"친구들과 이야기하는 원자력 안전" 1. 원자력이란?

(*원자력이 무엇인가부터 시작합니다. 내용이 길고 재미가 별로 없으나, 원자력 안전을 이야기하기 위해 필요한 최소한의 지식입니다. 첨부된 그림과 함께 보시면 이해하기 쉬울 것입니다.)

[원자력에는 핵분열에너지, 핵융합에너지, 방사능이 있습니다.]

‘원자력’(Atomic Energy)은 ‘원자핵(뒤에 다시 설명할게요)이 다른 종류로 변환되면서 발생하는 에너지’로서, ‘원자핵에너지’(Nuclear Energy) 또는 더 단순하게 ‘핵에너지’라고도 합니다.

원자력은 아인슈타인이 1905년 발표한 ‘특수 상대성 이론’(Special Theory of Relativity)과 관계가 있습니다. 이에 따르면 물질과 에너지가 서로 변환 가능하고, [에너지]=[질량]x[광속(빛의 속도)의 제곱]의 관계가 성립합니다. 페북에서 수식 표현이 자유롭지 않은데, E = mc² 정도로 표현할 수 있을까요? 아인슈타인 관련 사진이나 그림에서 많이 보셨을 겁니다. 아이들의 집중력이 좋아지게 한다는 ‘엠씨스퀘어’도 여기에서 비롯되었겠지요?(저는 사주지 않았습니다만...) 단 1 그램(g)의 질량만 완전히 소멸하여 에너지로 변환되더라도 무려 90조 주울(J) 또는 2,500만 kWh가 생성되는데, 이는 100만kW (1,000MW) 용량의 발전소가 25시간 생산하는 전기의 양과 같습니다.

원자력을 말할 때 보통 ‘핵분열’과 ‘핵융합’만을 이야기하지만, 실제로는 한 가지가 더 있다는 것을 기억하면 좋겠습니다.

- ‘핵분열’(Nuclear Fission) 반응: 우라늄과 같이 무거운 원자핵이 가벼운 원자핵들로 쪼개지면서 질량이 줄어들고 에너지가 방출되는 것

- ‘핵융합’(Nuclear Fusion) 반응: 수소와 같이 가벼운 원자핵들이 결합되어 무거운 원자핵으로 되면서 질량이 줄어들고 에너지가 방출되는 것

- ‘방사성 붕괴’(Radioactive Decay): 방사성물질(방사능을 지닌 물질)의 불안정한 원자핵이 에너지를 지닌 방사선(Radiation)을 방출하는 현상

세 가지 반응에 대해서는 뒤에서 좀더 다루기로 하고, 먼저 이용 현황을 소개합니다. 현재 핵분열은 원자력발전소와 원자폭탄뿐만 아니라, 연구용원자로, 잠수함, 항공모함, 쇄빙선 등에서 광범위하게 이용하고 있습니다. 핵융합은 태양을 비롯한 항성들의 에너지원이며, 지구상에서도 핵융합을 이용한 수소폭탄이 1950년대 초에 개발되었으나, 에너지 생산을 위한 핵융합 원자로의 개발은 아직 진행 중입니다. 방사능 또는 방사선은 의학적, 농학적, 공학적으로 다양하게 사용되고 있고, 먼 거리를 탐사하는 우주선들의 에너지원으로서도 널리 사용됩니다.

[간단한 원자 모델을 알면 원자력을 이해하기 쉽습니다.]

모든 물질은 ‘원자’(Atom)들로 이루어져 있습니다. 쿼크같은 복잡한 소립자 이론을 피하면서 최대한 간단하게 원자를 설명합니다. 원자는 중심부의 ‘원자핵’(Nucleus)과 그 주위를 초고속으로 도는 ‘전자’(Electron)들로 구성됩니다. 그런데 원자핵의 크기는 원자에 비해 매우 작아서 흔히 큰 축구경기장(원자)과 축구공(원자핵)으로 비유하지요. 원자핵은 양전기를 띠는 ‘양성자’(Proton)들과 전기적으로 중성인 ‘중성자’(Neutron)들이 강한 ‘핵력’으로 결합되어 있습니다. 양성자와 중성자는 질량이 거의 같고, 전자는 그들의 약 1/1,800 수준으로 훨씬 가볍습니다. 따라서 원자에서 매우 작은 체적을 차지하는 원자핵이 질량은 거의 대부분을 차지합니다. 한편 양성자는 양(+)의 전기를 전자는 음(-)의 전기를 띠고 있는데, 그 크기가 같습니다. 일반적인 상태의 원자는 양성자의 수와 전자의 수가 같으므로 전기적으로 중성입니다.

