핵분열과 그를 이용한 에너지에 대한 고찰

핵분열과 그를 이용한 에너지에 대한 고찰     이 준 택(건국대)     “원자력발전”이란 말은 거짓이다! “핵발전”이다!     1. 개요   20세기의 새로운 패러다임은 양자론과 상대론, 이 2가지 이론이 대두되며 시작되었다.   우리가 알고 있는 척도로 대략 1미터 정도를 생각해 보자. 1미터를 백등분(1/100)하면 1cm가 되고, 1cm를 십등분(1/10)하면 1mm가 되는데, 그것을 다시 천등분(1/1000)하면 마이크로미터가 되고, 그것을 다시 천등분(1/1000) 했을 때 소위 나노미터(nanometer)가 된다. 그 나노미터보다 작은 게 원자다. 1m에서 십억등분한 정도가 원자의 크기라고 한다면, 그것을 또 다시 만등분(1/10,000) 내지 10만등분(1/100,000)한 것이 원자핵이다. 그래서 원자와 원자핵의 크기를 비교한다면 약 일대 일조분의 일 (1 : 1/1조)로 생각하시면 된다. 원자는 그 정도로 작은 스케일이다.   원자의 중심부에 들어가 있는 원자핵의 질량은 매우 커서 (원자의) 총질량의 99%를 차지한다. 그런데 여기서 어떻게 에너지가 나오는가? 또 그 에너지는 질량과 어떻게 되는가? 그 열쇠가 아인슈타인의 상대성이론이다. “질량은 에너지로 변환될 수 있고, 에너지는 질량으로 변환될 수 있다.” 는 질량과 에너지 등가원리(E = mC2)! 20세기의 새로운 패러다임은 이렇게 시작된다.   오늘날 원자력에너지로 일컫는 것에 대한 올바른 표현부터 정립해야 한다. 요즘 흔히 이야기되고 있는 원자력에너지, 원자력발전이란 말은 모두 거짓이다. 결론부터 말하자면, 원자력에너지란 없다! 즉 '원자'가 아닌 '원자핵'을 분열시켜서 에너지를 얻는 것이다.   원자의 스케일은 원자핵에 비한다면 ‘1:1/1조’에 불과하다. 원자의 껍데기에 돌고 있는 전자를 주고받는 것이 원자와 원자 사이에 작용하는 힘이다. 이를 테면, 강철은 철(Fe) 원자(원자번호 26)들이 굉장히 강한 힘으로 작용하고 있기 때문에 강철로 만든 케이블로써 수백톤의 물체도 들어 올릴 수 있다. 그게 원자들의 힘이다.   탄소에 산소를 결합하면( C +O₂) 불이 나서 타버린다. Co₂가 만들어지는 과정이 그렇다. 탄소가스의 발생, (온실가스의 발생 때문에) 요즘 그것이 기후변화 등 문제가 된다. 그것이 화학반응이고 원자들 사이에 작용하는 힘이다. 그런데 원자핵은 원자보다 훨씬 더 작은 ‘1조분의 1’ 스케일이다. 그렇게 작은 원자핵에서 나오는 에너지는 원자들이 결합할 때 나오는 에너지보다 훨씬 큰, 적어도 수십만 배 내지 수백만 배의 큰 에너지이다. 그러니까 같은 전자라 해도 원자에서 나오는 전자와 원자핵에서 나오는 전자는 질이 다르다. 원자핵에서 나오는 것은 적어도 일반적인 전자보다 십만 배, 백만 배 이상 큰 에너지이다.   그렇게 큰 에너지가 되니까 사람이 거기에 노출되면 문제가 있을 수 있는 것이다. 한꺼번에 다량으로 쪼이게 되면 즉사를 하고, 어느 정도 소량 쪼이게 되면 DNA가 파괴되며 다음 세대에까지 문제가 생긴다. 이런 사실을 가리고 “원자력에너지”, “원자력발전” 이렇게 부르는데, 잘못되었다. “핵발전”, “핵분열에 의한 에너지”라고 해야 한다. 굉장히 큰 잘못이다. 그래서 독일에서는 분명하게 “핵발전”이라고 부른다. 우리나라는 아니다. “원자력발전”이라고 거짓말을 하고 있다.      2. 핵분열     의외의 실험 결과 우라늄 1kg의 에너지 세기 - TNT 약 2천만kg     그러면 핵분열은 어떻게 일어나는가? 