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핵분열 에너지

핵반응 에너지

劾反應 energy

원자력을 이용하기 위한 일련의 발명·발견은 주로 제2차 세계대전중에 이루어진 일이다. 불행하게도 그것은 우선 원자폭탄(原子爆彈)이라는 모습을 가지고 일반 사람들 앞에 나타나게 되었다.

1919년에 영국의 러더포드(E.Rutherford, 1871∼1937)가 원자핵을 변환시킬 수 있다는 것을 발견했다. 그는 공기 속의 질소의 원자핵에 α입자(α입자：입자와 양자는 각각 헬륨과 수소의 원자핵이다)가 충돌했을 때, 고속의 양자(陽子)가 생기고 동시에 질소의 원자핵은 산소의 원자핵으로 변하는 사실을 확인했다(〔그림〕－1의 a). 이것을 계기로 원자핵 변환(核反應) 실험이 여러 차례 행해져 온갖 핵반응 때에 드나드는 에너지의 크기를 알 수 있게 되었다. 그 값은 원자핵 1개당 대개 10만분의 1erg(數MeV, Ve：전자볼트：에너지의 단위) 정도이며, 원자 1개당 화학반응 과정에서 출입하는 에너지(數eV)의 100만 배나 되는 것이었다.

핵분열의 발견

核分裂－發見

어떤 원소가 스스로 방사능을 내뿜고 붕괴하는 것도 일종의 핵변환이다(〔그림〕－1의 b). 그러나 이러한 핵변환의 확률은 매우 적고 일정한 시간 내에 방출되는 에너지도 극히 적다. 그러나 1938년이 되어, 대단히 많은 원자핵을 거의 순간적으로 변환시켜, 거대한 에너지를 방출할 수 있는 가능성을 가진 핵반응이 발견되었다. 그것이 우라늄의 핵분열(核分裂)이다.

독일의 화학자 한(O. Hahn, 1879∼1968)과 슈트라스만(F. Strassmann 1902∼ ? )은 우라늄의 원자핵에 중성자(中性子：양자와 함께 원자핵을 구성하며 원자핵과 질량이 거의 같은 소립자)를 충격시켰을 때 원자량이 거의 반인 바륨(Ba)이 되는 것을 발견하였다(그 전 생각으로는 원자번호 93 이상인 초우라늄 원소가 되리라고 생각하고 있었다).

그들과 함께 실험을 하다가 이 발표 직전에 나치스 독일에서 망명한 오스트리아의 물리학자 마이트너(L. Meitner, 1878∼1968)와 그 조카 프리슈(O. R. Frisch, 1904∼ ? )는 이것을 우라늄 원자핵이 반쪽으로 분열되었기 때문이라고 설명했다.

다만 이러한 핵분열을 일으키는 것은 천연우라늄의 대부분을 차지하는 원자량 238(보다 정확하게 말하면 원자핵의 질량삭：양자삭＋중성자수)의 우라늄(우라늄238)이 아니라 그 안에 조금 포함된 원자량 235의 우라늄(우라늄235)이다(〔그림〕－1의 c).

핵분열의 특징의 하나는 다른 핵반응의 수십배의 에너지가 방출되는 일이다. 즉 1개의 우라늄 235의 원자핵 분열로 거의 1만분의 3erg(200MeV, 8×10­12Cal)의 에너지가 방출된다.

우라늄 1g에는 약 3×1021개의 원자가 함유되어 있으므로 1g의 우라늄 덩어리가 전부 분열한다면 2000만 kacl의 에너지가 발생한다. 이것은 석탄 3t을 연소시켰을 때의 열량과 같으며, 200t의 물을 0℃에서 100℃로 끓일 수가 있다.

