역사의 오늘
1942년 12월 2일, 맨해튼 프로젝트: 엔리코 페르미가 이끄는 연구팀이 최초의 인공 우라늄 핵분열 연쇄 반응 실험 성공
맨해튼 계획 또는 맨해튼 프로젝트 (Manhattan Project)는 제2차 세계 대전 중에 미국이 주도하고 영국과 캐나다가 공동으로 참여했던 핵폭탄 개발 프로그램으로 1942년 12월 2일, 맨해튼 프로젝트를 이끄는 엔리코 페르미 연구팀이 최초의 인공 우라늄 핵분열 연쇄 반응 실험에 성공했다.
핵 연쇄 반응 (核連鎖反應, nuclear chain reaction)은 하나의 핵 반응이 평균적으로 하나 이상의 핵 반응을 유발하는 과정으로, 일단 하나의 핵 반응이 시작하면 이후 핵 반응 수가 기하급수적으로 증가하는 현상을 가리킨다.
임계 질량 이상의 충분한 양의 핵분열 연료가 제어되지 않은 채로 핵 연쇄 반응을 일으키면, 막대한 양의 에너지 방출을 일으키며, 이것이 바로 핵무기의 기본 원리이다. 핵 연쇄 반응은 적절하게 제어될 수 있으며, 핵 반응로에서와 같이 에너지원으로 사용될 수도 있다.
유일하게 알려진 자연적으로 지속되는 핵 연쇄 반응은 가봉의 오클로(Oklo)에서였다.
최초의 인공적인 지속적인 핵 연쇄 반응은 엔리코 페르미가 이끈 Metallurgical Laboratory에 의해서였다. 이는 맨해튼 계획동안에 일어난 일로, 1942년 12월 2일 시카고 대학의 스태그 필드(Stagg Field)의 지하에서 실험되었다.
일부 핵분열 반응식은 다음과 같다, 숫자는 평균이다.:
.U-235 + 중성자 = 핵분열 산출물 + 2.52 중성자 + 180 MeV
.Pu-239 + 중성자 = 핵분열 산출물 + 2.95 중성자 + 200 MeV
위의 식은 사용할 수도 없고 발견하기도 힘든 중성미자가 지니는 10 MeV를 제외한 값이다.
무거운 원자가 핵분열을 할 때, 원자는 두 개 이상의 원자로 쪼개어진다. 각 산출물은 주기율표 상에서 훨씬 가벼운 원소이다.
위 식에 따르면, 하나의 중성자가 대략 2.5 내지 3 개의 중성자를 방출하는 핵분열 반응을 유발할 수 있다. 중요한 것은, 이러한 중성자 중 얼마나 많은 수가 다음번의 핵분열 반응을 유발하느냐 하는 것이다. 유효 중성자 곱인자 k는 이러한 2.5 내지 3 가운데서 다음의 핵분열을 유발하는 중성자의 평균 개수를 의미한다. 그러므로 k는 새로운 핵분열을 일으키지 않으면서 다른 원소에 흡수되거나, 혹은 아예 계 바깥으로 나가버리는 중성자의 개수는 제외하는 값이다. 두 물체를 함께 고려할 때의 k값은 개개의 k값 중 큰 값보다도 항상 더 크게 된다. 두 물체 각각의 k 값의 합보다 클 수도, 아닐 수도 있다. 서로 떨어져 있는 두 물체의 경우는 둘 중 큰 값보다 약간 큰 수준이지만, 만약 포신형 핵무기에서처럼 한 물체가 다른 한 물체 내부 구멍에 들어갔을 때라면, 두 값의 합보다 더욱 커질 수도 있다.
평균 세대 시간은 중성자가 생성된 이후에 핵분열을 위해 포획되기까지의 평균 시간을 가리킨다. 이 시간은 매우 짧다. 중성자의 평균 속도는 대략 10,000 km/s이며, 이동 거리는 10 cm 정도이다. 그러므로 평균 시간은 대략 10 나노초 정도이다.
k 값에 따라 다음과 같은 세 경우로 나눌 수 있다.
– k < 1 (아임계 질량): 일단 핵분열이 시작하면, 평균적으로 총 1/(1 − k)번의 핵분열이 일어난다. 핵 연쇄 반응은 금방 사라지게 된다.
– k = 1 (임계 질량): 하나의 자유 중성자에 의해 시작하면, 어느 순간에 관찰하더라도 평균적인 자유 중성자의 개수는 1을 유지하게 된다. 즉, 핵 연쇄 반응이 멈추어버릴 확률이 있지만, 이 확률은 다수의 중성자가 생성될 확률에 의해서 상쇄되게 된다.
– k > 1 (초임계 질량): 비록 하나의 자유 중성자로 시작하면, 핵 연쇄 반응이 시작되지 않거나 금방 멈추어버릴 가능성이 없는 것은 아니다. 하지만 일단 자유 중성자 수가 몇 개만 넘어가면, 이후 기하급수적으로 증가하게 된다. 계 내부에 존재하는 중성자의 개수와 핵분열의 총회수 모두 {\displaystyle e^{(k-1)t/g}}e^{{(k-1)t/g}}에 비례하는데, g는 평균 세대 시간이며, t는 경과 시간이다. 이러한 반응은 당연하게도 영원히 지속될 수 없다. k는 남아있는 핵분열 물질의 양이 줄어감에 따라 감소하게 된다. 또한 모양이라던가 밀도 역시 변화하게 된다. 모양에서의 변화라 함은, 남아있는 핵분열 물질이 서로 쪼개어진다거나, 혹은 단순히 녹아서 흘러가버린다든지 하는 것을 의미한다.
