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불의 이야기- Ⅵ

제3의 불, 원자력

리스크랩 김훈 | 기사입력 2022/04/20 [10:00]

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불의 이야기- Ⅵ

제3의 불, 원자력

리스크랩 김훈

| 입력 : 2022/04/20 [10:00]

우리가 사는 우주엔 네 가지 힘이 존재하는데 강력과 전자기력, 약력 그리고 중력이다. 거시세계에서는 중력밖에 관찰되지 않지만 과학이 발전하면서 미시세계까지 엿볼 수 있는 능력이 생겼다.

그 결과 전자기력이 발견됐다. 미시세계보다 더 미세한 세계가 극미세계인데 극미세계를 지배하는 힘은 강력과 약력이다.

중력(Gravity)

먼저 중력을 살펴보자. 중력은 거리의 제곱에 반비례한다. 중력은 우리 일상을 지배한다. 물은 위에서 아래로 떨어지고 높은 곳에서 사람이 추락하면 대부분 사망한다. 모두 중력 때문에 발생하는 일이다.

중력을 일으키는 건 입자의 질량이다. 중력은 네 가지 힘 중 가장 세다고 여겨질 수 있지만 사실은 가장 약하다. 따라서 과학자들은 중력이 다른 차원으로 새고 있진 않은지 의심한다. 이를 모티브로 한 영화가 몇 년 전 개봉한 ‘인터스텔라’다.

▲ 4대 힘의 크기

인터스텔라는 우리나라에서 천만 명의 관객이 관람했다. 이 영화가 이토록 흥행에 성공한 이유는 물리학을 전혀 모르는 사람도 영화를 보면 쉽게 이해할 수 있어 전 연령층에서 과학에 대한 신선함과 흥미를 끌어냈기 때문이다.

영화를 보면 주인공의 집을 기준으로 이상한 일들이 일어난다. 드론이 낮게 날고, 농기계가 주인공의 집으로 모이고, 책장 뒤에선 유령이 나타난다. 나중에 이 유령은 머피의 아버지인 쿠퍼인 것으로 밝혀지는데 5차원 공간에 빠진 쿠퍼가 책장의 책을 떨어뜨리면서 머피에게 중력방정식을 보내기 위함이었다.

중력은 강력이나 전자기력, 약력에 비해 지나칠 정도로 작다. 따라서 많은 과학자가 이유를 밝혀내기 위해 애를 썼는데 그 가운데 나온 이론이 다중우주론(Multi-Universe)이다.

다중우주론은 우리가 사는 우주 이외에도 다른 우주가 여러 개 존재한다는 이론이다. 다중우주론에 의하면 중력이 세 가지 힘보다 매우 약한 이유도 설명된다. 중력이 다른 우주로 새고 있기 때문이다. 인간이 하나의 우주를 넘어 다른 우주로 간다는 건 불가능하다.

그러나 중력은 여러 우주를 넘나들 수 있으며 서로 다른 우주가 중력을 통해 영향을 주고받는다. 다중우주론을 이용하면 시간여행의 패러독스(일명 할아버지 패러독스다.

만약 어떤 사람이 과거로 여행을 떠나 자기 할아버지가 자기 아버지를 낳기 전에 그를 죽인다면 그 자신은 태어나지도 못하게 된다. 이건 모순이다)도 발생하지 않는다.

과거로 돌아가 미래에 영향을 끼치는 어떤 일을 했을지라도 이에 영향을 받은 우주는 내가 속한 우주와는 관계없는 다른 우주로 평행하게 진행되기 때문이다.

전자기력(Electromagnetic force)

인류가 중력 다음으로 발견한 힘은 전자기력이다. 전자기력을 매개하는 건 광자(photon)다. 전자기력은 거리 제곱에 반비례한다. 전자기력은 불과 발견된 지 100년도 안 되지만 인류의 모든 생활양식을 송두리째 바꿔 버렸다.

라디오나 TV, 휴대전화, 반도체 등 현대 문명은 인류가 전자기력을 발견하면서 꽃을 피웠다. 전자기력을 발견한 사람은 마이클 패러데이다. 다윈과 더불어 패러데이가 19세기 최고의 과학자로 칭송받는 이유는 이 때문이다.

중력을 일으키는 힘이 입자의 질량이라면 전자기력을 일으키는 힘은 전하다. 전하는 우리 생활 주변에서도 흔하게 관찰된다. 겨울철에 옷을 입고 벗을 때 우린 정전기를 경험한다. 정전기는 전하에 의해 발생하는 현상이다.

