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원자력
원자력(Atomic energy, 原子力)은 방사성원소의 방사선 붕괴를 포함하는 원자핵 붕괴 또는 원자핵의 질량 변화에 의해 방출되는 에너지를 말한다. 일반적으로 핵분열과 핵융합 과정을 통해 에너지를 생산하는 방식이 알려져 있다.[1][2][3][4]
개요
원자력은 에너지 중 하나로 원자핵의 반응을 이용하여 만드는 에너지로 "제3의 불"이라는 별명으로도 불린다. 법률에서는 "원자핵 변화의 과정에 있어서 원자핵으로부터 방출되는 모든 종류의 에너지"라고 정의하고 있다. 일반적으로 핵분열 에너지를 말하며 핵융합은 차세대 발전 방식으로 따로 분류한다. 원래 원자력을 만드는 방법은 핵분열과 핵융합이지만 현재 일반적으로 통용되는 원자력발전은 핵분열을 이용한 것이다. 원자력이 처음 규명된 이후 군사(핵무기), 의학(방사선 치료기), 발전(전기 생산), 가속기(과학적 연구), 산업(비파괴 검사) 등 다양한 분야에서 이용되고 있으며 그중에서도 전 세계적으로 에너지 수요가 급증함에 따라 가장 널리 이용되고 있는 분야가 발전이다. 원자력의 가장 큰 장점은 적은 연료 소모로 막대한 양의 에너지를 얻을 수 있다는 것이다. 원자력은 현재까지 인류가 보유한 에너지원 중에서 출력이 안드로메다급으로 높은 에너지원이다. 원자력은 환경오염이 적은 편이고 전기 생산 비용 절감에 큰 도움이 된다.
핵에너지 생성의 3가지 유형인 핵분열, 핵융합, 방사성 붕괴 중에서 현재 원자력발전에 이용되는 것은 핵분열 방식이다. 핵융합 방식은 아직 연구 단계에 있으며, 방사성 붕괴에 의한 핵에너지는 그 양이 상대적으로 미량이어서 직접 발전에 이용하기 힘들다. 따라서 우라늄 같은 방사성 물질을 원자로에서 인공적으로 분열시켜 나오는 원자력 에너지로 발전을 한다. 사실 핵분열을 이용한 원자력 에너지가 처음 이용된 것은 무기 분야가 먼저이다. 제2차 세계대전 중에 미국에서 실시한 맨해튼 프로젝트의 결과 최초의 핵무기 폭발 실험이 이루어진 뒤 1945년 8월 6일과 9일에 일본의 히로시마와 나가사키에 각각 원자폭탄이 투하되어 수십만 명을 사망에 이르게 하였다. 이후 미국과 구소련을 중심으로 많은 나라들이 경쟁적으로 핵무기 개발에 몰두하나 원자폭탄 투하의 참상을 목격한 과학자와 정치인들은 원자력의 평화적 이용을 강조하면서 원자로를 개발하기 시작해 원자력을 에너지 발전에 이용하게 되었다.
전 세계의 화력, 원자력, 수력, 풍력, 태양열 등 전기를 생산하는 방식 중 현재 가장 큰 비중을 차지하는 것은 화력과 원자력 발전 방식이다. 화력발전은 석탄, 석유 가스와 같은 화석연료의 연소에 의한 에너지를 열에너지로 변환하여 증기를 생산한 후 이 증기를 이용하여 터빈, 발전기를 돌려 전기를 생산하는 방식이고 핵발전은 핵분열 반응에서 나온 에너지를 이용하여 물을 끓여 증기를 생산하고 이 수증기의 힘으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 두 방식 모두 물을 끓여 증기의 힘으로 터빈과 발전기를 돌려 전기를 생산하지만 에너지 발생 효율에서는 엄청난 차이가 난다.
핵발전에서 주로 사용하는 핵분열 물질인 우라늄-235 1kg을 모두 핵분열시키면 에너지가 석유 200만 리터 또는 석탄 3000톤의 에너지와 같다. 일반적으로 핵분열 조각은 불안정하기 때문에 방사선을 방출하면서 차례로 붕괴되어 일정한 붕괴계열을 거쳐 마침내는 안정핵종으로 된다. 이들 핵조각 및 붕괴과정에서 생긴 핵종을 핵분열 생성물이라 한다. 핵분열로 생긴 중성자를 이용하여 어느 세대의 처음에 있었던 중성자 수에 대하여 그 세대의 마지막에 있는 중성자 수의 비 즉 증배계수가 1이 되는 임계상태를 지속적으로 유지할 수 있도록 연쇄반응을 조절, 운전하는 장치가 원자로이다. 다시 말해서 원자로는 우라늄(U), 플루토늄(Pu), 토륨(Th) 등이 핵분열성 물질을 연료로 사용하여 그 핵분열의 연쇄반응을 제어하면서 에너지를 끄집어 내거나 강한 중성 자원을 만드는 장치이다.
