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[원자력 탐험대 7화] 원자력 발전의 원리 ‘핵분열’

  • 2014.07.09.
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원자력 발전의 원리 ‘핵분열’

원자핵, 중성자와 충돌로 쪼개지며 에너지 만들어
독일 물리학자 프리츠 슈트라스만 처음 발견
분열할 때 줄어든 질량만큼 열 발생 알아 내

 

발전소에서 전기를 만들기 위해서는 발전기를 돌리는데 필요한 힘 즉 에너지가 있어야 한다. 원자력발전에서는 이 에너지를 어떻게 얻을까? 그 답은 ‘핵분열’ 이란 과정에서 찾아 볼 수있다. 핵분열을 이해하기에 앞서 한가지 예를 기억해두자. 물을 담은 냄비를 뜨거운 불로 데우면 어느 순간 냄비뚜껑이 들썩이는 것을 볼 수 있다. 열에너지가 힘에너지로 바뀐것이다. 원자력발전 과정도 이와 같다.

 

△ 핵과 중성자의 충돌

“왜자꾸 때려? 진짜화낸다!”
가만히서있는 친구를 자꾸 건드리면 화를낸다. 동물도마찬가지. 집에서 키우는 강아지를 장난으로 자꾸 괴롭히면 결국 귀여운 모습은 사라지고 으르렁거리게 마련이다.
핵분열도 이와 비슷하다. 원자력 발전의 연료인 우라늄은 무거운 원자의 핵에 중성자가 자꾸 부딪치면서 일어난다.
“야, 중성자 너 왜 자꾸 날 때리는 거야?”
중성자의 충돌로 화가난원자핵은 얼굴이 빨갛게 달아오를 정도로 흥분해 결국 화를 내고 만다. 원자핵은 화를 낼 때 제몸을 쪼개는 성질이 있다. 즉, 중성자가 원자핵을 때리면 화가 난 원자핵은 작은 원자핵과 중성자로 다시 쪼개지는것.(그림참조) 이 때 화가난 원자핵은 열을 내뿜는다. 그리고 쪼개진 원자핵과 중성자는 다시 충돌한다. 결과는 어떻게 될까? 또 다시 원자핵은 화가나서 더 작은 원자핵과 중성자로 쪼개지기를 몇 번이고 반복한다.

원자모형

△핵분열의발견

눈에보이지않는아주작은원자란세계의 다툼(?)이 세상에 알려진건 우연한 발견이라 할 수 있다.

20세기초과학자들은 원자핵에 무언가를 더하면 새로운 물질을 만들수 있을거라 예상했다. 마치 중세시대의 연금술처럼. 그래서 원자핵에 중성자를 보태기로하고 실험을 거듭한다.

“아니, 이럴 수가 중성자가 원자핵과 부딪혀 합쳐지기는 커녕 쪼개지고 마네?”

자연 상태에서 우라늄의 원자핵은 중성자와 양성자가 사이좋게 똘똘 뭉쳐 있다. 그래서 과학자들은 중성자를 더하면 원자핵이 이를 흡수해 더 큰덩어리가 될줄 알았다. 하지만 이런 예상은 빗나가고 오히려 더 작은 원자핵과 여기서 부스러기처럼 떨어진 중성자로 나뉜다는 것을 알게 됐다.

독일의물리학자인프리츠슈트라스만(1902~1980)이 1938년 이러한 우라늄의 핵분열을 처음 발견한다. 그런데 과학자들을 당황하게 만든 건 이뿐이 아니었다. 핵분열 과정에서 원자핵의 무게(질량)가줄었기 때문이다.

 
△사라진 질량은 에너지로

“도대체 질량이 줄어든 이유가 뭐야? 원자핵이 쪼개진 것뿐이잖아?”

과학자들은 조각난 원자핵의 일부를 찾지 못한 탓이라고 여겼다. 사과를 여러 조각으로 잘랐는데, 어느 한 조각을 잃어버려 질량이 준 것과 같다고 생각했다. 하지만 샅샅이 찾아봐도 모든 조각이 다 있다는 것을 알게 되고는 놀랄 수 밖에 없었다.
결국 과학자들은 그 이유를 밝혀내기 위해 다시 실험을 거듭했다.

“사라진 질량은 어디로간것일까?”

연구에 몰두한 과학자들은 마침내 질량이 줄어든 이유를 찾았다. 질량만큼의 에너지가 핵분열이 일어나면서 생겨난 것이다. 좀 더 구체적으로 말하자면, 작은 원자핵과 중성자로 쪼개지는 핵분열 과정에서 사라진 질량만큼의 열을 내뿜은 것이다.
핵분열의 과정에서 열이 생겨나는 것을 알아낸 점은, 열 에너지의 이용 가능성을 확인한 중요한 발견이다. 하지만 이것만으로는 아직 원자력 발전에 이르기엔 한계가 있다.

다음 시간에는‘핵분열의 연쇄 반응’을 통해 비로소 원자력 발전이 가능해진 이유를 확인해 보자.

원자력탐험대 7회

– 작성 : 소년한국일보 윤석빈 기자 binys@snhk.co.kr

– 원문보기 : 소년한국일보 http://ka.do/kQEg

 

 

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