핵 물리학에 관해

핵 물리학에 관해

 

흔히 핵 물리학이란 말이 좀 으스스하게 들릴지도 모릅니다. 핵 물리학 하면 깊은 바닷속에서 가공할 파괴력을 가진 핵무기를 가 득 싣고 원자력으로 추진되는 공포의 핵 집·9함부터 떠올릴 분도 많으 리라생각합니다. 뭄론 핵 잠수함이 업청난 잠재 에너지봅 갖고 있는 것은 불림없습니 다. 핵 연료 몇 킬로그램만 있으면 이 거대한 잠수함이 한 번도 뭄 위로 떠오르지 않고 및 담씩 승무원돕의 함내 생황을 유지시키면서 바닷속운 돌아다닐 수 있습니다. 이들이 싣고 다니는 핵탄두의 크기는 장바구니 만하지만도시 하나물파괴할만한엄청난힘을지니고있습니다. 핵 에 너지는 무기에만 쓰이는 것이 아닙니다. 병원에서는 원자핵에서 튀어나 온 입자를 이용해 암세포를 축입니다. 또 의사둘은 인체에 특수한 원자 핵을 집어넣고 이들의 움직임을 추적해서 질병의 유무나 상태롭 진단하 기도 합니다. 지구률 비추는 헷빛도 대양 안에서 일어나는 핵 융합 반응 으로부터 나오는 것입니다. 그런데 이 에너지가 어디 쓰이든 그 원리는 아주단순합니다. ” 핵 어M지는 질량의 변환에서 비롯다 .,, 이렇게 보면 전량이라고 하는 것이 고도로농축된 형태의 에너지임을 알수있습니다 원자핵은밀도가높고무거워서 원자무개의 거의 대부 분윤 차지하지만 부피에서 차지하는 부분은 거의 없습니다. 핵 에너지 와 방사능의 원천인 원자핵은 화학 결합운 수행하는 전지듄과는 별도로 움직입니다. 대부분의 문진에서 원자핵은 안정되어 있고 따라서 변하지 않습니다, 그러나어떤 원자핵둘은 부스러지면서 강한 에너지 입자물 내놓는데 이 입자의 흐릅이 방사선입니다. 이 과정에서 핵의 질량 중 일부가 에너지 로 변합니다. 

 

 

이 에너지는 핵이 분열할 때에도 나오지만 융합할 때도 나옵 니다. 어떤 경우든 원자핵으로부터 나오는 에너지는 질량의 변환으로부 터 비롯되는것입니다, 원자의 속은 거의 텅 비어 있습니다. 우라늄 원자핵이 볼링공이라면 궤 도상의 전지는 서울 크기만한 면적 위에 홀어져 있는 92개의 모래알입 니다 그러나 핵은 크기는 작지만 원자의 질량 중 거의 대부분을 차지합 니다 거침게 말하자면 원자의 크기듭 정하는 것은 전자이고 무게뮬 정 하는 것은 핵입니다. 그렇게 거대한 질방이 작은 부피 안에 세워져 있으 므로 핵 인에 갇혀 있는 에너지는 상상을 초월하는 정도입니다. 이런 이 유 때문에 원자핵 안에서 변화를 일으키는 원자폭탄이 일반적인 화학푹 탄보다 훨씬 더 큰 파괴력을 갖는 것이지요. 보동의 화학 폭발은 궤도상 의 전자를 재배열하는 것입니다. 핵과 원자의 크기 차이룰 보면 몽질의 중요한 특성을 이해할 수 있습 니다. 핵 안에서 일어나는 일은 전자이서 일어나는 일과 변로 관계가 없 고 그 반대도 마찬가지입니다. 변두리에 있는 전지둘은 도시 한복판에 서 핵이 무슨 일을 하든 관심이 없습니다. 핵도 전자에개 관십이 없기는 마찬가지입니다. 화학은 외곽의 전지롤 다루기 때문에 화학 반응은 핵 안에서 일어나는 변화에 별로 영향윤 받지 않습니다. 마찬가지로 전자 가 일으키는 여러 가지 반웅~ 핵에 거의 영향옵 미치지 않습니다. 이런 부성듄로부터 매우 독무한 실용작인 낀과가 나타나게 됩니다. 핵옵 이부는 두 개의 주요 입자, 죽 양성자와 중성자는 핵의 구조 안에 서 강한 힘으로 결합되어 있습니다. 이런 핵의 구조뮬 바꾸려면 엄청난 양의 에너지가 필요합니다. 변두리의 전자는 한 궤도에서 다른 궤도로 이동하면서 가시광선을 내보냅니다.

