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인류생활을 향상시키려는 과학의 노력이 밝혀 내 핵에너지 원리. 최초에 사용된 것이 2차세계대전을 종식시키기 위한 무기로서였고 그 뒤도 오랜동안 계속 무기로 개발되었다. 불과 1세기도 못되는 사이에 그 이용방법이 극도로 발달되어 인류를 멸망시킬지도 모를 가공할 위력의 핵무기개발과 문화생활을 뒷받침하는 전기생산의 두가지 큰 방향으로 나가고 있다. 그 역사와 실상을 간추려 본다.

90년 전인 1896년 프랑스의 물리학자 '앙리 베케렐'이 우라늄 광석에서 방사능이 나오는 것을 발견한 이후 핵물리학은 놀라운 발전을 거듭했다.

1905년에는 '알버트 아인슈타인'이 질량의 에너지 전환공식을 발견했고 그뒤 몇십년동안 양자역학이 발전되고 물질의 기본구조가 해명되는 성과에 뒷받침되어 1938년에는 오스트리아의 물리학자 '리제 마이트너'와 '오토 프리슈'가 우라늄 원자에 중성자를 충돌시키면 원자핵이 분열하여 두개의 다른 원자핵이 된다는 것을 알아냈다. 핵분열때 질량의 일부가 에너지로 바뀐다는 아인슈타인의 공식을 구체적으로 진전시킨 것이다. 이어 1942년 12월에는 미국 컬럼비아 대학의 '엔리코 페르미'교수가 우라늄의 핵분열연쇄반응 실험에 성공, 1945년7월16일에는 드디어 미국 뉴멕시코주 '알라모골드'의 '트리니티'에서 사상 처음으로 원폭실험을 하게 되었다.

인류가 밝혀낸 신비로운 원자력에너지는 불행히도 인류에게 유용한 형태로서가 아니라 가공할 파괴력을 가진 원자탄이라는 전쟁무기형태로 우선 선을 보인 것이다.

그뒤 10여년이 지난 50년대 말에야 이전쟁무기를 평화적으로 이용, 발전소로 탈바꿈시켜 원자력시대의 막을 올렸다.

이렇게 해서 인류의 핵 에너지 이용은 무기와 전력생산이라는 야누스와 같은 두 얼굴로 계속 개발되고 있다.

핵무기는 45년8월6일 '히로시마'에 투하된 이후 해를 거듭할수록 생산이 확대되어 오늘날에는 전세계의 핵탄두 수가 약5만개, 그 폭발력의 총계는 TNT화약으로 환산하여 거의 2백억톤에 이르고 있다. 이는 히로시마에 투하된 원폭폭발력의 1백60만배나 되는 것으로 이중 일부만 폭발시켜도 인류 멸망을 초래하게 된다고 크게 우려되고 있다.

원자력발전은 60년대에 활발히 진전되다가 70년대에 선진국의 핵확산방지정책으로 위축되었으나 80년대에 들어와 다시 활발해졌다. 현재 세계에는 23개국에 2백67기의 원자력발전소가 있으며 전력생산량은 1억7천만kW에 이른다. 그러나 이 핵발전분야에도 안정성문제 핵폐기물처리문제등이 심각하게 대두되고 있다.

우주의 에너지를 해방

핵력은 우주의 모든 핵물질의 움직임을 지배하는 4종류의 힘 중에서도 가장 강한것이다. 원자핵의 정적성질을 결정하는 것은 이 강한 핵결과 약한 핵력이라는 힘이다.나머지 두 종류의 힘은 원자핵의 외부에서 움직이고 있는 전자기력(電磁氣力)과 중력으로 지구가 생성된 뒤 사상 최초의 원폭이 폭발하기 까지 45억년간 지구의 모든 생명과 물질의 운동을 지배해온 힘이다. 전자기력은 물질의 화학결합의 근원이 되는 힘이며 중력은 물질이 서로 끌어당기는 인력이다.

