교양으로 읽는 원자력 상식

교양으로 읽는 원자력 상식

사이토 가쓰히로 지음

시그마북스 / 2024년 7월 / 300쪽 / 18,000원





원자력의 역사는 어떻게 시작되었나?



20세기의 역사를 연 2대 이론 _ 상대성 이론과 양자론

마리 퀴리가 선구자로 활동한 20세기의 과학은 혁명적인 두 이론으로 막을 열었다. ‘상대성 이론’과 ‘양자론’이 그것이다. 상대성 이론은 광속, 중력, 시간 등 우주적 스케일의 현상을 대상으로 하는 이론인 데 반해 양자론은 전자, 원자와 같은 극소립자를 대상으로 하는 이론이다. 마치 정반대로 보이는 대상을 상대로 한 두 이론은 처음에는 전혀 다른 것으로 간주되었다. 그러나 이론이 발전함에 따라 결국 두 이론은 같은 사물과 현상을 대상으로 하고 있다는 사실을 알게 되었다. 다시 말해, 이 거대한 우주는 극소 미립자로 이루어져 있는 것이다.

만능의 뉴턴 역학의 등장: 아이작 뉴턴(1643~1727)이 저서 《프린키피아(자연철학의 수학적 원리)》를 저술하고 역학의 체계를 설명한 시기는 1687년의 일이었다. 뉴턴은 당시까지 알려져 있던 역학의 역사적 유산을 총괄한 다음 ‘뉴턴의 3법칙’으로 일컬어지는, 물체의 움직임은 영원히 지속한다는 ‘관성의 법칙’, 힘은 질량과 가속도의 곱이라는 ‘가속도의 법칙’, 작용은 반작용을 낳는다는 ‘작용 반작용의 법칙’을 밝혀냈다. 이 역학 체계를 일반적으로 ‘뉴턴 역학’이라 한다.

이 역학 체계는 당시 알려진 모든 역학 현상을 완벽한 동시에 합리적으로 설명했을 뿐 아니라, 이후 200여 년간 지구는 물론 천체에서 일어나는 모든 현상을 세세한 부분까지 빠짐없이 설명해주었다.

뉴턴 역학을 거스르는 그 어떤 현상도 발견되지 않았다. 세상은 신의 섭리를 따르듯이 뉴턴 역학을 따라 움직이고 있었다. 그런데 19세기가 끝나갈 즈음에 관측기기의 정밀도가 높아지면서 뉴턴의 역학으로는 설명하기 어려운 현상이 발견되기 시작했다. 당시 물리학계의 모습을 ‘맑은 푸른 하늘에 한두 개의 흰 구름이 떠 있는 상태’라고 비유한 물리학자가 있었다. 그런데 이 ‘흰 구름’은 점차 커지면서 검게 변하더니 마침내 물리학계 전체를 뒤덮었다. 그 정체는 바로 전자기학이었다. 그 먹구름은 뉴턴 역학으로는 설명하기 어려웠다.

우주 전체를 대상으로 한 상대성 이론의 탄생: 그러던 차에 당시 무명의 물리학자였던 알베르트 아인슈타인(1879~1955)이 갑자기 혜성처럼 나타나 1905년에 ‘특수상대성이론’을 발표했다. ‘빛보다 빠른 것은 없다’는 논리를 전제로 전개되는 아인슈타인의 이론은 무척 난해해 물리학자조차 이해할 수 있는 사람이 적었다.

그러나 특수상대성이론은 단지 ‘이해하기 어려운 이론’으로 정의하고 끝날 것이 아니었다. 이 특수상대성이론에 따라 예언된 천문현상이 실제로 발견된 것이다. 이렇게 되자 모든 물리학자, 천문학자가 아인슈타인의 이론을 따르지 않을 수 없게 되었다. 아인슈타인은 1915년에 특수상대성 이론을 좀 더 발전시켜 ‘일반상대성이론’을 발표했고 이로써 상대성이론이 완성되었다.

