문과생도 이해할 수 있게 씁니다. 제 글의 목표는 중학교 중퇴자도 이해할 수 있도록 쓰는 겁니다.
요즈음 원자력이 난리입니다. 원자력이 무엇이길래 그러는지, 원자력 발전은 무엇인지, 원자폭탄이랑 같다던데 뭐가 같은지.
제가 알려드리겠습니다. 글만 읽어도 머릿속에 자연스럽게 자리를 잡습니다.
머릿속에 새겨드리겠습니다. 그저 읽기만 하시면 됩니다.
저는 원리를 씁니다. 구체적인 수치는 언급하지 않을 것입니다.
순서는
전기생성 방법 -> 핵분열 -> 원자력 발전입니다.
현대에는 전기를 어떻게 생산해 내는지, 거기서 원자력이 어떻게 이용 되는지를 보겠습니다.
전기생성 방법
원자력 발전의 원리를 알기 위해서는 기본적인 전기 생산을 알아야 합니다.
전기라는 것은 전자의 움직임입니다.
전자가 금속으로 만든 도선을 타고 움직이면 그걸 보고 전류가 흐른다, 전기가 통한다고 하는 것입니다.
전자를 움직이게 하는 여러가지 방법이 있습니다.
자기장 속에서 움직이는 것입니다.
커다란 자석을 2개 공간을 띄워서 두겠습니다. 그러면 그 사이 자기장이 생깁니다.
자기장이 뭐냐면 전자가 움직이도록 만드는 것입니.
어릴 때 자석 두고 옆에 철가루 두면 타원형 모양 생깁니다. 그런 식으로 철가루가 배열되게 하는게 자기장입니다.
더 쉽게는 우리가 길 가다가 똥을 보면 살짝 돌아가지 않습니까? 우리가 돌아가게 만들도록 하는 그 영향력을 장 field라고 합니다. 똥이 field를 만든 겁니다.
전자가 자기장 속에 있으면 길가다 똥 만난것처럼 돌아가게 됩니다.
근데 그냥 움직이는게 아닙니다. 가만 있으면 똥 있는거 신경도 안 쓰겠습니다.
전자는 기본적으로 금속 안에 있습니다.
그 금속을 선모양으로 둥그렇게 머리띠 모양으로 만들어서
위의 자석 2개 사이에서 빙글빙글 돌립니다.
그러면 금속 선을 따라서 전자가 움직이게 됩니다.
그게 바로 전기가 생긴다는 것입니다.
전자가 움직이도록 하는 것. 가만 있으면 움직이지 않고
'자석 사이에서' '금속이 돌아갈때' 전자가 움직입니다.
전기를 만들 때는 이 방법을 사용합니다.
그런데 이 자석이나 금속띠나 크기가 어마무시하게 큽니다.
그리고 빨리 돌아간다. 그래야 전기를 양껏 생산합니다.
이 금속띠를 빨리 많이 돌아가게 하기 위해서
인간은 석유/석탄/가스를 태웠습니다.
사실 증기기관의 원리가 들어간 것입니다.
석탄 석유를 태우면 뜨거운 열이 나옵니다. 사실상 폭발하듯 타버리는데 그 열로 물을 데웁니다.
물을 데우면 뜨거운 수증기가 뭉게뭉게 피어나겠습니다.
이 수증기를 관을 따라 통과시키면서 금속띠를 돌리게 합니다.
바람개비에 바람 불면 돌아갑니다.
금속띠에 페달을 달아서 수증기를 바람불듯이 지나가게 하는 것입니다.
이렇게 기본적으로 발전소들은 운영됩니다.
수력/풍력/조력발전소는 폭포수나 바람이나 밀물썰물을 이용해서 이렇게 금속띠를 돌려주는 겁니다. 물레방아를 물이 돌리는 것처럼. 근데 파워가 약해서 전기가 잘 안 만들어집니다. 바람개비 크기가 아주 커야 되는데 그러면 금속띠를 돌리기 어렵습니다.
아무튼 이제 원자력과 화력의 차이가 나옵니다.
금속띠를 돌리기 위해서는 물을 끓여서 수증기가 나오도록 해야하는데
그때 물을 끓이기 위한 열에 석탄석유가 쓰이느냐 원자가 쓰이느냐
이 차이입니다.
