핵분열을 통해 얻어지는 에너지에 양은 어느정도 인가요?

 

< 핵분열을 통해 얻어지는 에너지에 양은 어느정도 인가요? >

 

핵분열은 원자력의 열쇠입니다.

원자란 물질을 이루고 있는 최소단위로 원소를 더 이상 나누어질 수 없는 작은 입자로 쪼개었을 때 나타나는 최소단위이며, 원자핵은 원자의 가운데 부분으로서 양자와 중성자로 이루어져 있다고 하였습니다. 인류는 이 원자핵을 이용해서 상상하기조차 힘든 막대한 에너지를 얻을 수 있게 되었습니다.

이 세상의 모든 물질은 에너지 덩어리라고 할 수 있습니다. 보통 가연성 물질만이 불에 타면서 에너지를 낸다고 생각하기 쉬우나, 모든 물질은 ‘핵분열’이라는 과정을 통하여 에너지를 발생합니다. 이러한 원리는 아인슈타인의 상대성이론에 기초를 두고 있습니다. 아인슈타인은 모든 물질이 에너지 덩어리라는 것을 주장하면서 다음과 같은 공식을 제시하였습니다.

E=mc2

이 유명한 공식은, 어떤 물체의 질량이 에너지로 바뀔 때 그 물체의 질량(m)에 빛의 속도(c)를 제곱해서 곱해진 만큼 에너지(E)가 발생한다는 것입니다. 쉽게 설명하자면, 석탄 1g을 상대성이론에 따라 완전히 에너지로 전환시킬 때 얻는 에너지의 양은 석탄 1g을 태워서 얻는 에너지보다 약 30억배 이상이 된다고 하는 것입니다.

하지만 원자력은 아인슈타인의 상대성이론에 착안하여 연구된 것은 아닙니다. 여러 과학자들이 다른 종류의 실험을 하는 도중에 우연히 발견된 것이지만, 그 원리는 상대성이론이 그대로 적용된다고 할 수 있습니다.

원자력의 탄생은 ‘핵분열’로부터 시작되었다고 볼 수 있습니다. 즉, 어떤 원소의 원자핵을 중성자로 두드리면 원자핵이 쪼개지면서 새로운 원소가 만들어지는데, 이때 막대한 에너지가 방출된다는 것입니다. 과학자들은 여러 가지 원소로 실험을 하다가, 마침내 자연의 원소 중에서 가장 무겁고 제일 늦게 발견된 우라늄이 가장 많은 에너지를 발생한다는 것을 알게 되었습니다. 즉, 우라늄의 원자핵이 중성자와 부딪히면 마치 ‘8’자처럼 중간이 잘룩해지면서 무게가 비슷한 두 개의 핵으로 갈라지게 됩니다. 하나의 핵이 이처럼 둘로 쪼개지는 현상이 생물학에서 말하는 세포분열과 유사하다고 하여 이를 ‘핵분열’이라 명명하게 된 것입니다. 그러나 세포분열과 달리 핵분열의 경우에는 분열된 두 개의 핵이 항상 서로 같은 것은 아닙니다. 분열 전 원자핵의 무게와, 분열 후 두 개로 나누어진 원자핵을 합한 것의 무게는 서로 다릅니다. 이처럼 분열 전과 분열 후에 발생한 무게 차이를 ‘질량결손’이라 하는데, 이 무게의 차이만큼 에너지가 발생하는 것입니다. 즉, 새롭게 생긴 핵은 질량결손에 따라 굉장한 힘을 가지고 튀어나가게 되는데, 이때 엄청난 에너지가 발생되는 것입니다.

콩알 한 개만한 우라늄에서 나오는 에너지는 석탄 3톤과 맞먹습니다.

그런데 한 개의 중성자가 한 개의 원자핵을 분열시키는 광정에서 몇 개의 새로운 중성자가 생기며, 새로 생긴 중성자는 또 다른 우라늄 원자핵을 분열시키는 이른바 ‘연쇄반응’을 일으키게 됩니다. 이처럼 우라늄 핵이 연쇄반응을 일으켜 순식간에 많은 핵분열이 일어나면서 엄청난 에너지가 방출되는 것입니다.