광속이라는 말도 안 되는 고속을 다루는 상대성이론은 그 연구 대상을 거대하고 광활한 우주 전체로 확장시켰다. 별의 움직임, 성간을 떠도는 빛, 그곳을 아광속(빛에 가까운 속도)으로 이동하는 인간을 태운 로켓 등등. 이렇게 상대성이론은 사람들을 아득히 멀고 끝없는 우주공간에 대한 연구와 사고실험의 세계로 이끌었다.

우주와 정반대에 있는 원자 구조의 해명: 그러나 당시 과학자들의 연구 대상은 천체와 우주만이 아니었다. 웅장하고 거대한 우주와는 정반대라 할 수 있는 극소 미립자의 세계를 연구하는 과학자도 있었다. 이들 또한 뉴턴 역학만으로는 해석할 수 없는 현상을 발견해 고심하고 있었다. 그것은 원자의 구조였다.

당시 원자는 ‘마이너스 전하를 가진 전자’와 ‘플러스 전하를 가진 무언가’로 이루어져 있다는 것까지는 알았지만 그 무언가가 어떤 물질인지, ‘전자와 무언가가 어떻게 결합되어 원자가 되었는지’, 이러한 원자 구조에 관해서는 전혀 알 수가 없었다. 일부 과학자는 ‘같은 개수의 마이너스 전하를 가진 전자’와 ‘플러스 전하를 가진 어떤 것’이 섞여 있는 것을 원자라고 생각했다. 또 다른 과학자는 원자의 중심에는 플러스 Z의 전하를 가진 입자가 있고 그 주변을 Z개의 마이너스 1 전하를 가진 입자가 돌고 있는 것으로 생각했다. 행성과 같은 모델이었다.

실험으로 도출된 양자론: 이러한 논의 속을 뚫고 나온 하나의 주장이 있었다. 뒤에 바로 ‘양자론’이었다. 그런데 탄생 당시의 양자론은 ‘론’이라 할 수 있는 것이 아니었다.

1913년 가설을 토대로 실험해 얻은 결과를 설명하려고 고심에 고심을 거듭하던 덴마크의 물리학자 닐스 보어(1885~1962)의 뇌리를 스친 것은 ‘nh/2π’라는 암호와 같은 식이었다. 양자론이 탄생하는 순간이었다. 이 식의 ‘양의 정수 n’은 후에 ‘양자수’로 불리게 되었다. 다만 이 식은 ‘신의 계시’처럼 순간적으로 떠오른 것이었기 때문에 “왜 그렇게 되었나?”라고 물으면 답할 수가 없다. “이렇게 하면 실험에 들어맞았다”라고만 말할 수 있을 뿐이다.

과학은 실험이 전부다. 실험만이 옳은 사실이다. 이론은 실험을 설명하기 위해 나중에 추가하는 방법에 지나지 않는다. 이론은 ‘실험을 뒷받침하기 때문에 옳은 것’이다. ‘뒷받침되지 않으면 버려질 뿐’이다. 상대성이론 때문에 뉴턴 역학도 버려질 뻔했다. 하지만, 다행히도 일상적인 역학 현상을 설명하는 정도라면 뉴턴 역학으로도 충분할 것이고, 그편이 간단하기 때문에 지금도 사용되고 있다.

양자론은 이후 엘빈 슈뢰딩거(1887~1961), 루이 드 브로이(1892~1987), 폴 디락(1902~1984) 등 천재 과학자들 덕에 무럭무럭 자라 현재의 ‘양자론’으로 성장했다. 그 점은 처음부터 천재로부터 태어나 혜성처럼 나타난 상대성이론과는 큰 차이가 있다.