 

 

그런데 핵 안에서 양성자나 중성자 가 변화하면 가시광선의 백만 배의 에너지물 갖는 감마선을 내놓습니 다. 핵에서 얻윤 수 있는 에너지는 핵 이외의 부분으로부터 얻을 수 있 는 에너지보다 훨씬 큰 것이죠. 거의 모든 핵 에너지는 전량의 변환으로 생겨납니다. 인반작으로 핵 의 질량은 핵을 구성하는 양성자와 중성자의 무게률 다 더한 것보다 약 간 작습니다. 예를 들어. 탄소 원자핵 안에는 여섯 개의 양성자와 여섯 개의 중성자가 있습니다. 그런데 이 탄소 원자핵의 질량은 양성자 여섯 개와 중성자 여섯 개의 질량을 합친 것보다 1% 정도 작습니다. 탄소 원 자핵이 형성원 때 전량의 일부가 E = mt"의 방정 식에 따라 에너지로 빈 환되고 이 에너지가 핵윤 하나로 묶어 두고 있기 때문입니다. 핵이 가진 에너지봅 이용하는 데는 핵분열과 핵융합 두 가지 방법이 있습니다. 양쪽 다 질량의 변환을 몽해 에너지가 얻어지며 두 경우 모 두 핵 시스템의 마지막 상태에서의 질량이 원래 상태의 질량보다 작습 니다.

 

 

핵분열이란 핵이 두 조각 또는 여러 조각으로 쪼개지는 것이 핵 분열입니다. 일반적 으로 이 파편블의 전량윤 합하면 최초의 색의 질량보다 큽니다. 색운 분 열시키려면 에너지릅 무입해야 합니다. 이것은 사람이 장작을 팰 때 도 끼윤 휘듄러서 장작에 에너지몰 가하는 것과 같습니다. 그런데 어떤 경 우에는 파편듄의 질량이 원래 원자색의 질량보다 작을 때가 있습니다. 이 경우 분연은 에너지몹 방충하는데. 이것이 우리가 동상 핵 에너지. 라고부르는것입니다. 분열할 때 에너지봅 내는 것으로 가장 널리 안려진 핵은92개의 양성 자와 143개의 중성자뮬 가진 우라늄 235라고 불리는 우라늄의 동위원 소입니다. 이 동위원소는 자연에 촌재하는 우라늄에서 차지하는 비율이 1%도 안 됩니다. 가장 흔한 형태의 우라늄은 우라늄 238입니다. 속도가 느린 중성자가 우라늄 235와 충돌하면. 핵이 거의 같은 두 개의 파편으 로 쪼개지면서 두세 개 이상의 중성자가 튀어나옵니다. 그런데 이 조각 듐 전체의 질량은 원래 원자핵의 질량보다 작습니다. 죽. 이 질량의 차 이가 에너지로 변환된 것입니다. 이 에너지는 결국 열 에너지의 형태로 방출되는데 이 열이 원자로문 움직여 전릭윤 만들·어냅니다. 지굽 여러분이 읽는 이 책을 비춰주는 빛도 거 기서 나은 빛일지 모릅니다. 여러분이 이 책윤 읽는 순간에도 우라늄 원지들은 여러분에게 빛을 재공하기 위해 죽어가고 있는 것입니다. 원자로의 심장은 노심입니다.