1938년 독일 베를린의 달렘(Dalem)에 있는 카이저 빌헬름 연구소(Kaiser Wilhelm Institut)의 오토 한(Otto Hahn) 등이 실험을 했다. 중성자를 이용해서 우라늄 원자를 때려주면 (중성자는 전하를 띠고 있지 않기 때문에 원자에 달라붙을 것이므로) 핵이 변환될 것이고, 그러한 가정 하에 트랜스 우라늄(Trans uranium, 원자번호 92인 우라늄보다 질량이 큰 원소) 생성을 기대한 실험이었다. 쉽게 말해서, 중성자로 우라늄-238을 때려주면 우라늄-239가 되는 변환이 이루어질 것이고 그러한 과정을 통해 트랜스 우라늄, 즉 보다 무거운 또 다른 우라늄이 만들어질 것이라고 기대를 했던 것이다. 그런데 원자가 변환되기는커녕 깨져버렸다. 두 조각이 나버렸다. 이것이 최초의 “핵분열”이다. 그리고 1년 뒤, 더욱 진행된 실험에서는 부가적으로 굉장히 큰 에너지가 나왔다. 이 외 여러 가지 다른 중요한 결과가 더 나오고 나서 당시 이와 관련한 논문들은 모두 보도관제가 되버렸다.     *. 관리자 주 - 우라늄은 핵속에 92개의 양성자와 그 주위를 돌고 있는 92개의 전자를 가지고 있으며, 234, 235, 238의 질량수를 갖는 3종의 동위원소 혼합물로 자연에서 발견된다. 이 가운데 우라늄 238(U-238)은 핵속에 146개의 중성자를 가지고 있고, 자연에서 나오는 우라늄의 99%를 차지하며, 우라늄 235(U-235)는 143개의 중성자를 가지고 있으며 자연에 존재하는 우라늄의 0.7% 정도로 아주 작은 양을 차지한다. 우라늄 234는 142개의 중성자를 가지고 있고 극소량만이 자연에 존재한다.   그렇다면 에너지의 세기와 양은 어떠한가? 1kg의 우라늄이 쪼개졌다면, TNT 약 2만톤 즉, 1kg의 우라늄은 TNT 약 2천만kg에 맞먹는 에너지를 내보낸다는 얘기다. 우라늄보다 무거운 원소를 만들고자 했었는데, 의외로 새로운 양상이 전개되었다.      3. 문제점     방출된 핵종들은 강한 방사능을 낸다 요오드, 세슘, 스트론튬의 반감기 30년!   (원자가) 쪼개지기 전의 질량과 쪼개지고 났을 때의 질량을 모두 합하자 차이가 생겼다. 그 차이에다 빛의 속도의 제곱을 하면 그 때 나오는 에너지가 계산된다. 실제 계산해 보니, 보통 전자가 결합되어 있는 에너지의 백만 배 이상의 에너지가 나온다는 것을 계산할 수 있었다. 그런데 원자는 다양한 형태로 깨진다. 구슬 238개 모아 놓은 것을 땅 때렸다고 생각해 보면 쉽게 짐작이 갈 것이다. 구슬이 똑같은 모양으로 깨지라는 법은 없다. 질량이 작은 것에서부터 큰 것 등 여러 가지 형태로 깨진다. 그것을 다 모아보니 이런 그림이 됐다.     열중성자에 의한 235U, 239Pu과 233U 핵분열 물질들     질량수 100개짜리가 있고, 132개짜리가 있었다. 질량수 90 근처와 130근처에서 피크를 보이는 것을 포함, 대략 질량수 80~160까지 다양하다. 이렇게 방출된 다양한 핵종들 중의 많은 것들이 강한 방사능을 내거나 수년 ~ 30년의 반감기를 갖는 극히 위험한 것들이다. 그 중에서도 요오드, 세슘, 스트론튬은 굉장히 방사능이 강할뿐더러 반감기가 30년 정도나 된다. 30년이 지나도 방사능은 절반 정도 밖에 줄어들지 않는다. 30년이면 한 세대가 태어나 결혼을 해서 다음 세대를 낳는 기간이다.   *. 요오드(129I, 131I과 132I), 세슘 (137Cs), 스트론튬(89Sr,90Sr)       핵연료 사용 가능한 핵종   핵물질에는 핵연료로 사용할 수 있는 물질들과 핵분열을 일으키고 난 후(사용 후)의 물질이 있다. 