원자력을 이해하기 전에 원자와 원자핵을 알아보자



원자는 어떤 구조를 가지고 있을까? _ 원자핵과 전자

모든 물질은 원자로 이루어져 있다. 원자는 전자로 이루어진 전자구름과 그 중심에 있는 원자핵으로 구성된다. 원자핵은 작고 무거운, 즉 밀도가 높은 입자다. 그 질량(무게)은 원자 질량의 99.9% 이상을 차지한다. 원자핵 반응을 이해하기 위해서는 원자핵과 원자에 관해 알아야만 한다.

원자는 어떤 형태일까?: 원자의 모양은 어떻게 생겼을까? 엄밀히 말해 원자의 모양은 정확히 알 수가 없다. 왜냐하면, 원자를 본 사람이 아무도 없기 때문이다. 원자는 볼 수 있는 존재가 아니기 때문이다. 현대 과학에서 미립자의 해명을 지탱하는 양자론의 전제라고도 할 수 있는 대원칙 때문에 ‘원자는 볼 수 없는 존재’가 되었다. 앞으로 기술이 아무리 발전해도 원자를 직접 관찰할 수는 없는 것이다.

‘불확정성 원리’라고 부르는 이 대원칙은 독일의 이론물리학자 베르너 하이젠베르크가 발견했다. 우리는 이 대원칙 덕에 원자의 모양을 정확히 알 수는 없어도 지금까지의 실험 결과를 통해 원자의 모양을 추측할 수는 있다. 앞에서 말한 것처럼, 원자는 전자로 형성된 구름 모양의 전자구름 속에서 구 형태를 띠고 있을 것으로 추정된다.

원자의 모양과 크기를 알게 되었다: 수많은 시행착오를 거듭한 결과, 양자론에 기초한 양자론 모델이 탄생했다. 이 모델을 사용하면 원자의 모든 성질과 반응에 대해 모두 합리적으로 설명할 수 있다. 이에 따르면 원자는 여러 개의 전자 e로 형성된 전자구름에 둘러싸인 ‘둥근 형태의 구름’으로 추정된다.

여기서 전자는 전하를 가진 입자를 말하는데, 전자 1개의 전하는 -1이다. 따라서 z개의 전자로 이루어진 전자구름의 전하는 -z가 된다. 전자의 질량은 무시할 수 있을 만큼 작다. 그 전자구름의 중심에 한 개의 원자핵이 존재하는데 전하는 +z이며, 전자구름의 전하와 상쇄되므로 원자 전체의 전기는 중성이 된다. 원자의 지름은 약 10-¹?m(1A=옹스트롬)의 오더(스케일)이며 원자핵의 지름은 10-¹⁴m의 오더, 다시 말해 원자 지름의 1만분의 1이다.

원자핵은 어떤 구조일까? _ 껍질 모델과 a클러스터 모델

원자핵을 만드는 것: 원자핵은 두 종류의 입자, 즉 양성자(proton=p)와 중성자(neutron=n)로 구성된다. 두 입자의 질량은 거의 같지만, 양성자가 +1의 전하를 갖는 데 비해 중성자는 전하를 갖지 않는다. 원자핵을 구성하는 양성자의 개수를 그 원자의 원자번호(Z)라 하고 양성자와 중성자 개수의 합을 질량수(A)라 하며, 각각을 원소기호의 왼쪽 아래와 왼쪽 위에 첨자로 나타내는 것이 규칙이다. 원자번호가 같고 질량수가 다른 원자를 서로 동위 원소라고 한다. 동위 원소, 질량수는 원자핵 반응에서 매우 중요한 역할을 한다.

원자핵의 안정성과 에너지: 원자핵은 불안정한 고에너지 상태에서 바로 다른 원자핵으로 변하는 종류와 반대로 안정적인 상태의 저에너지 종류가 있다. 질량수가 큰 원자핵은 불안정한 고에너지이며 안정적인 것은 질량수 60 전후, 즉 철(Fe)의 동위 원소다. 큰 원자핵이 깨져 작아지면 여분의 에너지가 방출된다. 이 반응이 핵분열 반응이며 방출되는 핵분열 에너지는 원자폭탄이나 현행 원자로, 원자력 발전에 이용되고 있다.