핵분열의 연쇄반응

核分裂－連鎖反應

분열 직후의 원자핵 파편은 대단히 불안정하여, 안정된 보다 다른 원자핵으로 변하는데, 이 때 대개 2∼3개의 중성자(中性子)를 방출한다. 이것이 핵분열의 또 하나의 특징이다. 이 중성자가 분열성 물질의 원자핵에 충돌하여 재차 핵분열을 일으키면 또 중성자가 나온다. 이와 같이 계속적인 핵분열이 가능하도록 연구하면 단시간 내에 차례차례 핵분열이 진행된다. 이것이 연쇄반응(連鎖反應)이다.

우라늄235나 우라늄238로 만든 인공원소 플루토늄(Pu)의 원자핵 1개의 분열로 생기는 중성자의 수는 평균 2.5개이다. 그 중에는 다음 핵분열을 일으키지 않고 다른 원자핵 안에 흡수되어 버리는 것도 있다. 우라늄238은 핵분열을 일으키는 일도 있으나, 이러한 흡수가 많기 때문에 연쇄반응을 일으키지는 않는다. 흡수되지 않고 재차 핵분열(核分裂)을 일으키는 데에 쓰이는 중성자가 평균 1개 이상이면 중성자의 수는 점점 늘어나서 연쇄반응을 일으키게 된다.

연쇄반응의 임계량

連鎖反應－臨界量

어떤 장소에서 발생한 중성자가 핵분열을 일으키기 전에 원자연료(우라늄235나 플루토늄 등) 덩어리 밖으로 이탈하면 연쇄반응이 일어나지 않는다. 따라서 원자연료 덩어리는 아무래도 어느 값 이상의 크기를 유지하지 않으면 안 된다. 그러한 한계적인 원자연료 양이 임계량(臨界量)이다. 원자폭탄으로서의 원자연료의 임계량은 구형(球形)의 경우 1.5∼10kg이라 한다.

원자연료의 주위를 베릴륨(Be)처럼 중성자를 잘 반사시키는 재료(反射材)로 둘러싸면 임계량을 줄일 수가 있다. 또 임계량은 압력에 따라 변하며, 폭발에 따라 강한 압력이 연료에 가해지면 임계량을 4분의 1 정도로 줄게 한다. 원자연료를 점화(點火)하려면 그것을 임계량 이상의 1개의 덩어리로 만들면 된다. 우주선(宇宙線) 중의 중성자나 자연 핵분열에 의한 중성자가 연쇄반응의 동기가 된다. 원자폭탄의 경우에는 각각 임계량 이하의 몇 개의 덩어리로 떼어놓고, 예를 들면 보통의 화약폭발을 이용하여 이들을 갑자기 한군데에 모아 임계량 이상의 덩어리로 폭발시킨다.

원자력의 이용

원자폭탄

原子爆彈

핵분열을 이용한 원자력의 가장 초보적인 응용은 핵폭발(核爆發)이다. 그것은 핵분열의 연쇄반응을 광범위하게 순간적으로 일어나게 하는 것이다. 핵분열과 그로 인한 중성자의 방출은 극히 단시간(100만분의 1초 정도)에 끝나므로 결과로서 폭발이 생기는 것이다.

예를 들면 1kg의 우라늄235가 완전히 폭발하면 현재 가장 강력한 화약인 TNT(트리니트로톨루엔) 2만t에 필적하는 에너지가 발생한다. 원자폭탄은 이와 같은 강력함과 그에 따라 발생되는 고온도가스(화구중심의 온도는 10억도라 한다), 방사열과 폭풍(爆風), 그리고 그 뒤에 남는 방사선(放射線)에 따라 처참(妻慘))하고 위력 있는 병기(兵器)가 되었다.

원자폭탄에는 원자연료의 종류에 따라 우라늄폭탄(일본 히로시마에 떨어진 것과 같은 형)과 플로토늄폭탄(일본 나가사키에 떨어진 것과 같은 형)의 두가지가 있다(〔그림〕-2).