에너지 보존의 법칙과 질량보존의 법칙을 기본으로 하는 19세기 물리학에서는 강한 핵력과 약한 핵력의 두가지 힘이 존재 한다는 것이 알려져 있지 않았다. 물질에서 에너지를 해방하는 강한 핵력반응은 지구상에서 자연스럽게 일어나는 일이 거의 없었기 때문이다(예외적으로 일어난 강한 핵력 반응의 한가지로 서아프리카의 우라늄광상에서 자연히 핵분열반응이 발생한 케이스가 있다).

한편 약한 핵력반응은 방사성물질의 자연붕괴때 볼 수 있으나 너무 약한 반응이어서 관심이 가지 않은채 소홀히 넘겨지고 있었다. 19게기의 과학에서는 물질과 에너지가 각각 별개로 된 시스템을 이루고 있어 어떤 변화가 일어나도 물질의 총량과 에너지의 총량은 영원히 변하지 않는다고 생각되고 있었다. 질량과 에너지가 서로 전환 될 수 있다는 것을 알게된 것은 20세기가 되어 마이크로와 매크로의 세계에 대한 탐구가 진전되어 원자속과 우주속에서의 에너지, 질량, 시간, 공간의 성질이 밝혀지고 나서이다.

새로 발견된 물질과 에너지의 관계는 '알버트 아인슈타인'의 상대성이론과 양자론으로 설명된다. 이 두가지가 전우주를 지배하는 물리법칙이며 뉴튼역학은 그 부분적인 설명에 지나지 않는다. 쉽게 얘기하면 뉴튼역학은 지구규모의 물리학이며 인간의 감각으로 인식되는 속도나 크기를 이해하는데 유효한 물리학이라 할수있다.

질량이 에너지로 변환되는 경우에 내는 에너지양은 아인슈타인의 E=mc²이라는 공식으로 표시된다. 그에 의하면 에너지는 질량에 광속의 2승을 한 것과 같다. 이 유명한 공식은 오늘날에는 일반인에게도 널리 알려져 있다. 광의 속도는 1초간에 30만km이므로-이 스피드는 우주속에서가장 빠른것이다-약간의 질량도 에너지로 전환할 때는 팽대한 에너지 양이 된다. 그 한예를 들면 히로시마를 파괴시킨것은 불과 1g의 질량에서 만들어낸 에너지였다(히로시마 원폭 자체는 대단히 복잡한 장치여서 전 중량이 4t이었다). 같은 에너지를 TNT화약으로 얻으려면 1만2천5백t이 필요하다.

1905년에 질량의 에너지변환공식이 발견된 뒤 인간의 손으로 핵에너지를 실제로 해방시키기까지는 수십년이 걸렸다. 그 사이 양자역학이론의 발전과 물질의 기본적구조의 해명을 기다리지 않으면 않되었던 것이다. 원자핵이 분열한다는 것은 상상조차 못했다. 그러나 1938년에 앞에서 간단히 소개한 오스트리아의 물리학자 '리제 마이트너'와 '오토 프리슈'가 우라늄의 원자에 중성자를 충돌시키면 우라늄 원자핵이 분열하여 크기가 거의 같은 두개의 다른 원자핵이 된다고 발표했다. 이 핵분열때 질량의 일부가 에너지로 바뀌나 그 양은 유명한 아인슈타인 공식으로 계산될 수 있다는 것이다.

물질에서 에너지를 끌어내는데 필요한 다음단계는 우라늄의 핵분열 연쇄방응을 일으키는 것이다. 이 실험은 1939년 미국정부의 우라늄자문위원회에 의해 처음 실시되었고 이어 수십억달러를 투입한 극비의 프로젝트로 뒷날 유명해진 맨해턴 계획으로 이어졌다. 맨해턴계획의 목적은 제2차세계대전에서 추축국측과 싸우는 연합국측을 위해 원자폭탄을 제조하는 것이었다.