 

 

노심은 수백 개의 연료봉이 듬어 있는 커다란 스테인리스 스틸 그롯입니다. 연료봉은 연필 굵기의 우라 늄 막대기로 우라늄 235물 많이 함유하고 있으며 액재(일반적으로 물)에 의해 서로 분리되어 있습니다. 이 액체의 원자둘은 중성자와 충돋하여 중성자의 속도몹 떨어뜨리는 역할을 합니다. 한 개의 연료봉에서 핵 분 열이 인어나면 속도가 빠론 중성자가 연료봉에서 나오고 몸과 충듄해서 속도가 떨어진 후 다른 연료봉으로 듄어가서 더 많은 핵 분연옵 인으킵 니다. 원자핵 하나가 분열할 때마다 두 개 또는 세 개의 중성자가 나오 는데 이 중성자들은 다른 연료봉에서 또 다른 핵 분열을 일으킵니다. 이 과정을 반복하면 분열을 일으키는 핵의 수는 급속도로 늘어납니다. 이 것을 연쇄 반웅이라고 부릅니다 원자로에서는 이 연쇄 반웅의 속도를 중성자를 홈수하는 뭄질로 만들어 진 재어봉을 연료봉 사이에 집어넣어 조접합니다. 핵 분열에서 나오는 연 에너지는 붐옵 데우고 그렇게 데워진 붐온 팝 프에 의해 노심 밖으로 나갑니다. 이 물은 다움 단계로 들어가서 수중기 믈 만둘이내고 이 수중기가 발전기를 돌려서 전력을 만들어냅니다. 결 국 원자력 발전소가 석탄이나 석유를 연료로 사용하는 재래식 화력 발 전소와 다른 점은 연 에너지를 만들어내는 방법에 있습니다. 일단 열 에 너지로 수중기롭 만들면 그 이후의 과정은 마찬가지입니다.

 

 

원자력 발전소에 일반 대중의 관심옵 끄는 부분이 있다면 그것온 사 고의 가능성입니다. 스리마일 아일랜드나 제르노빈· 같은 이룡들은 이 제 원자로 사고의 대명사처럼 되어버렸습니다. 가장 무서운(그리고 가장 발생 가능성이 희박한) 원자로 사고는 연료봉둘을 분리하는 액체가 빠져 나가 비리는 경우입니다(스리마일 아일랜드에서는 펌프 고장 때문에 액체의 일부가 새나갔습니다). 원자로는 원자폭탄처럼 폭발할 수 없습니다. 감속 재인 액체가 사라져버리면 중성자는 더 이상 속도가 중지 않게 되고 따 라서 연쇄 반옹이 멈춰버리기 때문입니다. 그러나 노심이 여전히 뜨거 우면(온도와 핵의 차원 보두에서) 고온 때문에 노심의 금속이 녹기 시작합 니다. 이 현상을 ·중국 중후군(01ina Syndmm이 이라고 부르는데 이것 은 녹은 헥 연료가 너무 뜨겁기 때문에 땅 속을 뚫고 지구 반대편의 중 국까지 도달한다는 과장된 생각에서 붙여진 이름입니다_ 물론 현실에서 는 녹은 핵 연료가 땅 속 깊이 뚫고 들어갈 지경으로 뜨거워지는 경우는 없습니다. 미국의 여러 원자로들과 마찬가지로 스리마일 아일랜드의 원 자로도 친근 콘크리트 차폐 건물 안에 들어 있었기 때문에 연료봉의 일 부가 녹긴 했지만 방사능 묻질이 밖으로 새어나온 적은 거의 없었습나 다,

 

 