원자의 세계에서 중성자의 활약은 엄청납니다. 원자력을 제 3의 불로 사용할 수 있는 것도 중성자가 다른 원소의 핵을 파괴시킴으로써 에너지가 발생하기 때문입니다. 핵반응을 일으키는 부싯돌, 즉 매개체의 역할을 하는 것이 바로 중성자입니다.

간단히 요약해서 원자력이란 우라늄의 원자핵이 중성자를 받아들여 핵분열을 일으키고, 이 핵분열의 연쇄반응으로 얻어지는 엄청난 에너지를 말하는 것입니다. 이때 발생하는 열량은 일반 화학반응에 의한 것보다 월등히 많아, 석탄의 2천3백만배에 해당하는 에너지 효율을 가집니다. 우라늄 1g이 핵분열 시 낼 수 있는 에너지의 양이 어느 정도인지 살펴봅시다.

우라늄 1g에서 나오는 에너지는 무려 20조cal나 되는데, 이 열량이면 물 20만톤을 끓일 수 있습니다. 이는 3톤의 석탄이나 10드럼의 석유를 태우는 것과 맞먹으며,TNT폭약으로 치면 약 20톤에 해당하는 에너지입니다. 또 이것을 전력으로 환산하면 2만3천kWh가 됩니다. 이 핵분열반응을 필요한 만큼 천천히 진행시켜 발생되는 에너지량을 조절할 수 있도록 설계된 잔치가 원자로이고, 원자력발전소는 이 에너지를 이용하여 증기터빈을 돌려서 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 시설입니다.

이로써 지금까지 연료에 불을 붙여 에너지를 얻는 방식에서 탈피하여 금속인 우라늄의 원자핵 분열을 이용하여 에너지를 얻는, 이른바 ‘제3의 불’인 원자력의 시대가 시작된 것입니다.

3톤트럭에 가득 차는 분량의 석탄 대신 콩알 한 개도 안 되는 핵연료로 같은 양의 에너지를 얻게 되었으니, 원자력의 발견은 인류역사의 획기적인 전환점이 되었다고 할 수 있습니다. 그러나 위에서 말한 바와 같은 조절이나 에너지의 변환과정을 거치지 않고 백만분의 1초라는 극히 짧은 시간 동안 모든 핵분열이 일어나서 순식간에 대량의 에너지가 발생하는 현상을 핵폭발 이라고 하는데, 이러한 원리를 이용한 장치가 바로 핵폭탄입니다.

이처럼 원자력은 무공해의 깨끗한 에너지로 전기를 제공하고 방사선을 통해 여러 가지 질병을 치료하는 등 인류의 삶에 커다란 기여를 하기도 하지만, 한편으로는 인류를 파멸로 이끌 수도 이는 두 개의 얼굴을 지니고 있습니다.

그러나 원자력발전을 위한 핵연료와 핵무기를 만드는 원료는 같은 것이라 할지라도, 두 가지에는 분명한 차이점이 있습니다. 즉, 핵연료를 핵무기로 사용하기 위해서는 우라늄 235가 90%이상 되도록 농축을 해야 하고, 플루토늄도 플루토늄239가 90%이상 되는 순도를 가지도록 재처리해야 합니다. 우리나라와 같은 형식의 원자력발전소에서 사용하는 핵연료는 우라늄235가 약 2~4% 정도로만 농축된 것으로, 이 핵연료를 다 태운 후 발생하는 사용후핵연료를 재처리하여 얻어지는 플루토늄은 플루토늄 239가 약 60%정도라서 핵폭탄과 같은 무기를 만드는 데 사용하기는 불가능합니다. 핵무기용 플루토늄을 얻기 위해서는 특수한 원자로를 운영하고, 여기서 나오는 사용후핵연료를 재처리하는 과정을 반드시 거쳐야 합니다. 따라서 전기를 만들어내는 원자력발전소에서 사용되는 핵연료를 보고 핵무기를 연상하여 원자력에 대해 무조건 부정적으로 생각하는 것은 잘못된 것입니다. 오히려 원자력을 평화적으로 이용하여 미래의 에너지로 화용하는 것이 인류의 공통된 소망이며, 우리 모두의 과제라고 할 수 있습니다.

자료출처:원자력과 핵은 다른건가요? [이순영 저,도서출판 한세]www.khnp.co.kr