핵폭발을 평화목적에 이용하려는 연구도 점차 추진되고 있다. 현재 운하(運河)의 굴착이나 석탄·석유·천연가스 등의 지하자원 개발이 유력한 용도(用途)로 지목되고 있다. 또 원자로(原子爐)에서 얻어지는, 훨씬 강한 중성자속(中性子束)을 얻을 수 있어 초우라늄 원소(플루토늄은 그 한가지이다)의 제조 등의 과학 연구에 쓰이고 있다. 그러나 핵폭발에 뒤따르는 잔존(殘存) 방사능에 대한 대책 등 큰 문제가 미해결로 남아 있다.

원자로

原子爐 이에 대하여, 반응속도를 제어(制御)하면서 연쇄반응을 일으키는 것이 원자로이다. 연쇄반응과 그 제어는 1942년 12월에 페르미(E. Fermi, 1901∼1954) 등에 의해 미국 시카고대학에서 비로소 실현되었다. 원자로 속에서의 핵반응열은 밖으로 끌어내어 이용할 수가 있다.

이 열을 석탄이나 석유의 연소열 대신으로 사용하여 발전기를 돌리는 것이 원자력발전(原子力發電)이다. 원자로의 이용법으로서는 그 밖에 방사성동위원소(放射性同位元素)의 생산, 중성자선속(中性子線束)의 과학 연구와 의료 사업에 대한 이용, 원자연료인 플루토늄239나 우라늄233의 생산 등이 있다.

방사성동위원소의 이용

放射性同位元素－利用

인공핵변환이 가능해진 다음부터 방사능을 가진 동위원소(RI：radio­isotope)를 만들게 되었다. 천연의 안정된 동위원소를 원자로 내의 느린 중성자로 조사(照射)시키면 코발트60 등의 방사성동위원소가 대량으로 얻어진다. 방사성동위원소는 그 밖에도 핵분열의 생성물로서 원자로의 재 속에서 분리되거나(옥소131, 스트론톰90 등), 사이클로트론(cyclotron) 같은 가속기로 가속된 양자나 중양자(重陽子)를 핵반응시켜서 만든다.

방사성동위원소는 의료·농업·공업·기초연구 등의 분야에서 널리 쓰이고 있다. 그 이용법을 대별하면 방사선 원(源)으로서의 이용과 트레이서(tracer)로서의 이용이 있다.

방사선원으로서의 이용

( 放射線源－利用)    β선이나 γ선의 투과력이 강하고, 그것이 물질에 따라 다르며 물질의 두께에 비례하는 성질을 이용한다. 필름에 비추거나(라디오그래피) 가이거계수관(Geiger 計數管)으로 그 강도를 정량적으로 재거나 한다. 질병의 진단·금속 등의 탐상(探傷：非破壞檢査)(〔그림〕－3), 금속·종이·도금(鍍金) 등의 두께 계측기·고압 용기(容器)내의 액면계(液面計)나 유량계(流量計)·중성자를 사용한 수분계(水分計) 등은 공업적으로 널리 실용되고 있다(〔그림〕－4). β선을 사용한 원자력전지도 연구되고 있다. 출력은 작고 방사능의 위험성은 있지만, 적은 연료(방사성동위원소)로 반영구적(半永久的)으로 작용(作用)하기 때문에 무인등대(無人燈臺)나 우용(宇宙用) 등으로 사용된다(〔표〕－1). 방사선의 전리작용이 생체에 미치는 영향을 이용하여 암(癌) 등의 치료를 하고 있다. 품종개량이나 식품조사(食品照射)에 의한 발아방지(發芽防止) 등 농업 분야의 이용도 이와 같은 원리를 이용한 것이다. 또 고분자화학에서는 방사성동위원소를 사용하여 중합(重合)이나 가교(架橋)·분해 등의 화학반응을 일으켜 새로운 재료의 개발·품질개량을 시도하고 있다.