흔히 핵발전(원전) 사용 전과 사용 후의 두 종류를 싸잡아서 말하는데, 이것은 심히 잘못된 것이다. 다음의 표는 핵연료로 사용이 가능한 물질(핵종)들에 대한 개략적인 특성을 열거하였다.       핵분열 후의 생성물질(파쇄핵)   핵 분열 시에 생성이 된 핵종들의 반감기와 방사능의 종류는 대략 아래와 같다.     동위원소 방사선 반감기 GI absorption 90Sr / 90Y β 28 years 30% 137Cs β,γ 30 years 100% 147Pm β 2.6 years 0.01% 144Ce β,γ 285 days 0.01% 106Ru/106Rh β,γ 1.0 years 0.03% 95Zr β,γ 65 days 0.01% 89Sr β 51 days 30% 103Ru β,γ 39.7 days 0.03% 95Nb β,γ 35 days 0.01% 141Ce β,γ 33 days 0.01% 140Ba/140La β,γ 12.8 days 5% 131I β,γ 8.05 days 100% 3T, 3H β 13 years 100% * 3T,3H(삼중수소): 오염이 된 물은 피부를 통하여 흡수도 가능     완전한 안정 상태에 이를 때까지 2세대, 3세대... 끊임없이 쪼개져 나온다!   방사능은 핵이 쪼개졌을 때 나온다. 우라늄은 양성자가 92개인데, 중성자는 146개이다(238U). 약 2:3의 비율로 중성자가 많다. 자연 상태에서 양성자와 중성자의 수가 같은 것은 헬륨, 탄소, 산소 등이다. 그런데 우라늄에서 쪼개진 것은 2;3의 비율로 중성자가 많다. 중성자가 많은 것들은 불안정한 상태에서 안정된 쪽으로 가기 위해 방사능을 낸다. 그래서 한 번 쪼개진 방사능은 다시 2세대, 3세대 그런 형태로 계속 쪼개져 나오는 것이다.   우라늄이 중성자에 의해서 쪼개지면 텔루리움과 지르코늄으로 붕괴되지만, 이들은 다시 요오드와 니오븀으로 붕괴하고, 요오드와 니오븀은 다시 안정된 세슘과 루테늄으로 변환된다.   이렇게 붕괴가 지속될 때마다 방사능이 나오는데, 모두 우리한테 좋지 않은 강한 에너지가 든 전자가 나오게 된다. 많이 쪼이게 되면 죽을 수 있는. 이런 것들이 항상 우리에게 문제가 된다.     핵분열 후 물질의 방사능 세기   아래 그림은 어떤 핵종이 얼마의 반감기를 갖고 있으며, 어떻게 붕괴가 되고, 방사능의 세기는 어느 정도인지를 나타내 준다.       방사능 세기의 단위는 ‘베크렐(Bq)', 큐리(Ci)'로 읽는다. ‘113 Mega Ci’는 113메가큐리, ‘48.5 Giga Ci’는 48.5기가큐리......       1차적인 방사능의 세기가 마이크로 큐리에서 수백 메가큐리(일조 배 이상) ~ 수십 기가큐리(만 조배 이상)로!   핵은 그냥 놔두었을 때는 나오는 둥 마는 둥 하지만, 일단 쪼개고 나면 그 쪼가리들이 어마어마한 방사능을 내보내는데, 우라늄(질량수 238, 235) 핵종 1g을 그대로 보관해 둔다고 하면 (즉, 원자로에서 붕괴를 시키지 않으면), 그 방사능의 세기는 고작 0.34 마이크로 큐리와 2.16 마이크로 큐리 정도이지만, 이들을 태우면 (에너지를 얻기 위해 핵분열을 시키면) 우선 1차적으로 텔루리움이 113메가큐리의 세기로, 그리고 지르코늄이 48.5기가큐리의 세기로 각각 베타선을 방출한다. 1차적인 방사능의 세기가 마이크로 큐리에서 수백 메가큐리(일조 배 이상) ~ 수십 기가큐리(만 조배 이상)로 된다. 