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핵융합 반응
우주를 구성하고 있는 모든 원소는 원자핵과 그 주변을 회전하고 있는 전자로 이루어저 있다.
이 원자핵은 전기를 띠는 양성자와 전기를 띠지 않는 중성자의 결합으로 이루어져 있는데 유일하게 수소의 원자핵만 양성자 하나로 이루어져 있다.(수소가 원자 번호 1번이고 가장 가벼 운 이유임) 원자 핵에서 양성자와 중성자는 "강력"(발견자 노벨상 수상)이라는 아주 단단한 힘으 로 붙어 있는데 이것을 분리시키고 결합시키는 것이 힘이 든다. 이 힘이 에너지이며 고온 고압이 어야만 된다는 뜻이다. 상상을 초월하는 에너지가 필요 한 것이다. 이것을 떼고 결합시키는 것이 핵분열이고 융합이다. 이 양성자가 바로 별의 핵에서 일어나는 핵융합 반응의 주인공 이다. 다른말로 우주현상의 근원이다. 여기서 여러 원자가 생기게 되고 분자(원자간 결합)가 되고 분자는 고분자를 만들고 생명체와 무생물체 즉, 삼라만상의 모든 물체를 이루고 있는 것이다.
그 원리를 쉽게 이해 해보자 !!!
① 5백~6백만도를 넘는 온도에서는 두개의 양성자가 충돌하면 붙어서 떨어지지 않는다. 이것을 융합이라고 하는데 이 두 양성자가 중수소라고 하는 새로운 원자핵으로 변신한다. 이 반응이 일어나는 동안에 두 양성자중 하나는 두개의 소립자 (양 전자와 중성 미자)를 방출 하면서 중성자로 변한다. 양전자는 양전기를 띠는 전자이고 중성미자는 거의 질량이 없는 입자인데 매우 빠른 속도로 별의 중심에서 표면까지 이동하는 능력을 가졌다.
②이번에는 또 다른 양성자 하나가 중수소와 융합해서 헬륨3을 만든다. 이 반응이 일어나는 과정에서 광자 하나가 생긴다. 그것도 에너지가 가장 많은 강자 중에 강자인 감마선 광자이다.
③이제 He3의 핵 두 개가 융합하여 남아도는 양성자 두 개를 떼어내고 He4로 변한다. 결국 하나의 헬륨핵을 만들기 위해서 네 개의 수소 핵이 필요한 셈이다.
바로 이곳이 중요한 부분이다. 이상한 점은 헬륨의 질량이 수소핵4개의 질량은 합한 것 보다 7/1000만큼 적다는 것이다. 마치 1을 네 번 더해도 4가 나오지 않는 것과 같다. 질량 중 일부가 사라진 것이다. 질량의 7/1000쯤 없어져도 대단한 일이 아니라고 생각할지 모른다. 그러나 태양을 예로 들면 질량의 7/1000이라는 양은 매초 5백만톤이 사라진다는 것이다. 그렇다면 이 질량은 어디로 간 것일까? 질량이 바로 광자로 변한 것이다. 이것이 바로 아인슈타인의 유명한 공식 E = mc2을 뜻하는 것이다.
즉, 물질(m)은 언제든 에너지(E)로 변할 수 있고 또 그 반대로도 변할 수 있다는 뜻이다. 태양의 핵에서 일어나는 핵융합 반응 때 나타나는 이 광자가 태양의 표면에 까지 이르러서 빛을 낸다. 이것이 빛이다.
핵분열 반응 우라늄은 양성자를 92개 가지고 있는 무거운 원소인데, 동위원소(양성자수는 같고 중성자 수가 다른 것)가 가장 많고, 그 중 U238과 U235 이다.(질량수=중성자+양성자 개수의 합) 즉, U238 은 양성자 92개와 중성자 146개를, U235 은 양성자 92개와 중성자 143개를 가지고 있다. 따라서 U238을 매우 안정된 반면 U235는 매우 불안정해서 다른 중성자를 만나기만 하면 더 작은 원자핵으로 갈라 지면서(바륨, 크립톤으로 분열) 중성자 2개를 방출하게 된다. 방출된 2개는 또 다른 U와 반응해서 또 갈라지며 이것이 연속적으로 또 동시에 일어나게 되면 원자 폭탄이 되는데 U235 1g은 석탄의 3톤의 에너지 양을 낸다.
원자력 발전소
원자로에서 U235의 핵분열 반응이 일어난다. 분열의 속도를 조절하는데 중성자의 개수를 조절 하는 제어봉과 중성자의 속도를 늦춰주는 감속재를 쓰게 된다.
이때 감속재로 경수나 중수를 사용한다. 경수는 보통의 물이고(경수로), 물을 구성하는 수소가 중수소로 된 것을 중수라고 한다(중수로). 천연 U는 인광석에서 뽑아 내는데 발전소나 원자폭탄 에 사용되는 U235는 천연U 가운데 0.7% 밖에 되지 안는다.
가장 많은 것이 U238 인데 천연U 안에 들어 있는 U235 비율을 높이는 것이 “우라늄농축” 이다. 보통 발전소에서 사용하는 것은 U235를 3%정도로 만든 것이고, 원자 폭탄이 되려면 90% 이상 농축해야 한다. 이것이 우라늄 농축이 국제적으로 문제가 되는 것이다. 그런데 U238도 핵분열을 하는데 중성자를 만나 플루토늄(Pu239)가 된다. 따라서 중수로를 쓰는 원자로에서 Pu를 뽑아낼 수 있다. 이것은 U235보다 훨씬 반응성이 좋아 원자 폭탄의 원료로 쓰인다. 또 원자력 발전소에서 사용하고 남은 원료를 적당히 처리(핵 재처리)하면 연료로 다시 사용할 수 있는 U을 만들 수 있는데 이때도 Pu가(94번) 만들어 진다. 이것이 북한의 핵 문제이다. | |
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