여러분은 원자력발전이 어떤 원리로 에너지를 생산하는지 아시나요? 간단히 말하자면, 원자 내 핵분열(fission) 시 발생하는 열로 물을 끓여 증기를 만들고 그 증기로 터빈*을 가동해 전기에너지를 만드는 것이 바로 원자력발전인데요. 오늘은 이 정도의 상식적 지식에서 한 발 더 깊이 들어가 원자력발전의 원리에 대해 한번 제대로 알아보도록 하겠습니다.

*터빈(turbine) : 높은 압력의 유체(기체와 액체)를 날개바퀴의 날개에 부딪치게 함으로써 회전하는 힘을 얻는 원동기. 사용하는 유체의 종류에 따라 수력 터빈, 증기 터빈, 가스 터빈이 있다.

그러려면 먼저 ‘원자’가 무엇인지 알아야겠는데요. 원자의 개념을 설명하기 전에 먼저 가벼운 명칭 논쟁 먼저 소개하며 시작해볼까 해요. 혹자는 ‘원자력발전소’라는 명칭이 잘못된 것이라 말하기도 하는데요. 왜냐. 물리학적으로 말하자면 원자력발전소에서 사용하는 에너지는 원자력이 아니라 ‘(원자)핵력’이기 때문이에요. 따라서 원자력발전소가 아닌 ‘핵발전소’가 맞다는 겁니다. 원자력발전소를 영어로 대개 Nuclear Power Plant라고 쓰는데 Nuclear가 원자(atom)가 아닌 원자핵을 말하거든요.

이제 본론입니다. 자, 다들 심호흡 한번 하시고, 눈을 크게 뜹니다. 우리를 둘러싼 수많은 물질은 각기 다른 원소 그리고 원소의 조합으로 이루어져 있죠. 그 수많은 물질(원소)을 구성하는 기본 입자가 바로 원자입니다. 원소와 원자의 차이가 뭐냐고요? 원소는 추상적인 개념이에요. 수소, 산소, 탄소, 철, 리튬 같은 거 말이에요. 중·고등학교 화학시간에 다들 원소기호표 암기하던 기억, 벌써 잊은 건 아니겠죠? 반면 원자는 셀 수 있습니다. 입자이므로 계량이 가능하죠. 분자도 원자와 같은 과입니다. 여러 원자의 화학적 결합으로 이루어져, 물질의 고유한 성질을 가지는 가장 작은 입자가 바로 분자거든요.

원자는 원자핵과 전자로 나뉩니다. 그리고 원자핵은 또 양성자와 중성자로 나뉘어요. 이중 전기적 성질을 띠지 않는 것이 하나 있습니다. 바로 오늘의 주인공 중성자입니다. 양성자는 +(양전하), 전자는 -(음전하)를 띠고요. 한 원자를 구성하는 양성자의 양전하량과 전자의 음전하량은 같습니다.

▲ 원소를 구분하기 쉽게 성질에 따라 배열한 주기율표

원자의 특성을 나타내는 것, 또는 원자를 구분짓는 항목으로는 원자번호와 원자량 등이 있는데요. 먼저 원자번호(atomic number)는 양성자의 개수로부터 도출됩니다. 예를 들어 원자번호 1번인 수소는 양성자가 1개고, 가장 큰 원자번호인 92번 우라늄은 92개의 양성자를 가지고 있다는 뜻이죠. (93번 이후 원소는 실험실에서 인공적으로 만들어진 원소이므로 자연상태로 존재하는 원소 중 가장 큰 원자번호를 가진 원소는 우라늄입니다.)

그리고 양성자와 중성자수를 더하면 원소의 질량이 되는데요.(양성자와 중성자에 비해 전자의 질량은 아주 미미합니다.) 이를 ‘원자량’ 또는 ‘질량수(mass number)’로 부른답니다. 혹시 특정원소 뒤에 하이픈과 숫자가 붙은 것을 본 적 있으신가요? 예를 들어 우라늄-235(U-235), 우라늄-238(U-238) 같이요. 여기에 붙은 숫자가 바로 원자량(질량수)입니다. 그러니까 우라늄-235는 92개의 양성자와 143(235-92)개의 중성자로 구성되어 있고, 우라늄-238은 92개의 양성자와 146(238-92)개의 중성자로 구성되어 있는 거죠. 이렇게 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 원소를 동위원소라 부릅니다. 동위원소 중 방사능*을 갖는 원소를 특히 방사선동위원소라고 칭하고요.