석탄석유가스를 태우면 매연이 나옵니다. 반면 원자력은 안 나옵니다. 방사능물질만 좀 생깁니다.
그럼 어떻게 원자력이 가동될까요.
핵분열
원자력은 핵분열을 이용합니다.
핵분열은 핵이 쪼개지는 것을 말합니다. 구슬아스크림 먹으면 가끔 몇개씩 붙어있습니다. 그거 똑 떼면 떨어집니다. 그런 모습 상상하면 됩니다. 근데 떨어질때 엄청난 열이 옵니다.
먼저 간단한 원자 구조부터 알아봅시다.
원자에는 핵이 있습니다. 사과 먹으면 가운데 씨 있듯이 있습니다.
핵은 양성자랑 중성자가 꼭 붙어있는 모양입니다.
엄청나게 강한 에너지로 붙어있습니다. 빨판을 유리창에 붙였다가 강제로 떼내면 뾱 하고 소리가 큽니다. 소리 대신 열이 나오는 겁니다.
그러니까 양성자랑 중성자가 붙어있는 핵
이걸 떨어뜨리면 폭발하듯 열이 엄청나게 나옵니다.
어떻게 떨어뜨리느냐 하는 겁니다.
철 산소 질소 구리 금처럼 우라늄이라는 물질이 있습니다.
우라늄에 중성자를 부딪히면 우라늄이 쪼개지면서 열이 나옵니다.
중성자가 우라늄에 가까이 가서 붙기만 하면
우라늄놈이 멘탈 흔들려가지고 깨지고 마는 것입니다.
중성자를 만들어주는 방법으로는 인공적으로 만든 원자를 사용합니다. 입자가속기를 이용하는데 원자랑 원자랑 아주 빠른 속도로 부딪히면 새로운 원하는 입자를 만들 수 있습니다.
물에 우라늄을 담가놓고 거기에 위에 만든 쉽게 중성자를 내보낼 수 있는 입자를 넣습니다.
그러면 중성자가 스물스물 새나오는데 이게 우라늄에 들러붙습니다.
그러면 우라늄이 폭발을 해버리는 것입니다.
우라늄이 폭발하면서 양성자와 중성자가 떨어집니다.
어 그러면 중성자가 떨어져나왔네요.
이 중성자놈이 옆에 있던 친구 우라늄 원자놈한테 가서 들러붙습니다.
그러면 그놈도 폭발합니다.
어 그러면 또 중성자가 떨어져나왔네요.
이게 또 옆에 원자에 들러붙습니다.
이런 식으로 연쇄폭발이 일어납니다.
이 열을 가지고 물을 데우면 물이 순식간에 수증기가 됩니다.
엄청 빠르게 강하게 움직여서 페달을 돌립니다.
그러면 거대한 금속띠가 움직이면서 전기가 만들어집니다.
이때 연쇄폭발이 마구잡이로 일어나면 그게 핵폭발입니다.
핵폭탄은 이 연쇄폭발에 아무런 통제를 가하지 않습니다.
그냥 마구잡이로 터지게 만들어서 열이 뿜어져나오게 합니다.
원자력 발전소에서는 물을 씁니다.
위에 썼듯 우라늄을 물에 담가놓는데
우라늄 핵이 깨지면서 나온 중성자가 다른 우라늄에 붙는것을
바로 이 물이 느리게 해줍니다. 물이 중성자를 가져가기도 하고요.
물 속에서 반응할 때 그 속도를 통제할 수 있습니다. 엄청난 과학입니다.
※이때 쓰는 물이 중수냐 경수냐에 따라서 중수로, 경수로가 나뉘어집니다.
우리나라는 경수로를 씁니다.
왜 경수로냐. 우라늄 농도가 2~3%로 농축된걸 쓰면 경수로를 이용해서 연쇄폭발 속도를 강하게 통제해야 합니다.
농축이 많이 된만큼 속도가 빨라지는데
경수는 가벼운 물, 허점이 많아서 중성자가 우라늄한테 가지 않고 물에 들러붙는다. 그러면 그냥 물이 됩니다.
중수로는 우라늄 농도가 0.7%밖에 안됩니다. 그래서 느리기도 하고 그렇습니다. 그런데 이때 중수로를 쓰면 원자폭탄을 만들 수 있게 됩니다. 0.7% 농축 우라늄은 사실상 천연 우라늄인데 이 천연 우라늄을 손에 넣게 되면 고농도로 농축시킬 수가 있습니다. 고농도 우라늄을 쓰면 핵폭탄 생성이 가능합니다.
