재미있는 원자폭탄 원자력발전의 원리

누구나 아는 아인슈타인의 E= mc스퀘어의 의미와 원자폭탄 즉 핵분열에 어떻게 적용되는지와 원리를 이야기해보겟습니다. 이걸 이해하려면 먼저 원소주기율표에 대한 기초지식이 있어야 합니다. 수소가 1번 이고 헬륨이 2번이란거 아시죠? 번호는 바로 그 원자의 전자의 갯수입니다. 정확히 말하면 양성자의 갯수인데 전자의 수와 같고 이해가 쉬우니 편의상 전자의 갯수로 하는겁니다 무슨말이냐 하면 모든 원자를 아주크게 확대해보면 태양계랑 비슷합니다 중간에 태양이 있고 그 주위를 지구같은 행성이 공전하죠. 마찬가지로 모든 원자는 중간에 핵이 있고 전자가 공전하고 있으며 그 전자가 하나인게 수소 두개면 헬륨인거죠. 핵폭탄의 재료인 우라늄은 전자가 92개라서 92번입니다 원자폭탄의 재료인 자연에서 가장 무거운 원소인 우라늄235는 자연상태에선 0.3%밖에 존재하지않습니다 쉽게 설명하면 우리가 광산에서 금을 채굴하면 땅판다고 금덩어리가 나오는게 아니라 돌덩어리안에 금이 조금 나오는거랑 비슷합니다 돌1톤을 캐야 그중에서 금이 조금 나오는거죠 마찬가지로 우라늄 광석을 캐면 그 대부분이 우라늄 238이고 극소량이 235니까 그 안에서 235만 모으는 공정이 필요한데 그걸 우라늄 농축이라고 합니다. 북한 관련 뉴스에서 자주 듣게되죠 원자폭탄 개발에서 가장 어려운게 바로 이 공정입니다 순도가 90%이상 되는 고농축 우랴늄만 일정 중량 이상만들수만 있으면 그 다음은 쉽습니다. 우라늄 235는 임계중량이란게 있어서 5~20킬로만 되면 저절로 핵분열이 일어납니다. 눈사람 만들려면 눈뭉치를 눈에 굴리죠 그러다보면 나중엔 사람보다 커지기도 하죠 이런식으로 일정한 무게 이상이 되면 저절로 폭발한단겁니다 핵분열이란건 92번인 우라늄이 그보다 작은 원소가호인 46번 물질2개로 쪼개지는겁니다 92를 2로 나누면 46이니까요 사실은 46번이 아니지만 이해하기쉽게 설명하는겁니다 즉 원자폭탄이 되는거죠. 그래서 원자폭탄을 만들땐 임계중량의 고농축 우라늄을 피자 자르듯 여러 조각으로 나누어 보관하다 그걸 합치면 폭발하게 되는겁니다 이해가 되시나요 근데 이 과정에서 엄청난 에너지가 발생되는데 이게 바로 그 유명한 E=mc스퀘어죠 E= 에너지 즉 폭발할때 나오는 열 m=질량 C=광속 빛의 속도 초속 30만키로미터 아인슈타인의 상대성이론에서 나오는 공식인데 공식의 의미는 핵분열시 약간의 질량이 사라지면서 질량은 에너지로 변하는데 그 에너지가 어마어마 하단거고 에너지는 질량 곱하기 광속의 제곱입니다 광속은 30만이니 이걸 제곱하면 9 백억이 됩니다. 즉 질량이 아무리 작아도 그 에너지는 엄청 크단겁니다 그리고 요즘 화제가 많이 되는 미래의 에너지 핵융합 즉 수소폭탄의 원리도 이야기 하겟습니다. 이건 핵분열보다 원리는간단합니다 핵분열은 빼기 즉 뺄셈이고 융합은 더하기 즉 덧셈이죠 원소번호 1번인 수소 두개가 합쳐서 원소번호 2번 헬륨이 되는 과정에서 엄청난 에너지가 발생합니다. 장점이 이 과정에서 핵분열과 달리 방사능을 비롯해 어떤 공해도 발생하지않아 그 어떤 에너지보다 청정에너지이며 그 에너지가 원자력보다 큽니다 그야말로 꿈의 에너지죠 우리가 매일 보는 태양이 이런 원리로 수십억년 동안 엄청난 에너지를 발생하는겁니다. 그런데 수소가 헬륨으로 융합하려면 엄청난 열이 필요합니다. 1억도죠. 어떻게 이런 온도를 올릴까요? 오로지 핵폭탄만 가능합니다. 그래서 수소폭탄은 내부에 원자폭탄이 들어있어 그걸 먼저 폭발시켜 그걸 기폭제로 작용시켜 핵융합을 유도해냅니다. 하지만 원자력발전으로 사용되는 핵분열과 달리 핵융합은 실용화가 무척 어렵습니다 1억도를 내는건 어렵지않치만 그 온도를 무엇으로 보관하느냐가 문제니까요.