중단된 후에도 방사성 붕괴 열생성으로 인해 상당한 잔열이 계속 발생하기 때문에, 사고 시에도 냉각 기능을 유지하는 것이 필수적이다. 이를 위해 다중의 냉각 계통과 비상 냉각 시스템이 마련되어 있다. 또한, 방사선 차폐와 사용 후 핵연료의 안전한 처리는 원자로 운영에서 핵심적인 안전 과제이다.

핵무기는 핵 열생성 현상을 가장 극단적이고 순간적으로 응용한 장치이다. 핵무기는 주로 핵분열 반응만을 이용하는 원자폭탄과, 핵분열 반응으로 발생한 고온 고압을 이용해 핵융합 반응을 유도하는 수소폭탄으로 구분된다. 이 과정에서 막대한 양의 열에너지가 극히 짧은 시간 내에 방출되어 강력한 폭발과 열복사, 충격파를 발생시킨다.

핵무기의 작동 원리는 핵분열 물질인 우라늄-235나 플루토늄-239에 중성자를 충돌시켜 연쇄 반응을 일으키는 데 기반한다. 임계 질량 이상의 핵분열 물질을 순간적으로 밀집시키거나 압축하여 중성자 반사체로 둘러싸면, 제어되지 않는 극심한 연쇄 반응이 일어나며 엄청난 열을 방출한다. 수소폭탄의 경우, 이 핵분열 폭발로 생성된 엑스선과 감마선이 리튬 중수소화물과 같은 융합 연료를 압축·가열하여 더욱 강력한 핵융합 반응을 유발한다.

핵무기에서의 핵 열생성은 그 에너지 밀도가 화학 무기에 비해 압도적으로 높다는 특징을 가진다. 예를 들어, 우라늄-235 1g의 핵분열 에너지는 석탄 약 3톤의 연소 에너지와 맞먹는다. 이로 인해 소형 장치로도 광범위한 파괴력을 가지게 되며, 폭발 시 생성되는 방사성 낙진은 장기간에 걸쳐 주변 환경과 생태계에 심각한 영향을 미친다.

핵무기 개발은 냉전 시대에 본격화되었으며, 현재는 핵확산금지조약을 통해 그 확산을 억제하려는 국제적 노력이 지속되고 있다. 핵 열생성 기술은 원자력 발전과 같은 평화적 이용과 핵무기라는 군사적 이용이라는 상반된 양면성을 가지고 있어, 그 사용과 관리는 지속적인 논의의 대상이 되고 있다.

천체에서의 핵 열생성은 우주에서 에너지를 공급하는 근본적인 과정이다. 이 현상은 주로 핵융합 반응에 의해 발생하며, 항성과 일부 행성의 내부 에너지원이 된다.

항성의 중심부에서는 중력에 의해 압축된 고온 고압의 상태에서 핵융합이 일어난다. 우리 태양과 같은 주계열성에서는 수소가 헬륨으로 융합되는 과정에서 막대한 열에너지가 방출된다. 이 에너지는 항성을 빛나게 하고, 행성계에 열과 빛을 제공한다. 항성의 진화 단계에 따라 헬륨 융합이나 더 무거운 원소의 융합이 일어나기도 한다.

행성의 경우, 지구와 같은 암석 행성의 내부 열의 상당 부분은 방사성 동위원소의 붕괴에서 비롯된다. 지구 내부에는 우라늄, 토륨, 칼륨 등의 방사성 동위원소가 존재하며, 이들의 자연적인 방사성 붕괴 과정에서 열이 발생한다. 이 열은 맨틀 대류와 판 구조 운동을 일으키는 원동력이 되며, 화산 활동과 지진의 에너지원이 된다. 목성과 같은 거대 가스 행성의 내부에도 잔존 열이 존재하는데, 이는 행성 형성 당시의 중력 수축 에너지와 방사성 붕괴 열이 혼합된 결과이다.

핵 열생성의 가장 두드러진 특징은 화학 반응에 비해 매우 높은 에너지 밀도를 가진다는 점이다. 이는 핵반응이 원자핵 내부의 강한 상호작용, 즉 강력을 다루기 때문이다. 화학 반응이 원자 간의 전자 교환을 통해 이루어지는 데 반해, 핵반응은 원자핵 자체의 구조 변화를 수반하여 훨씬 더 큰 결합 에너지의 차이를 방출한다.