우리나라는 미국이 농축우라늄만 쓸 수 있도록 제한해놨습니다.
아 미국이 아니고 세계원자력어쩌고.
그래서 항상 2~3% 짜리 농축우라늄을 수입해서 씁니다.
같은 전력 생산할때 석유보다 훨씬 저렴합니다.
원자력 발전
이제 이걸 종합해보겠습니다.
원리는 늘 그렇듯이 정말 간단합니다.
- 커다란 자석 사이에 바람개비를 단 거대한 금속띠 설치.
- 이 바람개비를 돌리기 위해 물을 끓임.
- 물을 끓일 때 쓰는 에너지가 원자력 에너지.
물을 끓이는게 언제나 문제입니다.
석유나 석탄을 쓰면 태워야하기 때문에 매연이 아주 많이 나옵니다.
이걸 즉시 들이킬 것이냐 하면 아니다 한다는 것입니다.
그러면 원자력에서는 어떠하냐.
일단 핵분열이 일어날 때 연쇄폭발을 제어하면서 수증기가 나옵니다.
진짜 뭉게뭉게 피어오르는 구름일 뿐입니다.
그런데 핵분열을 일으켜서 열을 방출하고 남은 우라늄이 문제입니다.
이게 다시 안정적으로 결합해가는데 이 과정에서 방사선이 나옵니다.
이 방사선이 참 문제인데 우리 몸을 그냥 뚫고 지나갑니다.
레이져나 빛은 우리몸을 못 뚫잖습니까. 근데 뚫는 것입니다.
뚫고 지나가면서 세포를 건드립니다. 지독한 방사선.
세포도 그냥 건드리는게 아니고 유전정보를 건드립니다.
DNA에 변형이 일어나서 세포가 적당할때 죽고 적당할때 분열해야 하는데 이걸 못하게 트리거를 망가뜨립니다.
그러면 암세포가 되는것. 뿐만아니라 뇌도 망가뜨리고 하여간 제기능을 못하게 합니다.
이걸 막는 방법은 아주아주 간단합니다.
아주아주 두꺼운 콩크리트 벽을 4~5겹으로 쌓아두면 됩다.
정말 생각보다 너무 간단하지 않습니까?
이렇게 쌓아두면 방사선이 절대 못 빠져나옵니다.
방사선은 우라늄이 원래대로 돌아가면서 나오는 것이고
이것만 물에 잘 담가서 콩크리트 벽에 꽁꽁 감싸놓으면 해결입니다.
과학을 모르는 사람들이야말로 방사능이 어쩌고 하는 겁니다.
원래대로 돌아간 우라늄을 다시 쓸수는 없느냐.
없습니다. 이걸 다시 쓸 수 있도록 하는 것이 기술인데
이 기술을 쓰면 핵폭탄을 만들 수 있는 농축우라늄을 만들 수 있게 됩니다.
그러므로 우리나라에서는 절대 불가능하고 땅에 묻어야만 합니다.
그 뭐 옛날에 미국 고속도로에서 피살당한 천재 물리학자 이야기. 그게 이겁니다. 박정희땐가 전두환땐가. 원자력 이용 시작하면서 이 기술을 개발하려고 했다고 합니다.
이게 요즘 선진국에선 그렇게 어려운게 아니라 북한도 합니다.
안 하는 겁니다. 핵폭탄 안 만들려고.
그리고 원자력 발전소의 안정성은 이 콘크리트 벽에서 결정납니다.
콘크리트 벽이 내진 설계가 얼마나 잘 돼있느냐. 몇 겹이냐. 이겁니다.
뿐만 아니라 우라늄을 폭발시킬때 연쇄 반응을 얼마나 잘 제어할 수 있느냐. 이게 또 안정성이고 기술이고 효율을 결정합니다.
여기서 그치지 않고 폭발하는 에너지를 잘 가둬놓는 것과 에너지 크기를 조절하는 것
온도 체크 농도 체크 물을 다루는 것
그리고 중성자를 만들어내는 것 그리고 폐기물을 처리하는 방법 등등.
아참 원자력발전소는 바다 근처에 있잖습니까.