물론, 그 텔루리움과 지르코늄이 방사성 붕괴를 하고 난 후 생성이 된 요오드와 니오븀 또한 두 번, 세 번의 방사능 붕괴를 거듭한다.     우라늄은 일단 쪼개지면, “메가큐리”, “기가큐리” 단위로 불려지는 어마어마하게 큰 양의 방사능을 내보낸다.      술과 담배는 건강에 위험한 것이니 빨리 마시고 피워 없애야만 하는가?   장님이 멀쩡한 사람들을 위험으로 인도한다. 현란한 미사여구와 주로 자신들이 사용하는 용어를 구사하여 일반 대중은 채 감지하지 못하도록 연막을 쳐 놓고선 마음대로 잘못을 저지르고 있다. 참고로 지난봄에 나왔던 기사내용을 발췌해 보았다.     "'핵물질 태우기 위해 원전 필요하다'?…무식한 청와대" 청와대 관계자 '핵안보에 원전 필수' 발언에 "무지몽매" 비난    채은하 기자 / 프레시안 / 기사입력 2012-03-30   청와대가 "원자력 발전을 해야 현재 상존하고 있는 핵물질들을 소진시킬 수 있다"는 주장을 내놔 "무지몽매한 궤변"이라는 비판이 쏟아지고 있다.   청와대 고위관계자는 29일 춘추관에서 기자들과 만나 원전 반대 여론이 확산되고 있는 것에 대해 "원자력 발전이 없으면 핵물질이 어디로 가겠느냐. 고농축우라늄(HEU), 플루토늄은 원자로에서 태워야한다"면서 "확실하게 없애는 방법은 원전에서 태우는 게 가장 좋은 방법"이라고 주장했다.   그는 "현재 전 세계에 고농축우라늄(HEU) 1600t과 플루토늄 500t이 존재하고 있으며, 이는 핵무기 12만6000개 이상을 만들 수 있는 양"이라며 "HEU와 플루토늄은 땅에 묻어도 없어지지 않으며 태우는 게 확실한 제거 방법이고, 이를 위해서도 원자력 발전을 해야 한다"고 말했다.   그는 "일각에서 원전을 없애야 핵안보가 된다는 주장을 하는 것을 보고 한마디 해주고 싶었지만 못했다. 무지몽매한 사람들한테 잘 알려줘라"면서 "원전이 없으면 핵안보는 할 수 없다"고 강변했다.   원문보기 : http://www.pressian.com/article/article.asp?article_num=60120330113027      위험하니까 빨리 태워 없애야 된다? 핵물질은 위험하니까 그냥 놔두면 안 되므로 원전을 이용해 태워야만 한다? (핵물질이라는 것은) 말씀드린 바와 같이, 쪼개지기 전의 우라늄의 방사능 세기와 쪼개지고 난 후 핵분열 물질들의 방사능 세기는 비교가 되지 않는다. 수십억 배 내지 수조 배 정도로 커진다. 그냥 놔두면 될 걸 왜 쪼개가지고 일을 크게 만드는가. 그리고 새로운 기술, 신기술 어쩌고 하는데, 일반 대중이 알아듣기 힘든, 전문가들이나 겨우 알 수 있는 그런 어려운 어휘를 사용해가며 “원전은 안전하다”거나 “기술이 발전되어 있다”고 국민들을 호도하고 있다. 여기에 어떤 문제가 있는지 분명히 파헤쳐가야 된다.      4. 논의   마이크로 큐리(1큐리의 백만분의 일)의 방사능의 세기를 수십 기가큐리(수백억 큐리)로 방사능의 양을 폭발시킨다. 그런데 우리나라는 기술이 좋아서 위험하지 않단다. 미국, 러시아, 일본이 한국보다 기술력이 뒤진 후진국이어서 사고가 난 것인가?   후쿠시마와 같은 참사를 눈앞에서 보고도 한통속인 IAEA의 보증으로 고리, (더 나아가 월성) 핵발전소를 재가동시키겠다는, (국민의 안전은 안중에도 없는) 초지일관! 이제 국민이 나서서 국민의 종들을 말려야만 하지 않을까.   기존의 원전(엄밀히 말하면 핵분열에너지를 이용한 발전소)이나 여러 형태의 미사여구를 동원한 새로운 원전이란 것은 이미 현존하는 원전과 약간의 차이가 있을 뿐, 근본적인 문제는 핵분열 후의 산물들에 관한 것이다. 