사진 출처: blastr.com

지난 4월 말에 ‘어벤져스 2’가 개봉되면서 전국이 떠들썩했습니다. 히어로들이 전 세계를 배경으로 펼치는 블록버스터급 액션과 스토리의 스케일, 그리고 간간이 나오는 서울 도심의 모습은 우리를 흥분시켰습니다. 어벤져스의 많은 주인공들 중 단연 돋보이는 영웅은 바로 아이언맨이 아닐 수 없습니다. 그의 가슴에서 푸르게 빛나는 아크 원자로는 아이언맨 슈트의 요구를 만족시키기에 충분한 에너지를 공급합니다. 그렇다면 아크 원자로도 원자력 발전소처럼 폭발할 수 있는 건지 의문이 들 수밖에 없습니다. 만약 그렇다면 아이언맨은 날아다니는 원자폭탄이 될 것입니다. 아크 원자로도 보통의 원자로와 똑같이 작동되는 걸까요?

정답은 ‘아니다’입니다. 저번 칼럼에서 핵분열에 대해 말씀드린 바 있습니다. 핵이 쪼개지면서 우리가 쓸 에너지를 만드는 게 핵분열이라면, 아크 원자로의 원리인 핵융합은 반대로 원자핵을 합쳐가면서 에너지를 만드는 것입니다. 원자력 특집의 마지막 칼럼이기도 한 이번 칼럼에서는 핵융합에 대해 다뤄 보려고 합니다.

(▲ 밤하늘에 떠 있는 별들은 전부 다 핵융합으로 빛을 냅니다.)

사진 출처: pixabay.com

핵융합은 우리 주변에서, 365일 24시간 우리와 함께합니다. 무슨 소리인지 모르겠다고요? 우리 주변에 365일, 24시간 매일 핵융합하는 것 중에서 몇가지를 꼽자면 하늘에 떠 있는 태양과 별이 있습니다. 태양과 별의 주 연료는 수소나 헬륨과 같은 가벼운 원소들입니다. 이런 원소들은 양성자가 한두 개밖에 없기 때문에, 핵융합을 잘 일으킵니다. 친구가 몇 명 없다보니 외로움을 느끼는 것입니다. 그래서 친구들을 만들기 위해 서로 원자핵들을 합칩니다. 더 이상 외로움을 타지 않고 안정해진 원자핵들은 열의 형태로 에너지를 제공합니다. 핵융합에 주로 이용되는 연료인 수소는 바닷물에 널려 있습니다. 수소 1g를 뽑아 핵융합을 시키면 컵라면 4500여 개를 한 번에 끓일 수 있는 에너지가 나오니, 놀라운 에너지원이 아닐 수 없습니다. 토니 스타크가 아이언맨을 핵융합으로 작동시키는 이유를 알게 해 주는 부분입니다.

다시 처음에 나온 의문으로 돌아가 보겠습니다. 핵융합은 왜 원자폭탄처럼 터질 수 없는 것일까요? 그 이유는 핵융합은 ‘작동시키기도 어렵기’ 때문입니다. 핵분열의 경우, 우라늄과 같은 연료들이 알아서 분열합니다. 원자력 발전소에서 하는 것은 알아서 분열하는 우라늄 덩어리를 잘 제어하는 것입니다. 발전소가 폭발하는 것은 이 제어 과정에서 문제가 발생했기 때문입니다. 제어가 되지 않아 핵분열이 멈출 수 없는 기관차처럼 폭주하면서 엄청난 에너지를 방출하다가 결국 원자로가 터지는 것입니다. 반대로, 핵융합은 원자핵 둘을 서로 붙여야 일어납니다. 그런데 붙이는 과정이 쉽지 않습니다. 애초에 원자핵이 붙어있었던 핵분열과는 달리, 핵융합에선 원자핵을 붙이기 위해 계속해서 큰 에너지를 투입해야 합니다. 결국, 문제가 생겨서 에너지 투입이 중단되면 핵융합도 자동으로 멈추게 됩니다. 당연히 폭발의 가능성도 없습니다.

▲원자핵을 합치는 과정은 만화영화처럼 쉽지는 않습니다.

사진 출처 미상

핵융합 과정에서는 핵분열처럼 위험한 방사선이 나오지도 않습니다. 에너지 효율도 높고, 위험성도 적은 데다가 폐기물도 없어 환경 문제도 없으니, 미래의 에너지원으로 상당히 좋아 보입니다. 하지만, 핵융합은 아직 연구 단계에 머물러 있습니다. 핵융합이 일어나는 플라즈마의 온도는 수 억℃로, 태양의 온도를 훨씬 능가합니다. 그만큼 다루기 어려운 물질인데다가, 유지되는 시간 또한 수 초에 불과해 상용화하기에는 어려움이 많이 있습니다.