뜨거워진 수증기를 식혀야 하는데 그때 다른 냉각수 안 쓰고 바닷물을 씁니다.
가장 저렴하고 가장 풍부하고 끊길일 없는 냉각수.
냉각수에 문제가 생기거나 조금이라도 부족하면 수증기 때문에 뜨거워져서 발전소가 녹아내립니다.
수증기 뿐만 아니라 분열된 우라늄도 뜨겁습니다.
이거 식히기 위해서 24시간 끊임없이 바닷물을 끌어와야 합니다. 이것도 기술입니다.
원리는 여기까지입니다.
정말 간단하죠?
그냥 중성자 만들어서 갖다대면 폭발하고 거기에 주전자 갖다대서 끓이고 증기 나오면 바람개비 돌리면 전기 땡.
그런데 이때 들어가는 기술들이 첨단과학입니다.
원리가 나온지는 1900년대 초중반, 아직 원자력 에너지는 세계 10%밖에 감당 못한다고 하니 기술이 얼마나 어려운지.
이걸 갖다가 우리나라가 농축우라늄도 못만들면서 원자력 발전에는 세계최고급 기술을 가지고 있는데 누가 이거 엄청 반대하죠.
잡소리
- 원자력 발전은 실제로 만들기 전까지는 절대 할 수 없는 분야입니다. 하면서도 끊임없이 해봐야만 진보가 가능합니다. 그런데 이거 하는걸 다 막고 있으니. 만든지 이삼십년 된것들 보고 위험하다 하면서 새로 지을라니까 만들지 말라고. 그러면 이삼십년 이전으로 돌아가는 소리밖에 더 되나 싶습니다.
원자력이야말로 가장 친환경적인 에너지입니다.
더 안전하고 효율적인 원자력 발전을 위해서는 입자의 연구가 필수입니다. 핵을 연구해야 하는데 그러려면 입자가속기가 필요합니다. 근데 우리나라에는 충분한 가속기가 없습니다. 기초과학 분야 투자가 미미합니다. 해봐야 반도체 조금. 근데 반도체도 응용과학 아닌가요?
50~80킬로 되는 인간을 움직이기 위해서는 몇 킬로를 움직여야할까요. 현대는 그야말로 에너지 모순입니다. 그간 화학반응으로 모든 것이 일어났습니다. 태우고 폭발시키고. 그러면 반드시 찌꺼기가 남고 전 인류를 질식킵니다. 앞으로 태어날 자식뿐 아니라 동식물마저.
전기야말로 인간의 미래입니다. 말씀 드렸다시피 전기는 전자가 움직이는 것밖에 안 됩니다. 움직이는 데에는 별다른게 필요 없습니다. 화학 반응처럼 다른 유독물질이 생성되지도 않습니다. 그저 물 같은 걸 끓여서, 수소를 이용하면 물이 만들어지면서 그렇게 작동합니다. 이를 위해서 원자력은 필수입니다.
우라늄이 붕괴되는건 반응이 아니냐. 붕괴했다가 원래대로 돌아갑니다. 잠깐의 변형일 뿐입니다. 폐기물 관리만 안전하다면 완전한 친환경입니다. 폐기물이 위험하다고요. 단언컨대 아닙니다.태양광 발전은 좀 다릅니다.
태양광은 아인슈타인이 발견한 광전효과를 이용합니다. 빛이 어떤 물질에 닿으면 전자가 톡 튀어나옵니다. 당구공처럼, 빛이 알갱이로 오는데 전자에 톡 부딪히면 전자가 톡 나오는 것입니다.
근데 이게 말이 안 되는게... 길거리 태양광 가로등 보시면... 고작해야 고 주변 밝히는게 전부입니다.전기를 완벽히 저장하는 방법은 없습니다.
원자력 발전소에서 아무리 전기를 많이 생산해도
버리는 양이 좀 많습니다. 그렇지만 끊임없이 하지 않으면 안 됩니다. 계속 쓰는데 저장이 안 되기 때문에.
건전지가 있고 전기차 전지도 있고 합니다.
근데 그정도가 최첨단입니다. 공장을 돌릴만한 전기를 저장할 수는 없습니다.
핸드폰에 들어가는 배터리, 이거 전기량 얼마 되지도 않습니다.
저는 다음 과학 혁신은 전기를 저장하는 것이라 생각합니다.
읽어주셔서 감사합니다.