하지만 체르노빌에서는 원자로와 주년 환경 사이에 유리창밖에 없 었기 때문에 전과가 휩씬 더 심각했습니다. 우리가 직면한 문재는 원자력 발전에서 얻어지는 이익윤 위해 여기 수반되는 위험(작은 것이긴 하지만)을 무릅쓸 의사가 있는가 하는 것입니 다, 이것은 과학의 문재가 아니라 가치의 문재입니다. 즉 이익과 대가를 저울질해보는 것입니다, 그러나 이런 결정을 하려면 모든 시민이 원자 로와 방사선에 대한 기본 지식을 갖추고 있어야 합니다, 핵융합« 작은 원자핵 두 개가 합쳐져 좀 미 큰 원자핵 하나률 이두는 것이 핵 융 합입니다. 핵 분열과 마찬가지로 때때로 최종 융합물의 질량이 융합하 기 전 원래 질량보다 더 작습니다, 이 경우에 핵 융합 과정은 에너지물 생산해낼 수 있습니다, 태양과 다른 별들은 네 개의 양성자(네 개의 수소 원자여)가 몇 단계롭 거쳐 헬륨 원자핵과 몇 개의 다론 입자둠을 만듭어 내는 핵 융합윤 봉해 업 청난 에너지봅 만듭어냅니다, 1950년대 이래 미국운 비못한 각국에서 해 융합을 이용한 반전욥 여 러 가지로 연구하고 있습니다. 일반적인 방법은 강력한 자기장 안에 원 자핵둘을 가두어놓고 은도들 을려서 별의 내부와 비슷한 조건을 만드는 것입니다. 핵 융합이 실용화되려면 1억•c 이상의 고온플라즈마상태에 서 원자핵의 충돌을 유도해야 하는데 아직까지 부분적인 실험만 이루어 지고 있을 뿐입니다. 핵 융합 실험이 성공한다고 하더라도 21세기 중반 이 전에는 꿈으로 그칠 것 같습니다. 198')년 봅 미국 유타대하의 과하자 두 명이 색 융합 신협에 성공했다 고 해서 잠시 화재가 된 적이 있습니다. 저온 핵 융합 . 병 속의 핵 융 합 등으로 이롭 붑여진 이 방법은 무한 에너지물 싼 값으로 얻윤 수 있 다는 기대옵 몹러인으켰지만 다른 과학자듄이 이듭이 반표한 방법으로 실험을 해본 견과 한 번도 성공하지 못해 곧 기억에서 사라졌습니다.

 

 

핵 분열 연쇄 반응은 경우에 따라 걷잡을 수 없게 칠 수도 있습니다. 약 20킬로그렙 정도의 우리늄을어딘가에 놓아두면 이 우라늄 덩어리 는 열과 중성자봅 내뿜으며 그 자리에 그대로 있윤 것입니다. 그런데 이 10킬로그뀝짜리 우라늄 덩어리 두 개몹 한데 뭉여놓으면 중성자의 수가 갑자기 늘어나시 풍제할 수 없는 중성자의 홍수몰 이웁니다. 우리는 이 것을 핵 폭발이라고 하지요. 원자폭탄은 이 원리몰 이용해서 정교하게 깎은 두 개의 반구형 우라늄 을 덩어리를 따로 때서 재래식 폭약으로 감싸놓은 것입니다 이 폭약이 폭발하면 그 힘으로 두 개의 반구가 합쳐 지고 우라늄 덩어리는 임계 질량(핵 분입 몸집이 인쇄 반응읍· 일으킬 수 있 는 최소외 집방)윤 녑어서게 됩니다. 수소로 행뮤윤 만드는 융합에서는 더욱 강한 목만이 일어납니다. 이 것이 바로 수소폭탄입니다. 수소폭탄은 원자폭탄을 기목재로 씁니다. 핵 융합을 시작히는 데 필요한 열과 압력을 얻으려면 원자폭탄을 먼저 폭발시켜야 하기 때문입니다. 이렇게 해서 수소폭탄은 태양과 같은 종 류의 에너지를 뿜어냅니다. 원자폭탄은 임계 질량보다 훤싼 크게 만들 수 없지만 수소폭탄의 크기에는 거의 재한이 없습니다. 수소의 양이 많 옵수목 폭밥려도 강해집니다.