전하에는 양(+)과 음(-) 두 종류가 있는데 보통은 이들이 서로 상쇄돼 중성으로 존재하기 때문에 잘 느껴지진 않는다. 중력에서 음(-)의 질량은 존재하지 않기에 질량이 상쇄되는 법은 없지만 전하는 그렇지 않다.

전자기력과 중력은 각각의 입자가 서로 멀리 떨어져 있어도 작용한다. 원자는 양성자와 중성자 그리고 전자로 구성돼 있다. 양성자와 중성자는 양전하를 띠며 서로 붙어 있지만 전자는 음전하를 띠며 멀리 떨어져 있다.

이들이 멀리 떨어져 있어도 서로 힘을 발휘할 수 있는 건 광자(photon)라는 중간자가 힘을 전달해 주기 때문이다. 우리 몸이 서로 분해되지 않고 형상이 유지되는 이유도 전자기력 때문이다.

자석이 철을 끌어당기는 힘도 마찰력이나 탄성력, 표면장력, 증기압력, 삼투압, 수직항력, 반데르발스 힘 등도 모두 전자기력이다. 재미있는 건 중력과 전자기력이 매우 유사하다는 점이다. 중력과 전자기력 모두 거리 제곱에 반비례한다.

강력(strong force)

네 가지 힘 중 가장 센 힘은 강력인데 강력을 매개하는 건 글루온(Gluon)이다. 강력은 원자핵 사이에 존재하는 힘으로 미시세계에선 관찰되지 않는다. 원자핵은 양성자(proton)와 중성자(neutron), 양성자와 중성자는 쿼크(quark)로 이뤄져 있다.

이 쿼크들 사이에서 작용하는 힘이 강력이다. 강력은 양성자와 중성자를 존재할 수 있게 하는 근본적인 힘이자 핵융합이 일어나게 하는 힘이다. 강력이 있어 태양의 핵융합이 만들어지고 그 에너지를 지구 생명이 이용할 수 있다.

다들 알다시피 원자는 양성자와 중성자, 전자로 이뤄진다. 원자에 종속된 전자는 외부에서 에너지를 받으면 가장자리부터 차례로 떨어져 나가는 데 이를 자유전자라고 한다.

만약 원자가 외부로부터 막대한 에너지를 받아 전자가 모두 떨어져 나간다면 어떻게 될까? 원자는 전자를 모두 잃고 홀로 양전하를 띠는 원자핵으로 남게 되는데 이를 원자핵과 전자가 분리된 상태, 즉 ‘플라스마’라고 한다.

수소는 원자 1개와 전자 1개로 구성된다. 특이하게도 수소는 다른 원소와는 달리 수소 한 개가 보유한 에너지가 수소 2개를 보유한 에너지보다 크다.

그래서 2개의 수소 원자를 핵융합하면 막대한 에너지가 방출된다. 이런 현상을 이용한 게 태양이다. 태양 질량의 3/4은 수소고 1/4은 헬륨이다. 태양은 핵융합으로 초당 4천만t의 수소가 소멸되고 헬륨이 된다.

수소 원자 간에는 반발력이 작용하기 때문에 핵융합이 일어나기 위해선 이 반발력을 뚫고 들어가 2개의 수소 원자를 1㎙ 거리(1페르미, 10~15m) 만큼 근접시켜야 한다. 강력의 힘으로 구속된 수소 원자핵은 자신의 형태를 유지하기 위한 정지에너지가 줄어든다. 이때 엄청난 에너지를 발산한다.

이를 이용한 게 핵융합발전이다. 하지만 수소의 핵융합을 위해선 몇 가지 조건이 필요하다. 우선 충분히 큰 수소를 유지시키기 위해 수소를 중수소와 삼중수소로 만들어야 한다.

수소 사이의 반발력을 최소화하기 위해 수소의 원자핵에서 전자를 떼어놓은 상태, 즉 플라스마 상태로 만들어야 한다. 수소 원자핵 간 거리를 1㎙ 만큼 충분히 가속시킬 수 있어야 한다.

이 기술은 현대과학으로 충분히 가능한 수준까지 발전했지만 아직 이런 핵융합 상태를 만드는 데 필요한 에너지가 핵융합으로 인해 발생하는 에너지보다 크다는 게 문제다.