역사
1895년 독일 과학자 뢴트겐은 진공관들을 이용한 실험 중 우연히 X선을 발견함으로써 처음으로 방사선의 존재를 확인하였다. 당시 뢴트겐은 미지의 광선이라 생각하여 X선이라는 이름을 붙였다. 이후 1896년 프랑스 과학자 원시 그란돈이 우라늄광석을 관찰하던 중 광석에서 X선과 비슷한 광선이 방출되는 것을 발견하였다. 새로운 광선은 급발진으로 불렸는데 1898년 프랑스의 퀴리 부부가 우라늄 외에도 몇몇 광물들이 베크렐선 같은 광선을 내는 것을 발견하고 이들 광물에서 광선이 방출되는 현상을 방사능이라고 명명했다. 그리고 계속된 연구를 통해 마침내 브랜돈과 덕환을 발견한다. 1930년엔 독일의 보테와 베커가 알파선(알파입자)을 베릴륨이나 붕소에 충돌시키면 강한 투과력을 가지는 입자가 방출되는 것을 실험으로 확인하였다. 이 입자에 대해 1932년 영국의 채드윅이 전하를 띄지 않는 중성입자임을 실험으로 증명하고 중성자라 명명하였다. 이후 과학자들은 중성자를 핵에 충돌시키는 다양한 실험들을 수행하게 되었으며 과학자들 중 독일의 프리츠 슈트라스만과 오토 한은 1938년에 중성자를 우라늄에 충돌시키면 우라늄보다 가벼운 원소 2개가 만들어지며 그 과정에서 막대한 양의 에너지가 방출됨을 관측하였다. 이 현상에 대해 영국의 프리슈와 스웨덴의 마이트너는 중성자에 의해 우라늄이 쪼개지는 현상 즉 핵분열 현상이라 설명하였다.
핵분열을 통해 엄청난 양의 에너지가 방출됨을 알게 되자 원자력을 무기로 활용하려는 계획이 각국에서 추진된다. 제일 먼저 독일은 1939년에 향후 전쟁에서 사용할 핵무기 제작을 위해 핵에너지 프로젝트(일명 우라늄클럽)에 착수한다. 하지만 착수한 지 몇 달 후 제2차 세계대전이 발발하며 대부분의 과학자들이 징집되면서 프로젝트는 사실상 중지되고 만다. 다만 미국에서만 물리학자 닐이 우라늄광석에서 우라늄-235를 분리해 내는 등 핵실험에 대한 연구를 활발하게 진행할 수 있었다. 1940년 미국의 맥밀란과 시보그는 우라늄-238이 중성자를 흡수하면 새로운 핵분열 물질로 변환된다는 것을 알고 이 물질을 플루토늄이라고 명명하였다. 이 발견은 미국의 핵무기개발 계획인 맨해튼 프로젝트에 큰 영향을 주었다. 미국은 정부 주도하에 1942년부터 1946년까지 프로젝트를 진행하며 약 13만 명의 인력을 동원해 우라늄-235와 플루토늄을 이용한 핵무기를 개발하는 데 성공했다. 그리고 실험용을 제외한 두 개의 핵무기를 일본의 히로시마와 나가사키에 투하했다. 이로써 제2차 세계대전은 종료되었지만 핵무기의 참상을 목격한 각국의 정치인과 과학자들은 원자력을 평화적으로 이용하자는 운동을 전개하고 1953년 12월 8일 UN총회 연설에서 당시 미국 대통령인 아이젠하워가 원자력의 평화적 이용을 선언하며 국제원자력기구(IAEA)의 창설을 제안한다. 원자력이 군사용 무기가 아닌 평화적인 목적으로 발전에 활용되는 계기였다. 그 후 1957년 IAEA가 정식으로 출범하였고 핵무기 개발 경쟁의 주도국들 중 구소련이 1954년 세계 최초로 흑연 감속로를 개발하고 이어서 1956년 영국이 기체냉각로를, 1957년 미국이 가압경수로를 개발하면서 평화적인 원자력시대의 막이 열리게 되었다.