우리는 흔히 수소-1, 수소-3, 탄소-12, 탄소-14, 세슘-133, 세슘-137, 우라늄-235, 우라늄-238 등의 표현을 접합니다. 수소, 탄소, 세슘, 우라늄 등 원소는 원자핵 속의 양성자 개수에 의해 구분되고, 이를 ‘원자번호’라 합니다. 이들 각각의 원자핵에는 1개, 6개, 55개, 92개의 양성자가 들어있으므로 원자번호는 1, 6, 9, 55, 92입니다. 그렇지만, 같은 종류의 원소에서도 중성자의 개수는 다를 수 있어서 양성자와 중성자를 합한 개수를 ‘질량수’라 하고 원소 이름 뒤에 표시합니다. 예를 들어, 탄소-12의 원자핵은 양성자 6개, 중성자 6개로 구성되지만, 탄소-14는 양성자 6개와 중성자 8개로 구성됩니다. 그렇다면 우라늄-238은 어떨까요? 양성자 개수가 92이므로 중성자 개수는 238-92=146개가 됩니다.

자연계에 존재하거나 인공적으로 만들 수 있는 원자의 종류는 매우 많습니다. 이를 구분하기 위해 '핵종'(Nuclide)라는 용어가 사용되는데, 양성자 수나 중성자 수 중에서 어느 하나라도 다르면 다른 핵종입니다. '동위원소'(Isotope)는 원래 원자번호가 같지만 질량수가 다른(즉, 양성자 수는 같으나 중성자 수가 다른) 핵종들을 가리키는 용어였으나, 실제로는 '핵종'과 유사한 의미로 사용되는 경우가 많습니다.

[다시 방사능, 핵분열, 핵융합에 대해 살펴봅니다.]

방사능은 불안정한 상태의 원자핵들이 방사선을 방출하면서 좀더 안정적으로 변해가는 고유한 성질입니다. 원자력 발전을 위험하다고 생각하는 이유도 방사능을 지니는 방사성물질을 많이 만들어내기 때문이지요. 우리는 물질의 종류와 양을 알면 방사선이 얼마나 나오고, 시간에 따라 방사능이 어떻게 변할 것인지를 정확하게 알 수 있습니다. 물론 자연계에는 방사능을 띠지 않는 원자들도 많습니다. 방사능을 지니는 핵종을 방사성동위원소 (Radioisotope; RI), 방사능이 없는 핵종을 비방사성(안정) 동위원소(Stable Isotope)라고 합니다. 고고학에서 중요한 탄소연대측정법은 방사능이 없는 탄소-12와 방사능을 지닌 탄소-14간의 비율을 측정해서 추정합니다.

현 시점에서 원자력의 대표주자인 핵분열 반응도 아무 물질에서나 쉽게 일어나는 것이 아닙니다. 핵분열 원자로에서는 주로 우라늄-235나 플루토늄-239가 중성자를 흡수하여 원자핵이 매우 불안정해지면서 쪼개지는 현상을 이용합니다. 전기를 띠지 않는 중성자는 원자핵에 쉽게 접근하여 반응할 수 있기 때문에, 1938년말 핵분열 현상이 실험적으로 확인된 후부터 1942년 최초의 원자로 가동, 1945년 원자폭탄 개발, 1951년 원자력 전기 생산, 1955년 원자력 잠수함 완성 등이 매우 빠른 속도로 진행될 수 있었습니다.

그러나 핵융합 반응은 양전기를 띤 원자핵들이 전기적 반발력을 이겨내고 매우 가깝게 접근해야 하므로 쉽지 않습니다. 항성에서는 매우 큰 중력이 원자핵 간의 전기적 반발력을 쉽게 이겨내므로, 핵융합반응이 쉽게 이루어져서 수십억~수백억 년간 유지됩니다. 그러나 지구상에서는 전기적 반발력을 극복하기 위해 다른 방법이 사용되어야 합니다. 수소폭탄에서는 원자폭탄을 터뜨려 얻게 되는 높은 에너지를 이용하여 이를 극복하지만, 안정적인 전기 생산을 위한 실용적인 핵융합 원자로 개발은 더 어렵습니다. 우리나라 국가핵융합연구소의 K-STAR나 국제공동으로 건설중인 ITER에서는 원자를 플라스마 상태(원자핵과 전자를 분리시킨 상태)로 만들어서 전기장으로 가둔 다음 높은 온도로 가열하여 전기적 반발력을 극복하게 합니다. 또 다른 방법으로 레이저를 이용하기도 합니다. 이러한 어려움 때문에 수소폭탄이 1952년 개발된 후 65년이 지났지만, 안전성 측면에서 핵분열 원자로보다 훨씬 유리한 핵융합 원자로의 상용화 시점은 아직 예측하기 어렵습니다. 원자력의 개념과 함께 원자력과 관련한 주요 연표도 그림으로 첨부했으니 참고하시기 바랍니다. 다음에는 원자로와 원자력발전소를 다룰까 합니다^^