예를 들어, 우라늄-235 1그램이 핵분열을 통해 방출하는 에너지는 석탄 약 3톤을 연소시켜 얻는 열에너지와 맞먹는다[2]. 이처럼 압도적인 에너지 밀도는 원자력 발전소가 적은 양의 핵연료로 장기간 대량의 전력을 생산할 수 있는 근본적인 이유이며, 원자력 추진 선박이나 잠수함이 긴 항속 거리와 오랜 작전 기간을 확보할 수 있는 기반이 된다.

이러한 높은 에너지 밀도는 우주 탐사 분야에서도 결정적인 장점으로 작용한다. 태양광이 약한 심우주에서는 방사성 동위원소 열전 발전기가 핵 열생성의 원리를 이용한다. 이 장치는 플루토늄-238과 같은 방사성 동위원소의 자연 방사성 붕괴에서 발생하는 열을 직접 전기로 변환하여, 수십 년 동안 탐사선과 착륙선에 안정적인 전력을 공급한다.

따라서 핵 열생성 기술의 개발과 응용은 근본적으로 이 높은 에너지 밀도에서 비롯된 이점, 즉 소형·경량화 가능성, 장기간 에너지 공급 능력, 그리고 화석 연료 대비 연료 소비량의 극적인 감소를 추구한다고 볼 수 있다.

핵 열생성에서 열 출력 제어는 핵반응의 속도를 조절하여 원하는 수준의 열을 안정적으로 공급하고, 과도한 출력 상승으로 인한 사고를 방지하는 핵심 기술이다. 이는 주로 원자로의 핵심 안전 장치인 제어봉을 통해 이루어진다. 제어봉은 중성자를 흡수하는 물질(예: 카드뮴, 붕소)로 만들어져 핵분열 연쇄 반응에 필요한 중성자 수를 조절한다. 제어봉을 반응로 심부로 삽입하면 중성자가 더 많이 흡수되어 반응 속도와 열 출력이 감소하며, 반대로 뽑아내면 반응이 촉진되어 출력이 증가한다.

원자력 발전소에서는 이러한 제어 시스템을 통해 발전 수요에 맞춰 출력을 정밀하게 제어하고, 비상 시에는 모든 제어봉을 신속히 삽입하여 반응을 즉시 정지시키는 긴급 정지 기능을 갖추고 있다. 또한, 냉각재의 역할도 중요하다. 냉각재는 발생한 열을 외부로 운반하는 동시에 중성자 속도를 늦추는 감속재 역할을 하기도 하여 반응 속도에 간접적으로 영향을 미친다. 따라서 냉각재의 유량과 온도 역시 출력 제어의 중요한 변수로 관리된다.

한편, 핵융합 반응의 출력 제어는 훨씬 더 복잡한 과제이다. 플라스마를 초고온으로 가둔 상태에서 유지해야 하며, 반응이 자발적으로 연쇄적으로 일어나지 않기 때문에, 연료 주입량과 가열 에너지의 입력을 정밀하게 조절하여 출력을 제어한다. 방사성 동위원소 열전 발전기와 같이 방사성 붕괴 열을 이용하는 장치의 경우, 반응 속도를 조절할 수 없으므로 출력 제어는 열 전달 시스템을 통해 간접적으로 이루어지거나, 초기 연료의 양과 반감기를 정확히 설계하여 장기간에 걸쳐 예측 가능한 수준의 열을 공급하는 방식으로 접근한다.

잔열은 핵연료의 핵분열 반응이 중단된 후에도 계속해서 발생하는 열을 의미한다. 이 열은 주로 핵분열 생성물의 방사성 붕괴에서 비롯된다. 원자로를 정지시켜도 핵분열 생성물은 불안정한 상태이므로, 안정한 상태로 가기 위해 베타 입자나 감마선 등을 방출하며 붕괴하는 과정에서 열을 계속 방출한다.

잔열의 양과 지속 시간은 원자로의 운전 이력, 특히 운전 출력과 운전 기간에 크게 의존한다. 운전 출력이 높고 기간이 길수록 생성된 핵분열 생성물의 양이 많아져 잔열도 그만큼 크다. 정지 직후에는 잔열 출력이 운전 시 출력의 약 6~7% 수준에 달할 수 있으며, 시간이 지남에 따라 서서히 감소한다. 예를 들어, 대형 원자력 발전소의 경우 정지 후 하루가 지나면 약 1% 수준으로 떨어지지만, 완전히 사라지기까지는 수 주에서 수 개월이 소요된다.

