원자의 에너지
원자의 거대한 에너지
핵융합과 핵분열
원자는 어떻게 에너지를 방출하는 것일까요?
원자는 인간의 눈은 물론 현미경으로도 식별할 수 없을 만큼 매우 작은 입자입니다.
그런데 원자의 크기를 축구장으로 생각한다면 원자핵은 운동장 한가운데 놓인 축구공, 전자는 관람석을 이리저리 돌아다니는 개미 크기 정도입니다.
원자핵은 작지만 질량은 매우 커서 원자 무게의 99.99%를 차지하고 있습니다. 원소에 따라서 원자핵에는 여러 개의 양성자와 중성자가 서로 뭉쳐 있습니다. 아주 작은 공간에 같은 극성을 띤 양성자들이 여러 개 있다는 것은, 양성자들과 중성자들이 서로 매우 단단하고 강한 힘(강핵력)으로 결합되어 있다는 것을 의미합니다. 그런데 이 결합에 변화가 생기면 원자핵을 서로 결합시키고 있던 에너지가 방출되는데, 이를‘핵에너지’라고 합니다. 과학적으로 보면 원자력은 틀린 용어이고 핵에너지가 맞지만, 통상 “원자(핵)에서 나오는 에너지 또는 이에 의해 발생하는 힘을 우리가 쓴다”라고 해서 원자력이라고 부릅니다.
원자력은 하나의 원자핵이 쪼개지거나(핵분열) 두 개의 원자핵이 합쳐지는(핵융합) ‘핵반응’을 통해 발생합니다. 우리가 사용하고 있는 원자력에너지 기술은 모두 핵분열 반응을 이용하며, 이 기술을 이용해 전기를 생산하기도 하고 다양한 실험과 연구를 수행하고 있습니다.
대표적인 핵분열 물질은 우라늄(U)-235입니다. 사람에게는 쌍둥이가 있듯이, 자연계에도 같은 종류의 원자이지만 중성자의 개수 차이로 우라늄(U)-235와 우라늄(U)-238처럼 질량이 다른 경우도 존재합니다. 이처럼 원자의 종류는 같은데 질량이 다른 원소들을 동위원소라고 부릅니다. 이들은 화학적 성질이 조금씩 다른데, 우라늄(U)-235는 중성자와 부딪히면 핵분열이 잘 일어나지만, 우라늄(U)-238은 오히려 중성자를 흡수하는 특징이 있습니다. 원자력 시설에서 우라늄(U)-235를 사용하는 이유입니다.
하지만 우라늄(U)-235는 자연계에 1%도 존재하지 않아 연쇄적인 핵분열 반응을 일으키기가 매우 어렵습니다. 그래서 이를 연료로 사용하기 위해서는 반드시 농축 과정을 거쳐야합니다. 일반적으로 원자력발전소는 우라늄(U)-235를 소량(2~5%) 포함합니다.
핵융합 반응은 현재 태양이나 별과 같은 항성에서 주로 발생하는데, 지구에서도 핵융합 반응을 이용한 에너지 생산 기술을 국제 프로젝트 ITER를 통해서 개발하고 있습니다.
※ ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor): 국제핵융합실험로
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