*방사능 : 라듐, 우라늄, 토륨 따위 원소의 원자핵이 붕괴하면서 방사선을 방출하는 일. 또는 그런 성질. 천연적으로 존재하는 것을 천연 방사능, 인공적으로 만들어진 것을 인공 방사능이라고 한다.

여러 과학자들이 원자를 연구하고 발견한 끝에 오늘날의 원자 모형으로 귀결됐는데요. 과학자들이 원자를 어떻게 상상하고 실험했는지 궁금하다면 관련 콘텐츠도 함께 살펴보시죠!

[ 원자 발견의 역사 ]

https://blog.naver.com/energyinfoplaza/223105595618

기본 개념을 철저히 익혔으니 이제 속도를 조금 내보겠습니다. 서두에서 원자력발전은 핵분열 시 발생하는 열로 전기에너지를 만드는 것이라 했는데요. 핵분열을 하면 왜 열이 발생하는 걸까요?

우라늄과 플루토늄 같은 무거운 원소의 원자핵은 간신히 안정적인 상태를 유지하고 있습니다. 외부 중성자에 의해 소량의 에너지가 추가되면 그 즉시 거의 동일한 두 조각으로 쪼개지며 다량의 열에너지(180MeV의 즉시 사용 가능한 에너지)와 수 개의 새로운 중성자를 방출하게 됩니다. (U-235의 경우 평균적으로 2.52개를 방출합니다.) 만약 각 핵분열에서 평균적으로 하나의 중성자가 생성되고, 그 중성자가 성공적으로 핵분열을 일으킨다면 핵분열은 스스로 지속되게 되겠죠. 이를 핵연쇄반응(Nuclear Chain Reaction)이라고 부릅니다.

원자력발전소의 원자로*에서 핵분열이 일어날 때 핵연료는 대개 U-235와 U-238를 말하는데요. U-235는 U-238의 동위원소이지만 U-238이 안정된 상태인 반면 U-235는 상당히 불안정한 상태의 물질입니다. 이러한 불안정성 때문에 원자핵 내부로 들어온 중성자(이 과정을 원자핵이 중성자를 ‘포획한다’고도 표현합니다) 하나로 인해 균형이 깨지면서 U-235가 핵분열을 일으키게 되는 것입니다.

*원자로 : 원자핵 분열 연쇄 반응의 진행 속도를 인위적으로 제어하여 원자력을 서서히 끌어내는 장치. 우라늄, 플루토늄 따위의 핵분열 물질을 연료로 하고 중성자를 연료의 촉매로 하는 장치이다.

▲원자폭탄 개발을 다룬 크리스토퍼 놀란의 영화 ‘오펜하이머’(출처:네이버 영화)

원자폭탄의 경우는 핵분열을 일으키는 연료의 95% 이상이 U-235입니다. 1회 핵분열에서 발생하는 2~3개의 중성자가 연이어 U-235와 만나 한순간에 엄청난 핵분열이 일어나게 되죠. 반면 원전 연료는 U-235가 5% 정도를 차지하고 나머지는 핵분열을 일으키지 않는 U-238입니다. 원전은 U-235가 핵분열을 일으키도록 하되, 핵분열 시 새로 만들어진 중성자를 제어해 급속한 연쇄반응이 일어나지 않도록 조절합니다. 이것이 바로 원전 가동의 핵심 원리이자 원전의 안전을 담보하는 원리이기도 한 것입니다. 중성자 플럭스(flux:유동)란 중성자의 숫자와 밀도, 운동량과 속도 등을 모두 아우르는 개념입니다. 중성자 플럭스를 제어하는 원전의 장치는 당연히 하나가 아니며, 여러 가지가 동시다발적으로 아주 정밀하게 이루어지고 있습니다. 다음 시간에는 그 제어 장치 중 하나인 제어봉의 원리와 역할에 대해 심도 있게 알아보겠습니다!

<참고자료>

대한민국정책브리핑 - 핵분열이란?

원자력위키

https://atomic.snu.ac.kr