이런 문제를 풀어나가기 위해, 현재 우리나라를 비롯한 여러 나라들이 핵융합 연구에 참여하고 있습니다. 우리나라의 경우, 카이스트 옆에 있는 국가핵융합연구소에 KSTAR라는 연구용 핵융합로가 있습니다. 1995년부터 개발하기 시작해서 2007년에 완공하였으며, 개발비만 총 4000억 원이 들어간, 건국 이래 최대 개발비가 투입된 사업 입니다. 또한, 우리나라를 비롯한 6개 국가와 유럽연합이 협동하여 짓고 있는 핵 융합로도 있습니다. ITER이라고 하는 초대형 핵융합로로, 현재 프랑스 카다라시 지방에 짓고 있습니다. 눈여겨볼 점은, ITER의 설계와 KSTAR의 설계가 근본적으로 같다는 것입니다. 이는 우리나라의 기술 수준이 세계적인 수준이라는 의미로도 받아들일 수 있습니다. 자원이 부족한 우리 나라는 핵연료나 화석 연료를 비롯한 대부분의 연료를 외국에서 수입해 사용합니다. 에너지에 대한 외부 의존도가 높은 만큼, 핵융합 연구는 우리나라에게 더욱 절실한 연구로 다가옵니다. 하루빨리 핵융합 기술이 상용화되어, 핵융합을 통해 에너지 문제로부터 벗어날 수 있는 날이 오기를 기대합니다.

(▲ 현재 국가핵융합연구소(NFRI)에서 연구중인 KSTAR 전경)

사진 출처: iter.org

오늘의 총정리!

– 핵융합은 원자핵 두 개가 합쳐지는 과정이다. 이 과정에서 에너지가 나온다.

– 핵융합 반응은 계속 에너지를 공급해야 하므로, 폭발할 일이 없다.

– 우리나라를 비롯한 많은 나라들이 핵융합을 연구하고 있다.

더 알아보기 | 상온 핵융합과 아크 원자로

  1989년 미국의 과학자인 마틴 플라이슈만과 스탠리 폰즈는 팔라듐 전극을 이용해 중수를 전기분해하는 과정에서 핵융합에 성공했다고 발표합니다. 두 과학자가 시도했던 방법은 기존의 방법처럼 수억 ℃까지 온도를 높이지 않아도 되기 때문에 ‘상온 핵융합’으로 불립니다. 이 연구는 에너지 문제의 해법이라는 타이틀을 타면서 언론을 통해 크게 알려지게 되고, 많은 과학자들이 실험을 재현해 보고자 팔라듐을 사들이게 됩니다. 하지만 실험을 재현하던 모든 연구팀이 시도가 실패로 돌아가, 결국 이 사건은 하나의 해프닝으로 끝나고 맙니다. 그러나, 일부 과학자들은 희망을 버리지 않고 현재까지 상온 핵융합 연구를 진행 중에 있습니다. 학회 또한 에너지 문제에 대한 열린 자세라는 의미로, 제한적으로나마 관심을 보이고 있습니다. 개인적 생각으로는, 당시 큰 사회적 파장이 되었던 것의 영향을 받아, 아이언맨의 아크 원자로가 ‘팔라듐’을 사용하는 것은 아닌가 하는 생각이 듭니다.

더 알아보기 | 핵융합, 핵분열과 E=mc²

 

어디선가 많이 들어보았을 아인슈타인의 상대성이론 공식 E=mc²의 정확한 명칭은 ‘질량-에너지 등가 원리’ 식입니다. E는 에너지, m은 물질의 질량이고, c²는 빛의 속도의 제곱입니다. 이 식이 사용되는 곳이 바로 핵반응입니다. 핵융합이나 핵분열 과정에서는 반응 전후 질량의 차이가 발생하는데, 그 질량에 빛의 속도의 제곱을 곱한 것만큼 에너지가 나온다는 것이 이 식의 의미입니다. 여기서 주목할 것은 c²의 크기입니다. 흔히 빛의 속도를 비유할 때, 지구를 1초에 7바퀴 반 돈다고 합니다. 수치로 나타내면 299,792,458m/s 정도입니다. 이것을 제곱하면, 아무리 물질의 질량(m)이 작다고 해도 나오는 에너지의 양(E)는 적잖이 큰 숫자가 됩니다. 이것이 핵반응에서 큰 에너지가 나오는 이유입니다.

수완뉴스 권동현  칼럼니스트([email protected] )​

​(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.