이러한 잔열은 원자로 안전에 있어 매우 중요한 고려 사항이다. 냉각 시스템이 정상적으로 작동하지 않으면 사용후 핵연료의 온도가 과도하게 상승하여 연료봉 피복관이 손상되고 방사성 물질이 유출될 수 있다. 따라서 원자로 정지 후에도 장기간에 걸쳐 사용후 핬연료를 적절히 냉각하는 것이 필수적이다. 사용후 핬연료는 처음에는 원자로 부근의 사용후 핬연료 저장조에서 수년간 수중 냉각된 후, 더 장기적인 저장 시설로 옮겨진다.

잔열 관리는 원자력 추진 선박이나 원자력 사고 후의 사고 수습 과정에서도 핵심 과제이다. 또한, 방사성 동위원소 열전 발전기는 플루토늄-238과 같은 동위원소의 자연 붕괴에서 나오는 잔열을 이용하여 전기를 생산하는 장치로, 태양광이 부족한 심우주 탐사 임무에 필수적인 동력원으로 활용된다.

핵 열생성 현상을 이용한 원자력 발전은 핵분열 반응에서 발생하는 열을 이용하여 전기를 생산하는 방식이다. 발전소의 원자로 내부에서 우라늄이나 플루토늄과 같은 핵분열성 물질이 중성자와 충돌하여 핵분열을 일으키면, 이 과정에서 막대한 열에너지가 방출된다. 이 열은 냉각재(예: 물, 중수, 가스)를 가열하여 고온 고압의 증기를 생성하는 데 사용되며, 이 증기는 터빈을 회전시켜 발전기를 구동하여 최종적으로 전력으로 변환된다.

원자력 발전은 화석 연료를 사용하는 화력 발전에 비해 단위 질량당 방출 에너지가 매우 크기 때문에 적은 양의 연료로 많은 전력을 생산할 수 있으며, 발전 과정에서 이산화탄소를 직접 배출하지 않는다는 장점이 있다. 이러한 이유로 기후 변화 대응을 위한 저탄소 에너지원으로 주목받고 있다. 주요 원자력 발전 방식으로는 가압수형 원자로와 비등수형 원자로 등이 널리 사용된다.

한편, 핵융합 반응을 이용한 발전 기술인 핵융합 발전은 아직 상용화 단계에 이르지 못했지만, 활발한 연구가 진행 중인 미래 에너지원이다. 태양과 같은 항성에서 일어나는 반응을 모방하여, 중수소와 삼중수소 같은 가벼운 원자핵이 고온 고압의 플라즈마 상태에서 융합하여 더 무거운 핵으로 변환될 때 방출되는 에너지를 이용하는 방식이다. 국제열핵융합실험로와 같은 대규모 국제 공동 연구 프로젝트를 통해 그 실현 가능성을 탐구하고 있다.

원자력 발전소는 높은 에너지 효율을 제공하지만, 사용 후 핵연료의 처리, 방사성 폐기물의 안전한 관리, 그리고 사고 시의 심각한 환경적 영향과 같은 과제를 안고 있다. 따라서 발전소의 안전한 운영을 위한 냉각 시스템과 방사선 차폐 기술, 그리고 잔열 제어가 핵심적으로 중요하다.

핵 열생성을 이용한 추진 시스템, 즉 원자력 추진은 핵분열이나 방사성 붕괴 과정에서 발생하는 막대한 열에너지를 추진력으로 변환하는 기술이다. 이는 화학 추진에 비해 연료 소모량이 극히 적고 장기간에 걸쳐 높은 출력을 유지할 수 있어, 장기 항해나 심우주 탐사에 매우 유리한 특성을 지닌다.

가장 대표적인 응용 분야는 해군의 원자력 잠수함과 원자력 항공모함이다. 이들 선박은 원자로에서 생성된 열로 증기 터빈을 구동하여 프로펠러를 돌리며, 한 번의 핵연료 장전으로 수년에서 수십 년 동안 항해할 수 있어 작전 범위와 지속력을 극대화한다. 또한, 우주 탐사 분야에서는 방사성 동위원소 열전 발전기가 활용된다. 이 장치는 플루토늄-238과 같은 동위원소의 자연적인 방사성 붕괴 열을 직접 전기로 변환하여, 태양광이 약한 외행성 탐사선이나 달 기지 등에 안정적인 전력을 공급한다.

