원자력(nuclear power)은 원자 내부의 핵반응(nuclear reaction)에 의해 발생되는 에너지를 활용하는 것을 말한다.

핵반응은 핵분열, 핵융합, 자연방사능 붕괴 등의 다양한 방법으로 발생할 수 있다. 핵반응에 의해 발생하는 에너지는 다른 화학적, 전기적 등의 방법으로 발생한 에너지보다 매우 크게 나타난다. 이러한 이유로 원자력은 여러 분야에서 활용이 시도 되었으나 이때 핵반응에서 발생하는 에너지는 매우 크기 때문에 다루기가 어렵고, 반응 이후에 방사성 물질이 생성되는 문제로 인해, 다른 에너지에 비해 활용의 범위가 다소 제한적이다. 원자력을 발생시키는 것과 동시에 안전하게 사용할 수 있는 것이 원자력에서의 가장 중요한 과제로 인식된다. 현대의 과학, 기술 발전으로 발생하는 에너지의 속도 및 양을 적절히 조절할 수 있게 되고 반응 후 생성되는 방사성 부산물들을 적절히 처리할 수 있게 되면서, 원자력은 현대에 있어 주요 에너지원의 하나로 사용되고 있다. 현대에는 주 핵반응 물질로서 우라늄 및 플루토늄 동위 원소를 이용하여 핵분열 발전을 하고 있으며 현재 대한민국에서 발전되어 공급하는 전기 중에 가장 많은 부분이 원자력으로부터 생산되고 있다. 원자력은 현대 문명의 산물로 인류에게 많은 이점이 되기도 하지만 원자력으로부터 발생하는 방사성을 가지는 부산물의 완전한 처리, 원전 사고로 인한 방사성 노출, 핵무기 등 원자력을 안전하게 사용하기 위한 문제는 여전히 풀리지 않았으며, 앞으로의 인류 존속과 관련한 매우 중대한 과제로 남아있다.

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그림 1. 원자력은 일반적으로 핵분열, 핵융합, 자연방사선 붕괴의 3가지 방법에 의해 관측된다. (출처: 한국물리학회)

- 원자력의 기원 및 역사 핵반응과 관련한 이론, 실험 및 기술 해석 및 발전은 비교적 최근에 이루어졌다. 원자력이 강력한 에너지원으로서 주목을 받게 된 것은, 독일 태생의 과학자 ‘알버트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)’에 의해서이다. 기존에 ‘질량’과 ‘에너지’는 전혀 별개로 여겨져 왔다. 아인슈타인은 본인의 업적 중 하나로 잘 알려진 @@NAMATH_INLINE@@E=mc^2@@NAMATH_INLINE@@을 통해, 에너지와 질량의 관계가 등가임을 주장하였다. 앞선 아인슈타인의 주장에 따르면, 질량 1g이 가지는 에너지는 다이너마이트 2.15*1000000000000g이 폭발할 때 발생하는 에너지와 동일하다. 1940년대에 2차 세계 대전이 일어나고, 질량에서 에너지로의 전환을 통해 강력한 에너지를 얻고자 함은 세계 강대국들의 주요 목표 중 하나가 되었다. 실험적으로는 1942년 Enrico Fermi의 연구팀이 건설한 ‘Chicago Pile-1’이 연쇄반응을 처음으로 성공시키면서, 원자력을 이용하는데 기술적 장벽을 허무는 최초의 계기가 되었다. 원자력이 실용적으로 처음 등장하게 된 것은, 제2차 세계 대전 중 1942년부터 1946까지 군사적 목적을 위해 비밀리에 진행된 ‘맨하튼 프로젝트(Manhattan Project)’로 알려져 있다. 맨하튼 프로젝트는 순도 높은 대량의 핵연료로부터 연쇄반응을 발생시킴으로서 역사상 유례없는 다이너마이트 킬로톤급에 해당하는 에너지를 생성한 역사적인 사건으로 기록되어 있다. 이후 1945년 맨하튼 프로젝트는 수많은 사람들의 목숨을 앗아간 계기가 되었다. 현재에는 이 프로젝트의 산물로서 생산된 핵무기는 강력한 에너지 분출과 피폭된 지역의 오랜 기간의 방사성 오염을 야기할 수 있다. 현재 인류 문명을 한순간에 종식 시킬 수 있는 원자력은 강력하면서 동시에 매우 위험한 원자력으로 인식되고 있다.