 

〔표〕-1  원자력전지의 보기
	SNAP-7B	SNAP-9A	SNAP-29
출력(W) 수명(년) 연료 용도	60 10 Sr90 등대의 광원용	25 5 Pu239 항해위성용	400 0.4 Po210 우주용

트레이서로서의 이용

tracer－利用

인정된 원소와 그 방사성의 동위체(同位體)의 화학적 성질이 같은 것을 이용하여, 생물이나 기계 등의 복잡한 시스템이나 자연현상 중에서 물질의 움직임이나 작용을 살피는 것이 트레이서(追跡子)로서의 방사성동위원소의 이용이다. 예를 들면 비료(肥料) 속에 방사성동위원소를 넣어 그 흡수 과정을 살피거나, 바다 속에서의 토사(土砂)의 움직임을 추적하거나, 혈액의 순환을 조사하거나, 종양(腫瘍)의 유무를 진단하거나 한다. 이러한 용도는 무한히 많다. 또 매우 적은 방사능도 검출할 수 있어, 어떤 원소의 존재 유무를 초미량(超微量)으로도 알 수가 있다.

예컨대 10­19g(1조분의 1g의 1000만분의 1)의 방사성 나트륨(Na)의 검출도 가능하다. 이것을 이용하여 유독물질(有毒物質)의 누출(漏出)을 검출하거나 품질검사를 하거나 한다.

원자연료

천연우라늄

天然 uranium

핵분열의 연쇄반응을 하는 물질은 천연물질로는 우라늄(U)과 토륨(Th)밖에 없다. 앞서 말한 것처럼 천연우라늄은 우라늄238(99.3%)과 우라늄235(0.7%)의 두 동위원소로 되어 있다. 그 중 핵분열 연쇄반응을 일으키는 것은 우라늄235뿐이다. 더구나 우라늄238은 핵분열로 생긴 중성자(中性子)를 잡아서 흡수해 버리므로 도리어 연쇄반응의 방해가 되는 것이다.

원자 핵반응의 확률은 중성자의 속도(에너지)에 따라 크게 변화한다. 중성자의 에너지가 작아질수록 우라늄235의 핵분열의 확률은 커진다(〔그림〕－5). 실온(室溫)에서의 열운동에너지(약 0.025 eV)밖에 가지 않는 중성자(熱中性子)에서는 우라늄235의 핵분열 확률이 우라늄238에 의한 포획(捕獲)의 확률의 수천배이다.

이런 성질을 이용하면 중성자가 우라늄238에 흡수되기 전에 적당한 방법으로 감속(減速)시키고 천연우라늄을 사용하여 연쇄반응을 일으킬 수 있다.

농축우라늄

濃縮 uranium

천연우라늄 중의 우라늄238의 비율을 줄이고 우라늄235의 비율을 늘인 것이 농축우라늄이다. 원자로의 형식에 따라 5% 또는 20% 정도의 저농축우라늄이나 90% 정도의 고농축우라늄이 사용된다. 원자폭탄에는 순도가 높은 우라늄235(85% 이상)가 필요하다. 농축우라늄을 사용하면 흡수되어 버리는 중성자의 비율이 적어지므로 원자로 속의 다른 재료의 선택이나 설계가 쉬워진다. 그러나 농축하는 데는 막대한 전력과 비용이 들고 많은 천연우라늄이 허비되는 것이다.

우라늄의 농축이 곤란한 것은 우라늄235와 우라늄238의 화학적인 성질이 같기 때문에, 겨우 1.3%의 원자의 무게의 차이를 이용하여 물리적 방법으로 그것들을 분리하는 수밖에 없는 까닭이다. 그 방법으로는 다음과 같은 것이 있다.

가스확산법

gas 擴散法

우라늄을 기체 화합물(6불화우라늄)로 만들어 다공성(多孔性) 벽을 통해서 내뿜으면 가벼운 기체가 먼저 나오고, 무거운 기체가 뒤에 남는 성질이 있다. 몇 단계든 같은 일을 되풀이하면 차차 성분이 분리된다(〔그림〕－6).

