이글은 5회 이상완 선배님께서 총동문회 게시판에 옮긴 글입니다.
 
 이름 : 이상완(05)
 
 날짜 : 2005-01-14 12:31:07
 
 제목 : 원자력발전소와 핵폭탄은 근본적으로 달라      2004.10.06 (인용글)




최근 원자력연구소에서 과거에 우라늄과 플루토늄을 추출했다는 사실이 보도되면서 전 세계가 한국을 주목하고 있다. 특히 동 아시아 6개국인 한국과 일본, 중국, 러시아, 미국, 북한이 6자회담을 통해 북핵 문제를 해결해가고 있는 시점에 발생해 상황은 미 묘하게 전개되었고, 국제원자력기구 (IAEA)의 추가사찰을 받기도 했다.

원자력연구소에 따르면 우리 나라는 1980년대에 국내 원자력발전소에 사용될 원전연료에 대한 안전성 실험 과정에서 극소량 의 (수mg) 플루토늄을 검출했다. 또 2000년초에 레이저 연구장치를 이용한 동위원소 분리실험에서 0.2g의 우라늄을 분리했다. 이들 실험은 핵폭탄 개발과는 무관한 연구라는 것이 과학자들의 주장이다. 



수류탄과 같이 작은 폭탄이 만들어지는 것을 보면 수mg의 우라늄이나 플루토늄으로도 핵폭탄을 만들 수 있지 않을까. 그렇지않다. 이유는 우라늄과 플루토늄이 핵폭탄의 위력을 발휘하기 위해서는 중성자의 연쇄반응이 필수적인데, 연쇄반응은 중성자와 부딪힐 수 있는 우라늄과 플루토늄이 주변에 많아야만 가능하기 때문이다.


우라늄235와 중성자가 충돌하면 우라늄235가 2개의 원자와 3개의 중성자로 쪼개진다. 이 중성자가 다시 우라늄235에 충돌해 연쇄반응이 일어난다. 중성자의 속도가 아주 빠르기 때문에 연쇄반응이 일어나려면 농축우라늄이 최소한 수십kg 이상이 있어야 한다. 이 최소 질량을 임계질량이라고 한다. 즉 우라늄과 플루토늄이 연쇄반응을 일으키려면 임계질량 이상이 필요하다.

우라늄 원자폭탄의 임계질량은 원자핵 질량이 2백35인 우라늄235가 93.5%로 농축됐을 경우 25kg이다. 중성자를 반사해 연쇄반응 효율을 높여주는 장치인 10cm 두께의 베릴륨이 있으면 15kg으로도 가능하다. 93.5%로 농축된 플루토늄 239도 임계질량이 11kg이고, 베릴륨 중성자 반사 장치가 있으면 4kg이다. 히로시마에 떨어졌던 우라늄 원자폭탄은 50kg이었다.

원자폭탄은 1945년 7월 16일 미국 뉴멕시코 사막에서 세상을 삼킬 듯한 거대한 불길과 버섯구름을 일으키며 처음 등장했다. 트리니티 테스트 
(Trinity Test)라 불린 이 실험에서 과학자들이 예상한 에너지보다 4배가 넘는 TNT 2만톤과 맞먹는 폭발력을 보였다. 


그런데 핵무기와 관련된 우라늄으로 나오는 것은 항상 농축우라늄이다. 왜 자연에 존재하는 천연 우라늄을 그대로 사용하지 않는 것일까. 천연 우라늄에는 핵분열을 잘하는 우라늄235가 약 0.7%만 존재한다. 나머지 99.3%는 핵분열을 하지 않는 우라늄238이다. 따라서 원자폭탄을 만들려면 천연 우라늄에서 우라늄 235만 추출해 이를 농축하는 과정이 꼭 필요하다.

우라늄을 농축하는 방법으로는 원심분리법, 기체확산법, 화학교환법, 레이저농축법 등이 있다. 이 중에서 원심분리법은 우라늄의 동위원소 질량차이를 이용한 방법으로 대량의 농축우라늄을 만드는데 유용해 세계적으로도 가장 많이 사용된다. 북한도 이 방법을 사용했을 것으로 추측되고 있다.

반면 2000년 초 원자력연구소에서 이용한 레이저농축법은 좁은 장소에도 가능해 비밀스럽게 사용되기도 하지만 대량 생산이 어려워 폭탄을 만드는 데는 적합하지 않은 방법이다. 기체 상태의 우라늄에 강한 레이저를 쏘면 우라늄이 이온상태로 바뀐다. 이 우라늄을 강한 자기장으로 둘러싸인 공간으로 통과시키면 우라늄235와 우라늄238이 분리된다. 무게에 따라 자기장에 영향을 받아 휘는 정도가 다른 특성을 이용하는 방법이다. 



원자력발전에도 우라늄이 사용되는데 왜 폭발하지 않는 것일까. 원자력발전이나 원자폭탄은 모두 우라늄의 핵분열을 이용하지만 근본적인 원리는 다르다. 원자폭탄은 우라늄235가 100% 가까이 농축되어야 하며, 핵폭발에 필요한 최소한의 질량과 크기가 되어야 한다. 이를 임계질량이라 하는데 최소 질량은 25kg이며, 크기는 소프트볼 정도이다. 그러나 원전에서 사용하는 우라늄은 우라늄235를 2~5% 농축한 것으로 절대 폭발할 수 없다. 이는 마치 같은 알콜 성분으로 되어 있으나 폭발성이 있는 공업용 알콜과 맥주와의 차이로 이해될 수 있다.

한편 핵분열 연쇄반응의 속도를 늦추면서 필요한 양의 에너지를 안전하게 뽑아 쓸 수 있게 한 것이 바로 원자력발전이다. 또한 원전은 카드뮴으로 만들어진 제어봉이라는 안전장치를 이용해 핵분열의 속도를 조절한다. 중성자의 일부를 제어봉으로 흡수해 반응이 폭발적으로 일어나지 않도록 한다.


지진과 같은 유사시에는 원자로의 중심인 원전연료 안으로 제어봉을 떨어뜨려 중성자를 흡수, 연쇄반응을 멈추게 한다.

원자력발전소를 말할 때‘경수로’니 ‘중수로’니 하는 말을 많이 한다. 이것은 원자로를 지칭할 때 사용하는 말로 감속재로 쓰이는 물의 종류가 보통 물이면 
경수로, 중수로 만들어진 물을 사용하면 중수로라고 한다. 우리 나라에서는 월성원전 4기가 중수로이고 나머지 15개의 원전은 모두 경수로형이다.


글 ● 박응서 동아사이언스 기자