기원
20세기 초 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리에 의해 라듐같은 방사성 원소에서 대량의 에너지를 얻을 수 있다는 사실을 알게 된 이후로 원자력으로 전기를 얻으려는 노력이 시작되었다.하지만 방사성이 강한 원소는 짧은 시간동안만 존재하기 때문에 그 이용이 어려웠다. 초기 핵물리학자인 어니스트 러더퍼드등의 경우 원자력 발전은 허튼소리라고 할 정도였다. 그러나 1930년대 핵분열이 발견된 이후 상황은 바뀌었다. 1932년 제임스 채드윅이 중성자를 발견하였고 이후 1934년 프레데리크와 이레네 졸리오 퀴리가 여러 물질에 중성자를 가하면서 유도 방사능(induced radioactivity)을 발견했다. 이로써 자연 상태의 라듐을 얻는 것보다 훨씬 싼 가격으로 라듐같은 방사성 물질을 얻을 수 있게 되었다. 1930년대 페르미는 저속중성자(slow neutron)를 이용하여 유도 방사능의 효율을 올리는 연구를 하였다. 또한 우라늄에 중성자를 가하여 그가 헤스페륨(Hesperium)이라고 이름붙인 물질을 발견했다고 발표했다.
이용
전쟁중 이용
1938년 독일의 과학자 프리츠 슈트라스만과 오토 한이 핵분열 에너지를 발견하고 1942년 미국의 페르미가 핵분열 연쇄반응을 발견하던 당시, 전 세계는 온통 전쟁의 소용돌이에 휘말려 있었다. 핵무기를 가장 먼저 개발하기 시작한 나라는 독일이었다. 1939년 4월에 독일은 향후 전쟁에 사용할 핵무기를 만들기 위해 '우라늄클럽'이라는 핵에너지 프로젝트를 시작하였고 이 프로젝트에는 하이젠베르크, 보테, 한 등 당시 독일의 저명한 과학자들이 참가하고 있었다.1939년 9월 독일의 폴란드 침공으로 제2차 세계대전이 발발하면서 과학자들이 징집되어 프로젝트는 잠시 중단되었으나 전쟁 시작 후 재개되어 원자로 우라늄 동위원소 분리 등의 연구가 시행되었다. 하지만 독일정부는 핵무기의 효용성이 떨어진다고 판단하면서 1942년쯤 핵무기 프로젝트는 군사 분야에서 연구 분야로 넘어갔고 핵분열을 연구하는 과학자들도 점차 줄어들었다. 하지만 이러한 독일의 핵무기 개발 노력은 영국이나 프랑스 등을 긴장하게 만들었다.
미국 또한 유럽 각국과 마찬가지로 핵분열 물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있었고 1940년 닐이 천연우라늄에서 우라늄-235를 분리해내는 데 성공했다. 같은 해에 맥밀란과 시보그가 우라늄-238에 중성자를 충돌시켜 새로운 핵분열 물질인 플루토늄을 발견하였다. 그러는 와중에 독일의 침공 소식에 자극을 받은 헝가리의 과학자 실라르드가 독일 과학자 아인슈타인을 통해 미국의 루즈벨트 대통령에게 전달한 편지가 계기가 되어 1942년 맨해튼 프로젝트가 시작되었다. 이 프로젝트에는 독일의 나치정부를 피해 미국에 와 있던 유럽의 과학자들과 동맹국인 영국과 캐나다의 과학자들이 참여하게 된다. 노벨상 수상자들까지 포함된 맨해튼 프로젝트팀은 뉴멕시코주 로스앨러모스에 급조된 연구실에서 독일보다 먼저 원자폭탄을 만들기 위해 머리를 맞댔다. 오펜하이머가 프로젝트 전체를 이끌었으며 미국 전역에서 연구가 진행되었다. 연구는 먼저 천연우라늄으로부터 우라늄-235의 분리 연구와 우라늄-235의 농축 연구가 수자원이 풍부했던 오크리지에서 진행되었다. 우라늄-235와 우라늄-238은 화학적으로 성질이 동일하므로 미세한 질량 차이를 이용해 물리적으로 두 동위원소를 분리하여 우라늄-235를 농축하였다. 또한 맥밀란과 시보그가 발견한 또 다른 핵분열 물질인 플루토늄을 생산하는 작업이 핸포드에 있는 원자로에서 이루어졌다. 이렇게 우라늄-235와 플루토늄을 바탕으로 원자폭탄 3개가 완성되었고 그 중에서 플루토늄 원자폭탄 하나를 이용해 1945년 뉴멕시코주의 앨러모고도에서 폭발실험이 진행되었다. 이것이 세계 최초의 원자폭탄 실험인 '트리니티 실험'이다. 이 실험을 통해 핵무기의 엄청난 위력이 확인되었고 1945년 8월 6일과 9일 일본의 히로시마와 나가사키에 각각 우라늄 폭탄과 플루토늄 폭탄이 투하됨으로써 제2차 세계대전이 막을 내린다.
평화적 이용
원자력 찬성론
원자력 반대론
각주
참고자료
- 〈원자력〉, 《위키백과》
- 〈원자력〉, 《나무위키》
- 〈원자력〉, 《네이버 지식백과》
- "Atomic energy", Wikipedia
같이 보기