반대로 작은 원자핵 2개가 결합하여 큰 원자핵이 되는 반응이 핵융합 반응이며 그때 발생하는 에너지가 핵융합 에너지다. 핵융합은 태양을 비롯한 항성 내부에서 진행 중인 반응이다. 원자는 이 반응으로 작은 수소 원자에서 큰 철 원자까지 성장한다. 핵융합 에너지는 태양 등의 항성을 빛나게 하는 에너지로, 인간은 이것을 수소폭탄에 이용했다. 현재는 평화적인 방법으로 핵융합로를 이용한 핵융합 발전 연구를 진행하고 있지만 실용화는 아직 다음 세대의 이야기다.

우주는 빅뱅으로 시작되어 핵융합으로 생겨났다 _ 별의 탄생

우주는 빅뱅에 의해 탄생했고, 이후 여러 변화와 우여곡절을 거쳐 형성되었다. 여기에 중요한 역할을 한 것이 원자핵 반응과 그 무대가 된 항성의 운동이다.

빅뱅, 그 후: 우주는 138억 년 전에 일어난 빅뱅에 의해 만들어졌다고 한다. 이 폭발로 무수히 많은 수소 원자와 소량의 헬륨 원자가 흩어져 퍼져나갔다. 이때 흩어진 원자핵은 지금도 우주를 날고 있다. 다시 말해 우주는 지금도 팽창을 계속하는 중이다.

처음에는 안개처럼 흩날리던 수소 원자가 마침내 한데 모여 구름이 되었다. 그러자 중력이 생겨났고 더 많은 원자가 모였다. 그러는 사이 원자와 원자 사이의 마찰열과 단열압축에 의한 발열로 구름의 내부는 고온, 고압 상태가 되었다. 이렇게 발생한 것이 수소 원자의 핵융합 반응이다. 2개의 수소 원자가 융합하여 헬륨(He)이 되는 반응에서 막대한 핵융합 에너지가 발생했고 구름은 뜨겁게 빛나는 항성이 되었다. 마침내 모든 수소가 핵융합을 마치면 이어서 헬륨의 핵융합이 시작되는 것처럼 항성 속 원자는 차례차례 큰 원자로 성장해간다. 항성은 바로 원자의 요람이다.

중성자별에서 초신성 폭발로: 그러나 그것도 철원자(Fe)까지의 이야기다. 철보다 큰 원자는 그 이후로 아무리 핵융합을 해도 에너지가 발생하지 않는다. 에너지를 잃은 항성은 자신의 중력에 의해 수축하는 단계를 밟게 된다. 항성의 수축이 시작되면 놀랍게도 원자 주변의 전자구름이 원자핵 속으로 빨려 들어간다. 그러면 양성자는 전자와 반응하여 중성자가 된다. 이것이 중성자별이다.

만일 1만 3,000km의 지름을 가진 지구가 중성자별이 된다면 지름은 불과 1.3km에 지나지 않게 된다. 이 과정을 겪은 중성자별은 결국 에너지의 균형을 잃고 폭발한다. 이것이 초신성 폭발이다. 이 폭발로 인해 사방으로 흩어진 중성자가 철 원자와 만난다. 이렇게 철 원자는 날아와 부딪치는 중성자를 흡수해 빠르게 큰 원자로 성장한다. 철 원자보다 큰 원자는 이렇게 만들어졌다고 한다. 그리고 이 원자가 우리의 몸을 구성하고 있는 것이므로 결국 우리는 ‘밤하늘의 무수한 별들’로 이루어져 있다. 정말 낭만적인 이야기 아닌가.