1 핵분열 핵분열은 우라늄이나 플루토늄과 같이 원자량이 큰 핵이 중성자와 충돌로 두 입자로 쪼개지는 것을 말하며, 이때 반응 후 나타나는 두 입자의 질량 합은 반응 전보다 작게 되고 이때 손실된 질량은 에너지로 방출된다. 핵분열의 한 예로 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@^{235}_{92}U +^{1}_{0}n = 3^{1}_{0}n +^{144}_{56} Ba +^{89}_{36}Kr + 200MeV@@NAMATH_DISPLAY@@

이때 핵분열을 위해 주로 사용되는 핵연료 물질로서 농축된 우라늄-233, 우라늄-235, 플루토늄-239 등의 방사성 동위원소를 이용하는데, 이러한 물질들은 다른 물질에 비해 핵의 상태(내부에너지)가 상대적으로 불안정하여, 적은 (중성자)에너지로도 물질을 분열시킬 수 있다는 특징이 있다. 핵분열의 실용적인 사용을 위해서는 연속적으로 핵분열이 나타나는 연쇄반응을 만드는 것이 중요하다. 연쇄반응은 핵분열 과정에서 발생하는 중성자가 다른 핵연료와 반응하면서 연쇄적인 핵분열반응이 일어나는 것을 뜻하며, 연쇄반응은 응집(농축)된 핵연료 물질에서 나타날 수 있다. 이러한 연쇄반응의 결과는 매우 빠르게 일어나고, 응집된 핵반응 물질이 클 때 더 많은 핵분열이 연쇄반응으로 나타난다. 이를 이용한 대표적인 사례가 핵무기이며, 또는 핵융합(수소)폭탄을 위한 기폭제로 이용되기도 한다. 현대에는 연쇄반응의 속도를 적절히 조절할 수 있게 되면서 핵분열을 통한 원자력은 전기를 발생시키는 주요 에너지원이 되었다. 연쇄반응의 속도를 조절함과 동시에 소규모의 분열 반응 장치를 만들게 되면서 함정 및 잠수정 등에서도 핵분열을 통한 원자력을 이용하고 있다.

2 핵융합 핵융합은 두 개의 핵이 결합하면서, 하나의 새로운 핵을 생성하는 것으로, 이때 생성된 핵의 질량은 결합하기 전의 두 핵의 무게보다 작다. 이때 나타나는 질량의 차이가 에너지로 방출되며 원자력을 얻는다. 대표적인 수소 핵융합 과정은 다음과 같다. 이때 괄호는 입자가 가지는 열역학적 에너지를 뜻한다.

@@NAMATH_DISPLAY@@^2_1D + ^3_1T = ^4_2He(3\cdot 5 MeV) + n(14 \cdot 1 MeV)@@NAMATH_DISPLAY@@

동시에 핵융합은 태양 내부 에너지의 기원으로 잘 알려져 있다. 우리가 ‘별’이라고 부르는 ‘항성’들은 핵융합을 통한 원자력 에너지의 발생형태로서 전자기파를 방출해 반짝이고 있다. 수소 핵융합 반응은 반응 후 방사성 물질을 생성하지 않고, 원료인 수소를 반영구적으로 공급받을 수 있다는 점에서 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 핵융합 반응을 위해 핵연료인 수소를 플라즈마 상태로 존재해야 한다. 이때 수소원자를 플라즈마 상태로 만들기 위해 약 1000만도 이상으로 가열하여야 한다. 그리고 1000만도 이상의 수소 플라즈마를 긴 시간 동안 가두어 두면서, 지속적인 핵융합 반응을 하는 데의 기술적 어려움으로, 지구에 인공태양을 만들고자 하는 과학자들의 궁극적인 목표는 아직 실현되지 않고 있다.

3 방사성 붕괴 자연 방사선 붕괴는 핵분열에 사용되는 핵연료와 같이, 자연적으로 불안정한 상태에 있는 물질들의 핵이 자발적으로 붕괴하는 것을 말한다. 붕괴과정에서 핵은 이온화 입자와 방사선을 방출하고 에너지를 잃으면서 안정한 상태가 된다.