(수완뉴스=권동현) 지난 화에서 말씀드렸듯이, 핵분열은 원자핵이 쪼개지는 현상입니다. 여러분이 생각하는 원자 폭탄, 원자력 발전소, 우라늄, 플루토늄…등이 모두 핵분열과 관련 있는 것들입니다. 이번 칼럼에서는 이 핵분열에 대해 조금 더 자세히 알아보겠습니다.
(▲현재 사용되는 주기율표, 출처 : periodic.lanl.gov 홈페이지 갈무리)
위 그림은 세상의 모든 원소들을 나열한 주기율표입니다. 저 주기율표를 가로로 반씩 나누면, 대체로 밑의 원소들이 핵분열을 잘 합니다. 대표적인 것들이 우라늄, 플루토늄, 토륨 등입니다. 밑으로 갈수록 원자핵 하나가 가진 양성자와 중성자들이 상당히 많아집니다. 우라늄 같은 경우는 그 조그만 핵에 양성자랑 중성자가 200개가 넘게 들어 있습니다. 상황이 이렇다 보니 좁은 공간 안에서 너무 북적거리는지라, 누가 툭 건드리기만 하면 바로 원자핵이 두 동강이 납니다. 이게 핵분열입니다. 기존의 북적거리고 맨날 싸우는 불안정한 원자핵에서, 덜 싸우고 평화로운 두 개의 안정한 원자핵이 되면서 우리가 쓸 수 있는 에너지가 열(Heat Energy)로 나오게 됩니다.
(▲ 핵분열을 나타낸 그림, 원본 출처: www.hko.gov.hk (편집함)
사실 저 그림의 붉은색 알갱이들은 모두 중성자입니다. 자세한 설명은 이 칼럼 끝의 추가 설명을 확인하시기 바랍니다.
핵분열이 처음 발견된 건 1930년대 말입니다. 독일의 과학자들이 우라늄이 녹아 있는 용액으로 실험을 하던 중 원자핵 크기가 작은 원소들이 생겨난 것입니다. 그 중 하나가 바륨(Ba)인데, 바륨 원자핵의 크기는 우라늄의 60%밖에 되지 않습니다. 이에 흥미를 느낀 과학자들이 연구를 계속했고, 핵분열 반응을 통해 엄청난 에너지를 얻을 수 있다는 것이 알려졌습니다. 이탈리아 태생 과학자인 페르미는 이 에너지를 최초의 원자로를 만드는 데 사용했지만, 이 시기에 핵분열 에너지가 사용된 곳은 또 있었습니다. 바로 제 2차 세계대전 때 만들어진 원자폭탄입니다.
최초로 원자로를 만들었을 때의 그림. 1942년 12월 2일, 페르미와 그의 연구진은 시카고 대학의 스쿼시 경기장에서 최초의 원자로를 만드는 데 성공합니다. 당시 원자로는 우라늄 덩어리 주변에 흑연 벽돌을 쌓아 만든 원시적인 형태였습니다.
(▲출처 : www.phy6.org)
원자폭탄과 원자로에 사용되는 우라늄은 두 가지입니다. 우라늄-235와 우라늄-238이 그것입니다. 235와 238은 각각 양성자와 중성자의 총 개수를 의미합니다. 무겁기는 우라늄-238이 더 무겁지만, 핵분열이 잘 일어나는 것은 우라늄-235입니다. 원자폭탄과 원자로의 차이는 두 우라늄의 혼합 비율에 있습니다. 원자로에 사용되는 우라늄은 거의 모두 우라늄-238입니다(95~98%). 우라늄-235는 극히 적은 이 연료를 원자로에 넣어 계속 핵분열을 하게 해서(연쇄 반응)에너지를 뽑아 쓰는 것입니다. 우라늄의 연쇄 반응은 제어봉과 기타 재료들을 통해서 조절됩니다.
하지만 원자폭탄은 반대입니다. 오히려 우라늄-235가 95% 가까이 함유된 혼합 우라늄을 사용합니다. 원자폭탄에서 우라늄을 제어하는 장치는 단 하나입니다. 원자폭탄 내부에 있는 작은 폭탄입니다. 우라늄은 너무 많은 양이 한번에 모이면(대략 10~15kg) 스스로 분열하여 연쇄 반응을 일으킵니다. 적절한 시기에 폭발하게 하기 위해서는 원할 때 우라늄이 뭉칠 수 있도록 해야 하는데, 이때 사용하는 것이 원자폭탄 내부 폭탄입니다. 폭탄이기에 한번 작동되면 인위적인 제어는 불가능하고, 터지면 과거 히로시마와 나가사키가 겪은 일들이 일어나는 것입니다.
원자폭탄의 구조. 화약이 터지면 두 우라늄 조각이 합쳐지면서 연쇄 반응을 진행합니다.
많은 나라들은 현재까지 전기 에너지 공급에 원자력을 사용하고 있습니다. 우리나라의 경우 그 비율이 30%를 넘습니다. 후쿠시마 원전 사고나 체르노빌 원전 사고처럼 원전 사고가 일어날 수도 있다는 위험성이 항상 존재하지만, 아직까지 원자력 발전소를 대체할 수 있는 묘안이 없는 상황입니다. 그렇다고 아무 계획도 없는 것은 아닙니다. 우리가 다음에 다룰 주제인 핵융합이 에너지 문제의 해결 방법 중 하나로 떠오르고 있기 때문입니다.
오늘의 총정리!
– 원자핵이 쪼개지면서 에너지가 방출된다. 우리가 쓰는 에너지가 바로 이것이다.
– 우라늄의 비율과 핵분열의 통제 여부에 따라 핵폭탄과 핵 발전소로 나뉜다.
본문에는 없는 추가 설명
– 사실 크기가 큰 원자핵을 ‘툭 건드려’ 분열하게 하는 것은 바로 중성자입니다. 핵분열 결과 중성자가 나오고, 그 중성자가 다른 핵분열을 일으키면서 연쇄 반응이 일어납니다. 만약 여기서 중성자를 몇 개 빼앗으면 연쇄 반응이 잘 일어날 수 없을 것입니다. 그것이 원자로에서 연쇄 반응을 제어하는 원리입니다.