약력(Weak Force)

자연 상태에서 우라늄과 같은 원소들은 방사선을 방출한다. 방사선을 방출하면서 다른 원소로 바뀌기도 한다. 이를 방사성 붕괴라고 하는데 이런 일들이 일어나게 하는 힘이 약력이다. 즉 약력은 방사성 붕괴를 일으키는 힘이다. 약력을 매개하는 건 보손(boson)이다.

1938년 독일의 화학자 오토 한(Otto Hahn)과 프리츠 스트라스만(Fritz Strassmann)은 중성자를 우라늄에 충돌시키면 원자핵이 불안정해져 두 개의 우라늄 원자핵으로 분열되고 에너지가 방출한다는 사실을 발견한다.

이들은 처음엔 원자핵분열임을 알지 못했지만 곧 물리학자들은 핵분열 현상을 이용해 이 전무후무한 폭탄을 만들 수 있다는 걸 직감한다.

유대인 과학자들 사이에선 히틀러가 원자폭탄을 만들 수 있다는 위험을 느꼈다. 레오 실라드(Leo Szilard)와 에드워드 텔러(Edward Teller)는 당시 뉴욕 롱아일랜드에 있던 아인슈타인을 찾아간다. 1943년엔 독일보다 먼저 원자폭탄을 만들기 위한 맨해튼 프로젝트가 시작된다.

▲ 리틀보이와 팻맨(출처 나무위키)

미국이 만든 원자폭탄은 독일이 아닌 일본에 떨어졌다. 히로시마엔 우라늄폭탄, 나가사키엔 플루토늄폭탄이 떨어졌다. 우라늄은 지구상에서 가장 무거운 물질로 자신의 형태를 유지하기 위해 큰 정지에너지를 보유한다.

세상에서 가장 무거운 물질인 우라늄에 중성자를 충돌시키면 핵분열을 일으키고 가벼운 물질인 크립톤(Kr)과 바륨(Ba)으로 변하면서 에너지가 방출된다.

그간 많은 과학자는 이 네 가지 힘을 합치기 위해 여러 노력을 해왔다. 대표적인 사람이 아인슈타인이다. 그는 상대성이론으로 잘 알려져 있는데 죽을 때까지 네 가지 힘을 합치기 위한 통일장이론에 많은 시간과 노력을 쏟아부었다.

우주의 나이는 약 137억 년이다. 137억 년 전에 우주는 빅뱅을 통해 탄생했다. 이 대폭발로 인해 100억℃가 넘는 온도에서 핵반응이 일어났고 중성자와 양성자가 생겼다.

원래 하나던 힘이 네 가지 힘으로 분리됐다. 과학자들은 자연계에서 원래 하나인 힘인데 이를 관찰하는 세계에서는 사이즈에 따라서 네 가지 힘으로 분리된다는 걸 못마땅해했다.

이게 대통일이론을 연구하게 된 배경이다. 통일장이론은 대통일이론(GUT, Grand Unified Theory)을 선이 아닌 면의 개념으로 강력과 약력, 전자기력으로 합치려는 시도였다.

그 결과 약력과 전자기력이 1979년 셸던 리 글래쇼(Sheldon Lee Glashow) 교수에 의해 합쳐져 전약력이 됐고 그에게 노벨상이 수여됐다. 대통일이론에 의하면 강력과 전약력이 합쳐지기 위해선 10¹⁵ GeV의 에너지가 필요하다.

현재 인류가 보유한 입자가속기에서 낼 수 있는 에너지의 1천억 배로 현재 기술로는 실험할 수 없다. 그리고 모든 것의 이론(TOE, Teory of Everything)에서는 중력과 강력이 합쳐지는데 이때 필요한 에너지는 10¹⁹ GeV가 필요하다.

모든 것의 이론이 실현되기 위해선 양자 중력(Quantum Gravity), 즉 양자 단계에서 일어나는 중력이 합쳐져야 한다.

▲ 10^15승 GeV의 에너지에서 강력과 전자기력이 합쳐진다(출처 안될과학, 통일장이론)

제3의 불 원자력발전소

원자력 발전은 약력을 이용한다. 우라늄이 중성자와 충돌해 방사선 붕괴가 일어나면서 에너지가 발생하는 원리다. 중성자의 충돌 반응이 빨리 일어나면 원자폭탄이 되고 느리게 일어나면 원자력발전소가 된다. 처음 과학자들을 원자핵에 전자를 쏘아보기도 하고 양성자를 쏘아보기도 했다.

