핵분열과 핵융합은 서로 반대되는 과정이지만 두 과정에서 에너지가 방출되고 이것을 이용하는 발전기술이 각각 존재한다. 이 두 개념을 오용해 우리가 사용하고 있는 원자력발전소의 운영기술 정도로 잘못 인식하는 사람들이 의외로 많다. 이 글에서는 서로 다른 두 개념에 대해 알아보기로 한다.
핵분열
독일의 과학자 오토 한과 프리츠 슈트라스만은 우라늄에 중성자를 충돌시켜 더 무거운 원소를 만들려는 실험과정에서 우연히 세계사를 바꿀 발견을 한다. 바로 핵분열이다. 이때 리제 마이트너는 우라늄이 중성자와 핵반응으로 반으로 쪼개진다는 의미를 최초로 올바르게 파악했고 생물체에서 일어나는 핵의 분열에서 이름을 따와서 이 과정을 분열로 명명했다.핵 내부의 핵의 인력 즉 핵력과 전하들의 전기적인 척력 즉 전기력은 서로 균형을 맞추고 있다.그런데 외부요인에 의해 전기력이 커지면 핵력은 힘에서 밀려 핵이 분리되는 핵분열을 야기시킨다. 핵분열은 원자핵이 쪼개지는 것이다. 아인슈타인의 공식 E=mc^2에 의해 핵분열을 하면서 엄청난 에너지를 생산하고 부산물로 중성자가 생성된다.
핵분열 기술은 우라늄 원자핵과 중성자를 충돌시켜서 핵분열이 일어나도록 하는 것이고 인류는 이 기술을 이용해 핵발전소를 만들었다. 1940년대에 과학과 공학의 단계를 거쳐서 상용화되었다.핵발전의 장점은 적은 양의 핵원료로 많은 양의 전기를 생산할 수 있다는 데 있다. 같은 양의 에너지를 생산하기 위해 수십억 톤의 석탄. 기름. 가스를 태워 열을 발생하게 하고연기를 발생시켜 환경을 오염시키는 등의 상황을 방지할 수 있다는 것이다.
그러나 핵발전에도 문제가 있다. 전 세계 약 400 기가와트의 발전설비가 있지만 지금은 이 기술이 개발될 당시에는 예상하지 못한 방사능 물질의 공기 및 지하수로의 유출, 핵폐기물의 보관 문제, 플로토늄의 생산과 핵무기의 증가, 후쿠시마 원전 폭발의 충격에서 보듯이 인간의 현 과학기술로는 대처가 거의 불가능한 원전사고의 위험이 드러나면서 시간이 지날수록 더 비싸지는 기술이 되어 미국과 유럽에서는 더 이상 핵발전소 건설을 하지 않는 상황이다.
오히려 노후화된 핵발전시설은 인류의 삶을 위협하는 골칫덩어리가 되어가고 있는데 노 후화된 핵발전소를 안전하게 해체하는 문제가 원자력 산업의 새로운 영역으로 등장하고 있다.우리나라에서 처음 핵발전이 도입될 1970년대 당시에는 50년이 지나면 핵폐기물 처리가 가능해질 거라고 과학자들은 장담했지만 완벽한 해결책은 없는 상태다. 재처리로 사용 후 핵연료 문제를 해결할 수 없다는 것도 이미 확인되었다. 대표적인 핵폐기물 플로토늄이 안전한 수준으로 방사능이 사라지려면 22만 년 정도가 걸린다. 저준위 방사성 폐기물도 수천 년이 걸린다. 굴을 파고 기껏 백 년 정도 수명인 시멘트로 봉인하는 게 폐기물 보관방법이다. 인간의 기술로 이들을 완벽하게 제어할 수 없는 것이 현실이다. 저렴하게 에너지를 생산할 수 있다는 이면에는 그보다 몇 배 몇백 배의 처리 비용이 들어가는 것은 애써 눈감고 외면한 심각한 문제가 있는 것이다.신규 원전을 추진하지 않아도 이미 너무 많은 핵발전소도 있고 핵폐기물이 있다.
핵융합
태양이 빛과 열을 내는 원리를 재연해 에너지를 생성한다 하여 `인공태양'으로 불리는 핵융합기술은 핵분열이 원자핵을 쪼개는 것과 달리 원자핵들이 융합되는 과정에서 에너지가 방출되는 원리를 이용한다.바닷물에서 핵융합에 필요한 주원료(중수소. 리튬 등)를 획득할 수 있다. 운전 중 고준위 방사성 폐기물이 나오지 않는다. 이론상 연료 1g을 통해 석유 8t과 비슷한 수준의 에너지를 생성해 낼 수 있다. 상용화시 만들 수 있는 에너지 양이 그만큼 크다는 의미다.
핵융합 기술에서 가장 힘든 문제는 플라스마를 안정된 위치에서 충분 한양의 이온이 융합되게 오랫동안 유지하는 것이다. 이문제를 해결하기 위해 여러 나라가 함께 공동연구를 하고 있는데 바로 ITER 프로젝트이다. 프랑스 남부의 국제 핵융합 실험로(ITER) 프로젝트에는 유럽연합(EU) 회원국, 대한민국, 미국, 중국, 러시아 등 세계 여러 국가가 동참하고 있다. ITER은 이번 세기말 핵융합이 안정적인 에너지원이 될 수 있음을 증명하는 마지막 단계로 일컬어진다.
한편 우리나라도 자체적으로 연구를 진행하고 있는데 KSTAR가 그것이다. 놀랍게도 30초 동안 프라즈마의 온도를 1억 도로 유지하는세계기록을 보유한 곳이 바로 KSTAR이다.우리 연구자들이 핵융합 기술 연구 세계 최선두에 있다는 데 있어서 정말 기쁜 일이 아닐 수 없다.플라스마를 5분 이상 1억 도롤 유지할 수 있다면 그 데이터를 이용해 1년 이상의 장시간 운전도가능하기에 머지않아 상용 운전이 가능할 것이라 생각된다.
핵융합은 여러 관점에서 매우 이상적인 에너지원이다. 핵융합과정에서 나오는 삼중수소는 반감기가 12년이고 투과력이 약한 베타선(전자)만을 방출하는 방사성 물질이다.(베타선은 알루미늄박도 뚫지 못한다) 12년은 방사성 물질 오염수가 생명체에게 영향 을 끼치기엔 충분한 시간이지만, 봉인해서 방사성이 사라지기를 기다리는 데에는 비교적 짧은 시간이다.
반감기가 2만 4천 년이고 방사성이 매우 강력한 데다 안전한 수준까지 방사성이 사라지려면 22만 년 정도가 필요한 핵분열 발전소의 대표적인 핵폐기물 플로토늄과 비교하면 인간의 기술로 충분히 관리 가능하다 할 것이다. 핵융합은 타는 것이 없으므로 공기 오염도 유발하지 않는다. 핵융합의 원료인 수소는 우주에서 가장 많이 존재하는 원소이다.
만약 지구 상에서 핵융합 에너지 생산에 성공한다면 저탄소 저 방사능 에너지를 사실상 무제한적으로 공급받을 수 있게 되는 셈이다. 전자기 에너지가 지난 세기에 충격을 준 것 이상으로 사람들의 삶에 커다란 충격을 줄 것이다.
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