열확산법

熱擴散法

우라늄을 액체의 화합물로서 동심원통상(同心圓筒狀)의 용기 사이에 넣는다. 안쪽을 덥게 하고 바깥 쪽을 차게 해 두면 대류(對流)가 생김과 동시에 가벼운 성분은 고온쪽에, 무거운 성분은 저온쪽에 모인다.

원심력법

遠心力法

우라늄의 기체 화합물을 원심분리기(遠心分離機)에 넣고 고속회전에 의한 커다란 원심력을 작용시키면 가벼운 분자는 회전축 가까이에, 무거운 분자는 회전축에서 먼 곳에 모인다.

전자법

電磁法

기체의 우라늄 화합물에 전자를 방사(放射)하여, 전하를 띤 이온을 만들고 전장(電場) 작용으로 그것을 다르게 해 두어, 자장(磁場)에 따른 굴곡법이 질량에 따라 다른 것을 이용해서 분리한다.

플루토늄239와 우라늄233

plutonium239­uranium233원자연료로 이용되는 것이 천연우라늄 중의 불과 0.7%인 우라늄235뿐이라면 우라늄 자원은 곧 바닥이 드러나버리고 석유나 석탄의 대용이 되지 못할 것이다. 다행하게도 천연 우라늄의 99.3%를 차지하는 우라늄238로 다른 원자연료를 만들어 낼 수가 있다. 우라늄238이 원자로(原子爐) 속에서 중성자를 흡수하면플루토늄239가 생긴다. 또 토륨(천연물질로는 토륨232가 100%)이 중성자를 흡수하면, 마찬가지로 핵분열 연쇄반응을 하는 우라늄233이 된다. 이들 물질은 특수한 원자로(플루토늄 생산로나 증식로 등)로 만들어 내어지거나, 이미 사용된 원자연료에서 분리된다.

연료의 재처리

燃料－再處理

사용을 마친 연료봉(燃料棒) 중에는 상당량의 분열성 물질(미연소 우라늄이나 생성된 플루토늄239)이 포함되어 있다. 이것들을 분리해, 분열성 물질을 회수하고, 이것을 가공하여 재차 연료로 만드는 것이 연료의 재처리이다.

핵융합반응의 에너지 이용

핵융합반응

核融合反應

수소(H)나 리튬(Li) 등의 가벼운 원소의 원자핵이 융합하여 무거운 원자핵을 만들 때에도 반응이 연쇄적으로 일어나며, 한꺼번에 대량의 에너지가 방출된다. 이런 종류의 반응을 핵융합(核融合)이라 부르고 있다.

원자핵끼리의 사이에 작용하는 전기적인 반발력을 이기고 핵을 융합시키려면, 두 원자핵을 굉장한 고속으로 충돌시키지 않으면 안 된다. 원자핵의 평균속도는 대단한 고온 중에서 비로소 이 조건에 맞을 만큼 커진다.

예를 들면 중수소핵(重陽子)끼리를 융합시키려면 적어도 4억도의 온도를 몇 초 동안 지속해야만 한다. 일단 융합반응이 일어나면, 발생한 열로 이 온도가 유지되기 때문에, 핵융합은 연쇄적으로 진행된다. 그 때문에 핵융합반응은 열핵반응(熱核反應)이라 부르기도 한다(〔그림〕－7).

수소폭탄

水素爆彈

10억℃ 가까운 고온을 만들어 내는 수단의 하나로서 원자폭탄이 있다(단, 이 방법으로는 핵융합 에너지를 제어하면서 이용할 수가 없다). 우라늄(U)이나 플루토늄(Pu) 원자폭탄 위를 중수소화리튬으로 둘러싼 것은 리튬수소폭탄이라고 부른다.

