원자가 만들어내는 거대한 힘. 원자력!

원자력

 

원자력

원자력이란 원자 내부의 핵반응에 의해 생긴 에너지를 이용하는 것이다. 여기서 핵반응은 핵분열, 핵융합, 자연 방사성 붕괴와 같은 다양한 방법으로 일어날 수 있다. 핵반응에 의해 생성된 에너지는 다른 화학적 또는 전기적 방법으로 생성된 에너지보다 훨씬 크다. 이런 이유로 원자력 에너지는 다양한 분야에서 시도되고 있으나, 이때는 핵반응에서 발생하는 에너지가 매우 크기 때문에 다루기 어렵다. 또한 반응 후 방사성 물질이 생성되는 문제로 인해 다른 에너지에 비해 활용 범위가 다소 제한적이다. 원자력발전과 동시에 안전하게 사용할 수 있는 것이 원자력 발전에서 가장 중요하게 풀어야 할 과제이다. 현대 과학 기술 발전에 따른 에너지 발생 속도와 양을 적절히 조절할 수 있고, 반응 후 발생하는 방사성 부산물을 적절히 처리할 수 있어 원자력은 현대 주요 에너지원 중 하나로 활용되고 있다. 현대에는 우라늄과 플루토늄 동위원소를 주요 핵 반응물로 사용하여 핵분열 발전이 이루어지고 있다. 원자력은 현대문명의 산물이며 인류에게 많은 장점을 가지고 있지만, 원자력에서 발생하는 방사성 부산물의 완전 폐기, 원전사고로 인한 방사능 피폭, 핵무기 등 원자력의 안전한 이용을 위한 문제는 여전히 해결되지 않고 있다. 그것은 인류의 생존과 밀접한 중요한 과제로 남아 있다.

 

원자력의 제어

원자력이 제어되지 못하면 핵반응은 짧은 시간에 엄청난 에너지를 분출하며 폭발할 것이다. 이것을 이용한 것이 핵무기이다. 원자로에서는 핵반응이 잘 제어된 상태에서 천천히 일어난다. 하지만 잘 제어되는 와중에도 핵반응과 관련하여 방사선이라는 또 다른 문제가 있다. 핵에서 양성자와 중성자가 재배열되면서 생명체에는 질병을 일으키는 해로운 방사선이 나온다. 이 때문에 원자로는 방사선을 흡수할 수 있는 두꺼운 콘크리트로 에워싸여 있다. 핵반응이 일어나고 남은 핵폐기물에서는 수백 년 또는 수천 년 동안 방사선이 나온다. 그래서 핵폐기물은 두꺼운 콘크리트 안에 넣어서 사람들에게서 멀리 떨어진 곳에 저장한다. 이를테면 바다 밑바닥 같은 곳이다. 원자로 속에서 일어나는 핵반응은 큰 핵이 쪼개지면서 일어나는 것인데 작은 핵이 결합하여 만들어내는 또 다른 핵반응도 있다. 이런 두 번째 종류의 핵반응은 태양의 내부에서 일어나는데 지구상의 모든 생명체가 이 태양의 열과 빛으로 살아가는 것이다.

 

핵분열

원자력을 생성하는 반응이 핵반응인데 이것은 원자핵 속에서 일어나는 연쇄 반응이기 때문이다. 연료 속에 들어 있는 원자 하나하나의 중심에는 원자핵이라고 부르는 입자가 있으며, 원자핵은 양성자와 중성자라고 부르는 아주 작은 입자들로 이루어져 있다. 핵분열은 원자로 속에서 일어나는 핵반응이다. 연료로 쓰이는 것은 원소 중에서도 무서운 우라늄이나 플루토늄이 쓰이는데 이들 원소의 원자핵 속에 양성자의 중성자가 들어 있다. 핵분열은 중성자가 빠른 속도로 핵에 충돌할 때 일어난다. 핵은 여분의 중성자를 가질 수가 없어서 분열되고 두 개의 작은 핵으로 나누어진다. 이때 중성자도 여러 개가 방출되는데, 이것이 주위의 다른 원자핵을 분열시키며 더 많은 중성자를 방출시켜서 핵분열이 계속해서 일어난다. 최초의 충돌이 연속적인 반응을 일으켜서 핵반응을 연쇄반응이라고도 한다. 이것을 제어하지 않으면 핵반응은 급속하고 크게 일어나고 엄청난 열을 발생시켜 위험하다.  

 

핵융합

원자력은 핵분열을 통해 생성되지만 또 하나 핵융합에 의해 생기기도 한다. 핵융합 반응에서는 연료 속의 핵들이 서로 결합하여 핵이 된다. 핵융합은 핵분열과 달리 핵 속의 매우 적은 양성자와 중성자를 가진 작은 원자에서만 일어난다. 가스 상태의 연료로는 두 가지 형태의 수소가 쓰이는데 핵융합을 일으키기 위해서 두 개의 원자핵을 충돌시키면 이들의 양성자와 중성자가 융합해 한 개의 원자핵을 만들어낸다. 이 때 중성자는 한 개 남게 되는데 융합된 원자핵과 중성자는 빠른 속도로 움직이며 많은 열을 낸다. 이 반응으로 인해 방사선이 발생하진 않지만. 중성자는 해로워진다. 원자핵을 융합시키기 위해서는 원자와 원자를 아주 센 힘으로 충돌시켜야만 한다. 이것은 연료를 1억 도 이상 가열해야만 가능하다. 핵융합은 태양 에너지의 원천이며, 수소폭단에도 이용이 된다.