원자력 추진 기술은 높은 에너지 밀도라는 장점에도 불구하고, 방사선 차폐와 냉각 시스템의 무게, 사고 시의 안전성 문제, 그리고 사용 후 핵폐기물 처리 등의 과제를 안고 있다. 특히 우주 개발 분야에서는 원자로를 이용한 핵열 추진이나 핵전기 추진 시스템이 화성 탐사 시간을 단축할 수 있는 유력한 후보 기술로 연구되고 있다.

핵 열생성 기술은 연구 및 의료 분야에서도 중요한 역할을 한다. 연구 분야에서는 고출력의 중성자원이나 열원이 필요한 다양한 실험에 활용된다. 예를 들어, 연구용 원자로는 핵분열을 통해 생성된 중성자를 이용해 재료 과학 연구, 방사화 분석, 또는 새로운 핵연료 사이클 연구를 수행한다. 또한, 핵융합 연구 장치인 토카막이나 레이저 핵융합 시설에서는 극한의 고온 고압 조건을 만들어 핵융합 반응 실험을 진행하며, 이 과정에서 발생하는 막대한 열에너지는 연구의 주요 관찰 대상이 된다.

의료 분야에서는 주로 방사성 동위원소의 붕괴 열을 이용한다. 대표적인 예가 방사성 동위원소 열전 발전기다. 이 장치는 플루토늄-238과 같은 동위원소의 자연 붕괴에서 나오는 열을 열전 소자를 통해 직접 전기로 변환한다. 이 전원은 심장 박동기와 같은 임플란트형 의료 기기에 장기간 안정적으로 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 또한, 방사성 동위원소에서 나오는 열은 특정 암 치료법이나 진단용 표지자 제조 과정에서 열원으로 간접적으로 활용되기도 한다.

핵 열생성 기반의 연구 및 의료 응용은 매우 특수한 환경과 요구 조건 하에서 이루어진다. 연구용 원자로는 실험 목적에 맞게 출력을 정밀하게 제어하고 강력한 방사선 차폐 시설을 갖춰야 한다. 의료용으로 사용되는 방사성 동위원소 열원은 환자의 신체에 삽입되거나 근접하게 사용되므로, 절대적인 방사선 안전성과 장기간의 신뢰성이 최우선으로 요구된다. 이처럼 핵에서 발생하는 열에너지는 인간의 과학적 탐구와 건강 증진을 위한 도구로서 계속해서 그 영역을 넓혀가고 있다.

방사선 차폐는 핵 열생성 시설이나 장치에서 발생하는 유해한 방사선을 차단하여 작업자와 일반 대중, 그리고 환경을 보호하기 위한 필수적인 안전 조치이다. 핵 반응에서는 열과 함께 알파 입자, 베타 입자, 감마선, 중성자선 등 다양한 유형의 방사선이 방출되는데, 이들을 효과적으로 차폐하지 않으면 생물체에 심각한 방사선 피해를 줄 수 있다.

차폐 설계는 방사선의 종류와 에너지에 따라 달라진다. 알파 입자는 종이 한 장이나 공기 중 몇 센티미터만으로도 차단되지만, 베타 입자는 얇은 금속판으로, 고에너지 감마선과 중성자선은 두꺼운 콘크리트, 물, 납 또는 특수 합금과 같은 고밀도 물질이 필요하다. 특히 원자로의 노심 주변에는 다층의 차폐 구조가 설치되어 있으며, 원자력 발전소의 격납용기는 강철과 두터운 콘크리트로 구성되어 사고 시에도 방사성 물질의 외부 유출을 막는 최종 방어선 역할을 한다.

원자력 추진 선박이나 원자력 잠수함의 경우 공간 제약이 크기 때문에 차폐 설계가 매우 정밀하게 이루어진다. 선체 내부의 원자로 주변에 집중적으로 차폐재를 배치하여 승무원 구역의 방사선량을 안전 기준 이하로 유지한다. 또한 방사성 동위원소 열전 발전기와 같은 우주 탐사용 장비도 방사성 물질을 특수한 차폐 용기에 밀봉하여 발사체와 탐사선의 다른 부분에 미치는 영향을 최소화한다.