그 결과 중성자를 쏘아보니 큰 성과가 나온다는 걸 관찰했다. 중성자는 전하가 없어 원자핵에 접근할 수 있었기 때문이다. 핵분열이 더 잘 일어나기 위해선 중성자의 속도를 늦춰야 하는데 이때 감속재로 사용되는 게 물이다. 중성자가 물을 통과하면 속도가 느린 중성자가 되고 핵분열이 일어나기 더 쉬워진다.

감속재를 중수로 사용하느냐, 경수로 사용하느냐에 따라 중수로, 경수로가 된다. 중수는 중성자를 잘 흡수하지 않아 값이 싼 천연우라늄을 사용해도 되지만 경수는 중성자를 잘 흡수하므로 값이 비싼 농축우라늄을 사용해야 한다.

우리나라에서는 월성 원자력을 제외하곤 대부분 경수로다. 중수로에서 부산물로 발생하는 플루토늄과 삼중수소가 원자폭탄의 원료라 미국에서 중수로를 설치하지 못하게 해서다.

우리나라에서 원자력에 관한 연구가 시작된 건 1959년이다. 이승만 대통령 지시로 1959년 3월 원자력연구원이 설립됐다. 1962년엔 경기도 양주 한국원자력연구원에서 핵연료봉 56개가 점화됐다. 그리고 1971년 3월 19일 경남 고리에 첫 원자력발전소가 착공됐다.

문재인 정부의 탈원전 정책이 시행되면서 신고리 5, 6호기의 공사가 중단됐지만 2050년까지 탄소 중립을 실현하기 위해선 원전 가동이 불가피할 것으로 보인다.

이에 대한 가장 현실적인 대안이 소형모듈원전(SMR, Small Modular Reactor)이다. SMR은 현재 우리나라뿐 아니라 세계 각국이 집중적으로 개발하고 있다. 과거 항공모함이나 핵잠수함에 적용됐던 기술로 원자로 증기발생기와 냉각재 펌프, 가압기 등을 하나의 용기에 담은 출력이 300㎿ 이하인 소형원자로다. 일체형으로 제작돼 주요기기가 배관으로 연결된 기존 원전보다 방사능 유출 가능성이 작다.

현재 미국을 비롯해 영국과 러시아, 중국 등의 국가가 소형모듈원전 개발에 뛰어들고 있다. 테라파워(TerraPower)를 설립한 빌게이츠는 10억 달러를 들여 와이오밍에 있는 노후 석탄화력발전소 부지에 SMR을 건설하고 있다. 2030년부터는 상업 운전에 들어갈 예정이다.

▲ 두산중공업과 뉴스케일이 개발 중인 SMR(출처 두산중공업)

▲ 히다찌가 개발 중인 SMR(출처 world-nuclear-news.org/Articles/GE-Hitachi-Fermi-Energia-extend-cooperation-on-SMR)

미국 정부의 전폭적인 지원을 받는 SMR 개발업체 뉴스케일(NuScale)에 따르면 SMR 사고확률은 대형 원전의 1만분의 1로 사고가 발생할 수 있는 사고 재현 빈도는 300억 년에 한 번이다.

SMR은 거대한 수조 속에 잠겨 있어 후쿠시마 원전사고와 같이 자연재해로 인해 전력이 끊어져 냉각수가 공급되지 않는 상황에서도 안전하게 운영된다.

우리나라는 1980년대부터 전력 생산용 경수로 형태의 SMR 개발을 시작했다. 한국형 소형원자로인 SMART는 1997년 개발에 착수해 2012년 세계 최초로 SMR형 원자로 표준설계 인허가를 획득했다.

2015년 12월부터는 사우디아라비아와 사업개발을 진행 중으로 최초 호기 건설 여부가 조만간 결정될 것으로 전망된다. 러시아나 중국, 미국 등 땅덩어리가 큰 나라에서 SMR 설치는 어렵지 않다.

하지만 국토면적이 작은 우리나라에 SMR을 설치하기 위해선 많은 진통이 있을 것으로 예상된다. SMR의 안전성이 검증되면 대도시 중심마다 SMR을 한 대씩 설치하는 날이 올지도 모른다. 현재 우리나라는 제3의 불인 원자력뿐 아니라 제4의 불인 강력을 이용한 핵융합발전기술을 동시에 개발하고 있다.