원자폭탄에서 나온 중성자가 리튬원자핵과 충돌하여 이것을 3중수소핵과 헬륨원자핵으로 분열시켜, 3중수소핵이 중수소핵과 충동함으로써 핵융합(核融合)하여 헬륨원자핵을 만듦과 동시에 중성자(中性子)를 내어 커다란 에너지(energy)를 방출(放出)시킨다(〔그림〕－8, 9).

리튬 수소폭탄 주위(周圍)를 다시 천연우라늄으로 둘러싸면 천연우라늄의 핵분열도 이용할 수 있으며, 더욱이 다량의 죽음의 재를 뿌리게 된다. 이러한 3중 구조의 우라늄수소폭탄이 수폭(水爆)이라 불리는 3F폭탄이다. 핵융합 물질은 핵분열 물질에 비해 흔한 재료로 만들어지기 때문에 대형폭탄을 많이 만들 수가 있다. 수소폭탄이 나온 뒤로 에너지를 표시하는 데는 메가(TNT 100만t)라는 단위를 사용하지 않으면 안 되게 되었다.

1954년 3월, 비키니(Bikini)의 환초(環礁)에서 실험된 미국의 수폭은 17메가급이라고 하는데, 이것은 제2차 세계대전의 6년 동안에 전세계에서 소비한 폭약의 3배 반에 해당한다. 이와 같은 핵병기(核兵器)가 온 세계에 4만5,000Met(1인당 15t)이나 저장되어 있다.

핵융합의 평화적 이용

核融合－平和的利用

핵융합 반응을 제어하는 데는 우선 제한된 용기 안에서 적어도 수천만 도의 온도를 지속시켜야 한다. 이런 고온에 견디는 물질은 없으나 다음과 같은 방법이 가능하다(〔그림〕－10). 기체의 중수소를 고온으로 가열하면 10만도 정도의 온도에서 원자핵과 전자가 기체처럼 되어 따로따로 분리된 플라스마(plasma) 상태가 생긴다. 이것을 몇십만 A의 대전류가 흐르는 진공용기 속에 넣으면 전류의 자기작용에 따라 플라스마를 압축하여 가늘게 하는 자기력이 작용하며, 그로 인해 플라스마가 용기의 벽에 직접 접촉하지 않게 된다.

이것이 핀치효과(pintch效果)라고 불리는 것이며, 동시에 플라스마의 온도는 급상승한다. 이와 같은 진공용기를 자기병(磁氣甁)이라고도 부르며, 1950년대부터 많이 연구되었다.

자기병의 바깥쪽에 전자석을 놓고 자장을 만드는 당초의 방법과는 달리 자기병 내부에 전류를 흘리는 방법이 고안되어 플라스마의 안정성이 높아지고 용기의 누출(漏出)도 적어지는 것이 밝혀져 핵융합발전(核融合發電)의 가능성에 대한 하나의 밝은 전망이 생겼다.

그러나 플라스마가 나타내는 여러 가지 성질은 복잡하여 아직도 해결해야만 할 문제들이 산적(山積)되어 있다. 현재 도달되어 있는 것은 수백만 도의 온도를 수백만분의 1초 동안 유지시키는 정도에 지나지 않는 것이다. 그러나 핵융합의 연료로 되는 중수소(重水素)는 바닷물 속에 0.015%가 포함되어 있어 바닷물 1ℓ는 가솔린 300ℓ에 해당하는 에너지원이 된다. 매초에 3ℓ의 바닷물을 쓰는 융합로(融合爐)는 300만 ㎾의 전력을 발전한다. 핵융합발전이 가능해지면 에너지자원의 문제는 단번에 해결된다고 할 수 있다.

또 융합반응에서는 죽음의 재는 없으므로 방사성 폐기물로 고민할 필요도 없다. 21세기에는 핵융합발전로(核融合發電爐)가 실용화되어 1㎾당 발전원가도 현재의 화력·원자력보다 2∼3분의 1로 내려갈 것으로 예상(豫想)하고 있다.