방사선 차폐의 효과성은 차폐 재료의 두께, 밀도, 그리고 방사선과의 상호작용 단면적에 크게 의존한다. 따라서 핵 열생성 설비의 안전 분석에서는 방사선 차폐가 핵심 평가 항목 중 하나이며, 정기적인 점검과 모니터링을 통해 차폐 성능이 지속적으로 유지되도록 관리한다.

핵 열생성 시스템에서 냉각 시스템은 핵반응으로 발생한 막대한 열을 안전하게 제거하여 시스템의 온도를 정상 범위 내로 유지하는 핵심 장치이다. 이는 원자로의 안정적인 운전과 사고 예방에 필수적이다.

냉각 시스템은 크게 1차 냉각계와 2차 냉각계로 구분된다. 1차 냉각계는 원자로 노심과 직접 접촉하여 핵분열로 생성된 열을 흡수하는 냉각재(예: 경수, 중수, 액체 나트륨, 가스)가 순환하는 폐쇄 회로이다. 이 냉각재는 고온 고압 상태로 증기 발생기로 이동하여 그 열을 2차 냉각계에 전달한다. 2차 냉각계는 증기 발생기에서 받은 열로 물을 증기로 만들어 터빈을 돌려 발전기를 구동하는 회로이다. 이렇게 열에너지가 기계적 에너지로, 다시 전기 에너지로 변환된 후, 터빈을 통과한 증기는 복수기에서 냉각수(예: 바닷물, 강물)에 의해 다시 물로 응축되어 재사용된다.

냉각 시스템의 설계와 운영은 매우 중요하며, 냉각재 상실 사고와 같은 비상 상황을 대비한 다중 안전 장치가 마련되어 있다. 대표적으로 비상 노심 냉각 시스템이 있으며, 정전 시에도 가동할 수 있는 디젤 발전기와 같은 비상 전원이 확보되어 있다. 또한, 원자력 발전소에는 잔열 제거를 위한 별도의 계통이 존재하여 정지 후에도 계속되는 방사성 붕괴 열을 장기간에 걸쳐 안전하게 제거한다.

냉각 시스템의 성능은 원자력 발전의 효율과 안전성을 직접적으로 좌우한다. 따라서 냉각재의 선택, 계통 설계, 재료 과학은 원자력 공학의 주요 연구 분야이며, 제4세대 원자로와 같은 신형 원자로 개발에서도 냉각 기술의 혁신이 중요한 과제로 다루어진다.

핵 열생성 과정은 발전이나 추진에 유용한 에너지를 제공하지만, 그 과정에서 발생하는 부산물과 폐기물은 환경에 장기적이고 복잡한 영향을 미친다. 가장 직접적인 영향은 사용 후 핵연료와 같은 고준위 방사성 폐기물의 관리 문제이다. 이 폐기물들은 수만 년에 걸쳐 방사능을 유지하며, 이를 안전하게 격리하고 처분하기 위한 지중 처분장 건설은 기술적, 사회적 난제로 남아 있다.

또한, 원자로의 정상 운영 중에도 미량의 방사성 물질이 대기나 수계로 배출될 수 있으며, 사고 시에는 그 영향이 심각해진다. 체르노빌 원자력 발전소 사고나 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고와 같은 대형 사고는 넓은 지역을 방사능으로 오염시켜 토양과 수자원 이용을 제한하고, 생태계에 장기적인 피해를 입힌다. 이러한 사고의 환경 복원에는 막대한 비용과 시간이 소요된다.

한편, 핵 열생성은 발전 과정에서 이산화탄소를 직접 배출하지 않아 기후 변화 대응 측면에서 장점을 지닌다. 그러나 광산에서의 우라늄 채굴과 정제, 발전소 건설, 그리고 최종적인 폐기물 관리 전 과정을 평가할 때 탄소 배출량은 제로가 아니며, 이는 전 과정 평가를 통해 환경적 영향을 종합적으로 판단해야 함을 시사한다.

방사성 동위원소 열전 발전기의 경우, 우주 탐사선에 전원을 공급하는 데 사용되며, 발사 실패나 대기권 재진입 사고 시 방사성 물질이 확산될 위험성이 존재한다. 따라서 이러한 적용 분야에서도 강화된 안전 설계와 위험 관리가 필수적이다.