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송년호 특별부록 | 한국의 核주권

원자력 발전, 원자폭탄, 수소폭탄

원폭이 있어야 터지는 수폭…원자로는 절대 폭발할 수 없다

  • 황주호 경희대 원자력공학과 교수 joohowhang@khu.ac.kr

원자력 발전, 원자폭탄, 수소폭탄

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원자력 발전, 원자폭탄, 수소폭탄

일본 나가사키에 투하된 플루토늄 원자폭탄 ‘팻맨’. 팻맨은 통통한 모양 때문에 붙은 별칭이다.

1g의 우라늄으로 얻는 에너지가 석탄 수t으로 얻는 에너지와 맞먹는다는 것을 알면 이해하기 쉬울 것이다. 원자력발전소는 1년에 20여t의 우라늄을 소모하는 데 반해서 같은 양의 전력을 생산하는 석탄화력발전소는 200만t의 석탄을 필요로 한다.

우라늄이 터지는 것과는 또 다른 핵폭발이 있다. 수소탄이라고 부르는 핵융합이 그것이다. 수소처럼 가벼운 원소는 강한 힘으로 서로 부딪치면 다른 물질이 만들어진다. 그런데 이때도 원래의 물질 무게와 부딪쳐서 만들어진 물질의 무게 차이가 생기는데, 이 차이만큼이 에너지로 나타난다.

핵분열과 핵융합은 모두 원소가 분열하거나 결합할 때 생기는 무게 차이(정확히는 질량 차이)가 에너지로 변화하는 것이다. 이것은 전자와 전자의 결합과는 차원이 다른 에너지를 내보낸다.

물질이 에너지

물질의 무게 차이가 에너지로 변하는 가? 이 물음에 답을 낸 사람이 바로 아인슈타인이다. 그는 ‘물질의 질량에 빛의 속도를 제곱한 값만큼이 에너지로 나온다’는 위대한 원리를 발견해냈다. 물질이 곧 에너지이고 에너지가 물질이라는 어찌 보면 동양철학 같기도 한 사실을 밝혀낸 것이다.



현재의 원자력발전은 핵분열 원리를 이용한 것이다. 핵융합을 이용하는 발전소는 수십년을 더 연구해야 현실화할 것 같다. 국제적으로 프랑스, 일본, 우리나라 등 11개국이 참여하는 국제토카막연구협정(ITER)에 따라 내년부터 본격적인 연구에 들어갈 계획이다.

원자탄을 만들려면 먼저 우라늄이나 플루토늄을 만들어야 한다. 우라늄은 지구가 만들어질 때 같이 만들어진 물질로서 지구상에 골고루 퍼져 있다. 흙이나 바위에도 포함되어 있고 바닷물 속에도 수억t이 녹아 있다.

우라늄도 한정된 자원인 만큼 고갈될 수 있다. 하지만 가격이 오를수록 탐사 정도가 치밀해져 고갈 시점은, 비관적으로 예측하는 것과 달리 수십년 후가 아닐 것이다. 우라늄의 친척뻘인 토륨까지 이용한다면 핵분열 에너지 이용 가능 기간은 10배 이상 늘어날 것으로 보인다.

은밀한 농축엔 원심분리법

우라늄은 일반 광물과 마찬가지로 원광을 캐서 황산 등으로 녹인 후 분리 침전시켜 얻는다. 이 상태에서는 터지는 우라늄과 안 터지는 우라늄의 비율이 0.7 대 99.3으로 안 터지는 우라늄이 월등히 많다.

폭탄으로 만들려면 터지는 우라늄 함량을 90% 이상으로 끌어올려야 하는데 이 과정을 농축이라고 한다. 농축은 터지는 우라늄이 안 터지는 우라늄에 비해 약간 가볍다는 점을 이용한다. 우선 우라늄에 불소를 붙여(불화우라늄) 기체로 만든다. 농축 방법은 여러 가지가 있으나 기체확산법과 원심분리법이 대표적이다.

불화우라늄 기체를 작은 구멍이 뚫린 막에 높은 압력을 가해 통과시켜 가벼운 것이 멀리 빠져나가고 무거운 것은 가까이 남는 원리를 이용하는 것이 기체확산법이고, 기체를 분당 10만번 정도 회전하는 원통에 넣고 돌리면 무거운 것이 원통 벽면으로 몰리고 가벼운 것은 가운데 남는 원리를 이용하는 것이 원심분리법이다.

기체확산법이나 원심분리법 모두 한 번에 원하는 농축도를 얻을 수 없다. 수백에서 수천 번 반복해야 폭탄으로 사용할 수 있는 농축도에 도달한다. 기체확산법은 덩치가 크고 전기 소모량이 많아 신규 공장들은 대개 원심분리법을 채택하고 있다.

특히 은밀히 농축하고자 할 때는 원심분리법이 선호된다. 공장을 분산해 한 곳에서 수백기씩 원심분리기를 돌리고, 약간 농축된 것을 다른 곳으로 이동시켜 또 농축하는 방법을 사용하면서 외국의 감시를 피할 수 있기 때문이다.

원심분리기의 원통은 강화알루미늄으로 만들어지는데 작은 것은 직경이 30㎝ 정도에 길이는 수m이다. 몇 년 전 독일회사가 북한에 팔았다가 서방 정보망에 걸린 것이 바로 이 알루미늄이다. 농축의 신기술로는 레이저를 이용하는 방법이 있으나 대규모 농축에는 경제성이 없는 것으로 알려져 있다.

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황주호 경희대 원자력공학과 교수 joohowhang@khu.ac.kr
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