이에 따르는 어마어마한 부담은 결코 그렇게 희망적일 수 없고, 절망적이다.   이유는 아직 핵반응이 일어나고 있는 상태를 불을 끄는 것처럼(화학반응을 멈추게) 할 수 있는 방법이 없다는 것이다.   핵연료 물질들은 놔두었을 때는 큰 문제가 없다. 그러나 일단 쪼개고 나면 계속 쪼개지는 성질을 갖고 있다. 결코 멈추지 않는다. 모든 물리학자들이 연구를 하고 있지만, 일단 핵이 붕괴되고 났을 때 그것이 계속 붕괴되는 것을 막을 방법은 없다. 연구는 하지만 진전이 없다. 결국 우리는 핵연료 물질을 쪼개지 말아야 한다는 것이다. 그리고 거기에 대해서 그냥 반대만 할 게 아니라 우리 스스로 어떤 행동을 보여야 되고, 좀 더 명확하게 알아야 한다고 본다. ♣     참고: 용어설명       원자핵 (Nucleus)     Atomic nucleus, 원자의 99.9%의 질량이 핵에 집중되어 있으며, 일반적으로 원자와 원자핵의 체적비는 1 : 1012 (1조 분의 1)이하이며 양성자와 중성자로 구성         핵자(Nucleon)     핵을 구성하고 있는 양성자(p, proton)와 중성자(n, neutron)들             핵종의 표시     특정한 핵종 X에 대하여 양성자의 수 Z와 질량수 A로 표시, 예, ZXA, AX, 12C, 6C12, 92U238, 238U … 여기서 질량수(A)는 핵을 구성하고 있는 핵자 들의 총 수로 A = Z + N, Z는 양성자의 수, N는 중성자의 수이다. 예, 92U238(혹은 238U)의 경우 양성자 92개, 중성자의 수가 146, 질량수가 238,         동위원소 (Isotopes)     양성자의 수는 같으나(화학적인 성질이 같음) 중성자의 수가 다른 핵종들. 예 234U, 235U, 238U         방사성붕괴         특정한 핵이 (자발적으로) 방사능을 방출하면서 붕괴를 하는 것.     , 알파(알파선)     헬륨(4He)의 원자핵, 전하가 +2e,         , 베타(베타선)     원자핵에서 나오는 전자, 전하가 – e(+ e, 베타+의 경우)     , 감마(감마선)         원자핵에서 방출되는 투과력이 강한 큰 에너지의 전자기파     동중(重)원소 (Isobars)         질량수가 같은 핵종 들 양성자, 중성자의 수가 서로 다르다. 예, 90Th233, 91Pa233, 92U233         동중(中)원소 (Isotones)         중성자의 수가 같은 핵종 들. 예, 13C, 14N, 15O 이들은 공히 중성자의 수가 7     이성핵 (Isomers)     특정한 핵의 여기상태, 측정 가능한 수명의 핵종들. 예, 60Co, 60Co*         붕괴상수 (decay constant)         특정한 핵의 붕괴되는 확률. 예, (137Cs) ~ 2.2x10-8/s, (131I) ~ 9.9x10-7/s     반감기 (half life)     방사성 붕괴로 처음의 양이 절반으로 줄어드는 데 소요시각. 예, t1/2(238U) ~ 45억년         열중성자         Thermal neutron, 에너지 1/40 eV     , 알파(알파선)     헬륨(4He)의 원자핵, 전하가 +2e,     고속중성자     Fast neutron, 에너지 0.1 ~ 10 MeV     - ** -     관리자 주     • 핵분열   원자력 발전의 핵심이 되는 핵분열은 중성자가 우라늄의 원자핵을 때려서 그 핵이 두 토막으로 쪼개지는 현상을 말한다. 