안녕하세요! ‘과학, 조근조근 읽어줄 남자’를 통해서 여러분들을 만나뵐  카이스트에 재학중인 권동현입니다. 사실 글을 쓰기 이전에, 저도 이 칼럼에 어떤 주제로  무슨 글을 작성해야될지 아직 고민 중에 있습니다.  하지만 어떤 주제를 하던지 제일 중요한 것은 기초이기이기에, 첫 글은 과학의 전반적인 것에 대해 작성해볼려고 합니다.  아까 말했듯이 제일중요한것은 기초이기에 전반적인 부분에 대해서 말을 한다고 해도, 일단 과학이 무엇이고, 과학은 어디에서 시작해서 어디까지 왔는지에 대해 다뤄보려고 합니다. 과학이라는 자체가 여러분들에게 흥미가 없는 주제이고, 저 역시 아직 글쏨씨가 부족하기에 여러분들이 읽기에 불편할 수 있습니다. 하지만 최대한 심혈을 기우려서, 이 글을 통해 여러분들이 과학에 대해 흥미를 갖게 되도록 노력하여 작성하였습니다.  아직 부족한 점이 많습니다. 혹시 이 글을 읽다가 틀린 부분이나 논란이 될 만한 부분을 보신다면 주저 말고 [email protected]로 연락주세요! 혹은 궁금한 점이 있다면 언제든지 보내셔도 상관없습니다. 여러분의 질문과 피드백을 환영합니다 🙂

어떠한 누군가가 당신에게 ‘과학을 하면 무엇이 떠오릅니까?”라고 질문을 하면, 여러분들은 가장 먼저  우리들 주변에 있는 과학기술들을 생각할 것 입니다. 지금 이 글 보는 이 순간에도 여러분들은 과학의 산물인 컴퓨터나 스마트폰으로 이용하고 있을 것이입니다. 또 다른 분들은 작년 11월 개봉한 영화 ‘인터스텔라’를 떠올릴 것입니다. 어떤 분들은 과학이라고 말하면 교과서나 학문을 떠올리는 경우도 많을 것입니다. 이렇게 다양한 것으로 떠올리는 과학이 처음부터 지금과 같이 최첨단의 기술을 상징하였을까요? 아닙니다. 과학은 처음부터 현재 시대의 최첨단은 아니었습니다.

우리 생활에 과학이 이렇게 깊숙이 들어온 건 몇백 년 되지 않은 이야기입니다(굳이 추측해본다면 산업 혁명 즈음일 것이라고 예상해 봅니다). 우리나라에서도 조선시대로 돌아가면 혼천의나 앙부일구가 최첨단 천문학의 산물이었습니다. 그렇다면 과학은 어디서 출발한 것일까요? 이는 기원전에서 그 답을 찾을 수 있습니다.

단도직입적으로 말하면 과학의 시초는 철학입니다. 탈레스나 아리스토텔레스 같은 그리스의 철학자들부터, 기타 다양한 사람들까지 자연의 근본이 무엇인지 생각하는 과정이 과학의 시초이며, 그걸 생각한 사람들이 초기 과학자의 모습입니다. 사실 이때 사람들이 자연이 아니고 인간을 탐구했다면, 그것은 우리가 소위 말하는 ‘문과 과목’들의 시초입니다. 사진처럼 처음에 어떤 것을 생각했는가에 따라 다른 것으로 나뉠 뿐 그 시작은 모두 같다고 할 수 있습니다(‘사회과학’이라는 말이 어색하지 않은 것도 이 때문입니다. ‘과학’이라는 말은 탐구라는 포괄적인 개념을 함유한 단어이니까요. 제가 작성하는 과학 칼럼은 정확히 말하면 ‘자연과학’ 칼럼입니다.)

이 칼럼에서 다룰 과학인 ‘자연과학’의 구조를 좀 더 살펴볼까요? 우선 자연의 근본을 다루는 물리학, 자연의 변화를 다루는 화학, 생명체를 다루는 생명과학, 그리고 제일 큰 범위인 지구와 우주를 다루는 지구과학(천문학) 등이 있을 꺼에요. 이것들의 세부적인 내용은 나중에 더 설명하도록 할께요. 여기에 논리와 숫자에 대한 탐구인 수학(수리과학)을 포함시키기도 한답니다. 이것들은 따로 존재하지 않습니다. 자연에는 하나의 원리가 존재하고, 우리가 어느 것에 초점을 맞추는가에 따라 물리학, 생물학 등의 이름으로 달리 불리는 것입니다. 절대 상황에 따라 다른 자연의 원리가 적용되는 것이 아니라는 것, 이번 칼럼에서는 이런 점을 알고 가셨으면 해요. ‘과학 이론’은 단지 자연의 원리를 정리해 둔 것뿐이랍니다. 이것을 알고 있다면, 더 이상 과학을 암기 과목으로 생각하지 않아도 될 것입니다.

제가  이 글을 통해서 과학의 장편적인 모습 중  기초적인 지식들을 여러분들에게 알려드렸는데, 너무 어려운 부분이라 더 깊숙하게 들어가면 여러분들도 더 헷갈려 할 것같아서 글을 그만 줄이려고 합니다. 2화는 6월달 중에 올릴 예정입니다. 그때에는 지금과 같이 어렵고 딱딱한것이 아닌 재미있는 소재로 찾아뵙겠습니다~