핵분열의 원리

우라늄의 원자핵이 분열되면 여러개의 고속중성자가 방출된다. 최초에 방출된 중성자는 다른 원자핵에 충돌하여 핵분열을 일으킨다. 그때 방출된 고속중성자가 또 다른 원자핵에 충돌하여 핵분열을 일으킨다. 동시에 발생한 중성자가 또 다른 원자핵을 두들기는 식으로 핵분열반응은 연쇄적으로 진행한다. 이 연쇄반응은 핵분열하는 우라늄이 없어지기 까지 계속된다. 우라늄 235나 플루토늄239와 같은 물질은 어느 일정한 양-이를 임계량 이라고 한다-이 한곳에 모여있지 않으면 연쇄반응이 일어나지 않는다. 그러나 연쇄반응을 일으키면 반드시 핵폭발한다는 것은 아니다. 핵폭발을 실제로 일으키기 위해서는 연쇄반응으로 발생된 에너지로 핵분열물질이 산산이 흩어져 연쇄반응이 정지되기까지 사이에 충분하 폭발에너지를 낼수 있을 만큼의 연쇄반응이 계속되지 않으면 않되는 것이다.

핵폭발에 필요한 만큼의 연쇄반응을 지속시키는데는 핵분열물질을 고밀도로 순각적으로 압축시켜야 한다. 압축된 핵분열물질 덩어리 속에서 일어난 연쇄반응은 극히 빠른 속도로 진전된다. 왜냐하면 핵분열로 생긴 새 중성자의 충동상대가 되는 원자핵이 바로 가까이에 많이 있기 때문이다. 이렇게 해서 핵분열물질이 산산이 흩어져 연쇄반응이 정지되기까지 핵폭발에 필요한 만큼의 연쇄반응이 겹칠수가 있다. 핵분열의 회수는 연쇄반응이 진전됨에 따라 지수함수적(指數函數的)으로 늘어가므로 나중의 연쇄반응 일수록 핵분열로 발생하는 에너지도 크다. '그래스턴'의 시산방식에 따르면 TNT 화약으로 환산하여 10만t의 폭발 에너지를 만들기 위해서는 최초의 핵분열에서 헤아려 58회째의 연쇄반응까지 핵분열이 계속되어야 한다. 이경우 전 에너지의 99.9%는 최후의 7회에 걸친 연쇄반응에 의해 방출된다. 1회의 연쇄반응에 필요한 시간은 1억분의 1초에 불과하므로 전 에너지는 불과 1천만분의 1초이하의 시간에 방출된다는 계산이 된다.

핵분열반응에서는 질량이 없어진 만큼 에너지가 되어 방출된다. 하나 하나의 원자는 에너지의 밸런스 상태에 있으며 질량의 내부에 잠긴 '막대한 양의 에너지'는 강한 핵력의 결합작용에 의해 원자 속에 밀려들어가 양자와 중성자를 이어 거뭐 쥐고 있게 된다. 한편 원자핵의 내부에서는 플러스의 전기를 띤 양자와 양자사이에 반발력이 움직이고 있어 강한 핵력과 역으로 양자와 양자를 끌어내 떼어 놓으려 한다. 우라늄이나 플루토늄 같은 무거운 원소에서는 양자의 수가 많기 때문에 전기적인 반발력도 그만큼 크고 원자핵 속의 입자의 결합상태도 느슨하다(원자핵 내부의 전기적 반발력은 양자의 수에 비례하여 커지며 원자핵의 크기를 일정한 한계이하에 멈추게하는 역할을 한다. 즉 양자의 수가 일정수 이상으로 늘어 원자 핵의 크기가 일정 이상이 되면 양자끼리를 이어서 거머쥐고 있지 못하게 된다. 이런 일정의 한계가 원자핵의 크기에 따라 존재하는 것이다).

이렇게 원자량이 큰 원자핵은 내부의 결합상태가 느슨해 있기 때문에 힉분열을 일으키기 쉽다. 우라늄 235의 원자핵에 중성자를 충돌시키면 입자의 결합상태는 더욱 느슨해져 전기적 반발력이 강한 핵력을 극복하고 원자핵이 분열을 일으킨다. 이때 분열한 원자핵의 파편은 거대한 운동에너지와 함께 사방으로 흩어진다. 그 에너지는 아인슈타인 공식에 따라, 잃어진 진량에 광속의 2승을 곱한 것과 같다.