원자력 발전의 구조를 살펴보다



원자력 발전의 원자로는 화력 발전의 보일러와 같다 _ 원자핵 반응인가 화학 반응인가

원자력 발전이란 ① 원자로에서 원자핵 반응으로 발생한 에너지를 이용해 ② 발전기로 전기를 일으키는 것이다. 원자로란 내부에서 원자핵 분열 반응을 일으켜 발생한 에너지를 열로 추출하는 장치다. 즉, 원자로는 화석 연료를 태워 열에너지를 추출하는 보일러와 같다. 원자로에서 추출한 에너지는 일반 열에너지와 동일하므로 어디에 사용하든 자유지만 현재는 오로지 원자력 발전에만 사용하고 있다. 자 이제 원자로의 원리와 실제를 살펴보자.

자연계의 전기는 이용할 수 없다: 전기는 자연계에 많이 존재한다. 예컨대 번개가 그것이다. 번개는 지상의 전하와 구름 전하 사이의 쇼트다. 그러나 석탄이나 우라늄 등의 물질과 달리 자연계의 전기 에너지를 추출해 이용하는 것은 쉽지 않다. 지금도 번개의 에너지를 전기 에너지로 추출하는 것은 불가능하다고 생각해도 좋다. 현재로서는 전기를 이용하려면 인간이 직접 전기를 만들어내야 한다.

발전 구조는 모두 동일하다: 전기를 만드는 데는 여러 가지 방법이 있다. 대표적인 것으로는 풍력 발전, 수력 발전, 화력 발전, 지열 발전, 자전거의 발전기, 건전지, 태양전지, 수소연료전지 등을 들 수 있다. 이 중에 전지를 제외하면 모든 발전은 발전기를 이용한 것이다. 발전기는 코일 속에 설치한 자석을 회전시켜 코일에 유도전류를 일으키고 그것을 외부로 추출해내는 장치다. 자석을 회전시키는 구조와 에너지에 따라 풍력 발전, 수력 발전 등으로 나누어진다.

가장 이해하기 쉬운 발전이 풍력 발전으로, 풍차의 회전축 끝에 자석을 붙인 것이다. 바람이 불면 풍차의 블레이드가 돌아가고 그에 따라 자석이 회전한다. 수력 발전도 비슷한 구조다. 바람 대신에 수류를 이용해 터빈을 돌린다. 화력 발전도 같은 원리다. 다만 터빈을 돌리는 데 수증기를 사용한다. 따라서 수증기를 만드는 장치와 에너지가 필요하다. 수증기는 물을 가열해 끓이기만 하면 된다. 주전자로 물을 끓이는 것과 같다. 화력 발전에서는 주전자 대신 보일러를 이용해 연료로 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석 연료를 사용한다.

원자력 발전의 원리: 원자력 발전은 화력 발전과 완전히 동일한 원리다. 원자로는 수증기를 만드는 보일러 역할을 할 뿐이다. 간단히 말해 원자로는 ‘고급형 보일러’에 지나지 않는다. 원자력 발전 장치는 ‘원자로’와 ‘발전기’라는 두 부분으로 구성된다. 그중 발전기는 기존의 화력 발전용 발전기와 완전히 같아서 회전하여 전기를 만든다. 보일러는 탄소연료를 태워 발생하는 연소 에너지 즉 ‘화학 에너지’를 이용해 수증기를 만드는 데 반해, 원자로는 핵분열에 기초한 원자핵에너지인 ‘원자력’을 그 에너지로 사용한다는 차이가 있을 뿐이다.

현재의 핵연료는 우라늄의 독무대 _ 우라늄에 관한 지식

원자로 안에서 핵분열을 일으키는 방사성 물질을 일반적으로 핵연료라고 한다. 연료란 산소와 연소 반응을 일으켜 연소 에너지를 발생시키는 물질을 가리킨다. 따라서 핵분열 반응에서 에너지를 발생시키는 방사성 물질은 정확히 말해 연료는 아니지만 일반적으로 핵연료라고 말한다. 현재 전 세계에서 가동 중인 원자로는 거의 모두가 핵연료로 우라늄(U)을 사용한다.