독일 과학자인 오토 한과 프리츠 슈트라스만이 1938년 12월 우라늄에 중성자를 발사하는 실험을 통해 처음 발견했다.   원래 이들의 의도는 원자핵에 중성자를 쏘아 넣어 더 무거운 초우라늄 원소를 만드는 게 목적이었으나, 중성자와 부딪힌 우라늄은 쪼개지면서 뜻밖에도 훨씬 가벼운 원소인 바륨과 크립톤을 만들었다. 큰 에너지를 가지고 있지 않은 중성자가 무거운 원자핵을 둘로 쪼개는 것은 마치 물방울을 날렸더니 바위가 반으로 쪼개진 것과 같은 일이었다. 뜻밖의 실험 결과가 나온 것이다.     스웨덴의 과학자 리제 마이트너와 그의 조카인 오토 프리시는 이듬해인 1939년 1월에, 열중성자를 충돌시킨 우라늄 핵이 에너지를 내뿜으면서 비슷한 질량을 가진 두 개의 원소로 깨진다는 것을 실험하였다. 연속된 실험을 통해 이들이 얻은 결론은 중성자를 흡수한 원자핵이 불안정한 상태로 바뀌고 흔들리다가 마치 세포가 나뉘듯이 바륨과 크립톤으로 쪼개진다는 것이었다. 이 현상이 생물 세포의 분열과 비슷하다고 하여 핵분열이란 표현을 쓰게 되었다. 마이트너는 우라늄 원자핵이 작은 원자핵으로 분열할 때 2억 전자볼트나 되는 엄청난 에너지를 내뿜는다는 것을 계산을 통해 밝혀냈다.     자연적으로는 일어나지 않는다!   핵분열은 알파 붕괴, 베타 붕괴, 감마 붕괴 등과 같은 자연 방사성 붕괴 현상처럼 무거운 원자핵이 저절로 쪼개지는 현상은 아니다. 자연에서 천연 우라늄은 절대로 핵분열을 일으키지 않는다. 우라늄과 같은 무거운 원자핵에 열중성자처럼 아주 느린 속도의 중성자가 충돌했을 때에만 중성자가 우라늄 원자핵 속으로 밀고 들어가 우라늄에 속한 전체 양성자와 중성자를 분열시킨다. 외부에서 온 느린 중성자가 원자핵과 먼저 합쳐져 안정된 상태를 불안정한 상태로 만들어 놓은 뒤 분열 과정을 거치게 되는 것이다.   원자핵이 분열하면서 내놓는 물질들이 앞에서 얘기한 바륨과 크립톤인데, 이 외에 또 다른 알갱이인 중성자도 2~3개 발생한다. 그 순간에 엄청난 에너지가 열로 바뀌어 나온다. 이때 나오는 중성자의 속도는 엄청나게 빨라서 핵분열을 이용해 에너지를 계속해서 얻기 위해서는 빠른 중성자를 느린 중성자로 바꿔 줄 무언가가 필요해지게 된다. 이러한 이유로 원자력 발전소 등에서는 물이나 중수 등을 이용해 핵분열로 새로 생겨난 빠른 속도의 중성자를 느린 속도의 열중성자로 다시 바꾸어 핵분열을 계속해서 다시 일으키도록 하는 것이고, 이 과정을 통해 발생하는 엄청난 열로 물을 끓여서 증기 터빈을 돌려 전기를 만드는 것이다.     • 방사성 붕괴   불안정한 상태의 원자핵이 자발적으로 어떤 종류의 입자 또는 방사선을 방출하고 안정한 상태의 다른 원자핵으로 전환하는 과정을 말한다. 그 종류로는 알파(α) 붕괴, 베타(β) 붕괴, 감마(γ) 붕괴 등이 있는데, 알파 붕괴를 겪으면 질량수가 크게 줄어들지만, 베타 붕괴의 경우에는 질량수에 변화가 없다. 감마 붕괴의 경우에도 질량수의 변화가 일어나지 않고, 핵은 에너지 상태가 안정되게 된다. 방사성 붕괴를 하는 원자핵(또는 원자)을 방사성 핵종(또는 원소)이라고 부른다.   방사성 붕괴와 원자핵 분열의 가장 큰 다른 점은 바로 “원자핵이 자발적으로 쪼개지는가?”에 있다. 핵분열의 경우 다른 중성자가 부딪혀서 안정된 원자핵을 불안정한 상태로 만들어 핵분열을 일으키지만, 방사성 붕괴는 원자핵 스스로가 불안정한 상태에서 방사선을 내뿜고 안정한 상태로 전환되는 것이다. 무엇보다 핵분열은 자연 상태에서는 절대 일어나지 않는다.♣