– 맨해튼 계획
맨해튼 계획은 레슬리 그로브스 소장이 지휘하는 미국 육군 공병대의 관할로 1942년부터 1946년까지 진행되었다. 민관 합동으로 진행된 맨해튼 계획의 군사 부문은 맨해튼 지구(Manhattan District)라 불렸고, 전체 프로젝트를 총괄하는 공식 이름은 대체 자원 개발(Development of Substitute Materials)이었다. 맨해튼은 공식명을 대신하는 미국측 암호명이었고, 영국 측 참가 조직의 암호명은 튜브 앨로이스 (Tube Alloys, 특수강관; 特殊鋼管)이었다.
맨해튼 계획은 1939년에 극소수(처음 예산은 6천 달러였다)로 출발하였지만 1945년에는 고용 인구 13만 명, 사용 예산 2억 달러(인플레이션을 감안한 2011년 화폐가치로 환산하면 약 24억4천만 달러가 된다)로 성장하였다. 비용의 90% 이상은 공장의 건축과 핵분열 원료의 구입에 사용되었고, 10% 정도는 무기 개발에 사용되었다. 연구 개발과 제조는 미국, 영국, 캐나다 등에 있는 30곳 이상의 지역에 분산되어 진행되었고, 일부는 기밀 지역이었다.
전쟁 기간 동안 두 종류의 핵폭탄이 개발되었다. 하나는 우라늄-235를 탄두로 사용한 포신형 핵분열 무기로, 자연에 존재하는 우라늄 가운데 0.7%를 차지하는 우라늄-235를 농축하여 탄두로 제작한 것이다. 우라늄-235는 동위 원소인 우라늄-238과 원자량이 거의 같기 때문에 이 둘을 분리하여 농축하는 것은 매우 힘든 작업이었다. 핵탄두의 제조 공정은 농축 우라늄을 생산하는 공정과 캘루트론(Calutron)이라 불린 동위 원소 분리 공정, 그리고 기체확산법과 열영동을 이용한 우라늄-235의 농축 공정이 있었다. 이 공정들은 대부분 테네시주 오크리지에서 이루어졌다.
또 다른 종류의 핵폭탄은 플루토늄을 탄두로 사용한 것이었다. 플루토늄은 워싱턴주 핸포드 사이트에 있는 반응로에서 만들어졌다. 플루토늄의 제법으로는 우라늄-238에 중성자를 조사(照射)하는 핵 전환이 사용되었다. 핵 전환으로 생성된 플루토늄은 화학적 분리 방법으로 농축되었다. 한편, 폭탄의 개발 및 제작은 뉴멕시코주에 있는 로스앨러모스 연구소에서 진행되었고, 포신형 보다 복잡한 내폭형으로 설계되었다.
1945년 7월 16일 사상 최초의 핵폭발 실험인 트리니티 실험이 진행되었다. 실험 이후 두 종류의 핵폭탄이 만들어졌다. 포신형 핵폭탄에는 리틀 보이라는 이름이 붙었으며, 내폭형 핵폭탄은 팻 맨이라 불렸다. 미 국방부는 히로시마와 나가사키에 핵폭탄 투하를 결정하였다. 1945년 8월 6일 리틀 보이가 히로시마에 투하되었고, 8월 9일에는 팻 맨이 투하되었다.
맨해튼 계획은 매우 엄정한 기밀을 유지하며 진행되었다. 그러나 소련의 핵기술 첩보원들은 이미 프로그램 각 부분에서 암약하였다. 소련은 나치 독일의 독일 핵에너지 프로젝트에도 첩보원을 두고 있었고 양측의 정보를 수집하였다. 소련은 독자적인 핵무기 개발을 위해 독일의 핵 기술자를 납치하는 러시아 알소스 작전을 진행하였으며, 향후에는 맨해튼 계획의 핵 기술자를 납치하려는 계획도 세우고 있었다.
맨해튼 계획은 핵무기 제조가 최대 목표이긴 하였으나, 방사능의 의학적인 이용이나 핵추진력을 이용한 해군력 확보와 같은 방사선학의 다양한 적용에도 관심을 두고 있었다. 1947년, 맨해튼 계획의 업무는 미국 원자력 위원회로 이관되었다.
○ 핵분열과 핵융합
일본 원전사고 복구 작업이 진행 중인 가운데 최근 중국이 원자력 발전용량을 오는 2020년까지 8배 가까이로 늘릴 계획이라고 밝혀 눈길을 끈다.
하지만 중국이 계획하는 원자력 발전은 기존 핵분열을 기초로 한 원자력 발전과는 다른 방식이다. 핵분열과는 반대 방식인 ‘핵융합’을 바탕으로 발전용량을 늘리겠다는 것이다.
상용화된 원전에 비해 개발단계에 있는 핵융합기술은 아직 큰 주목을 받지는 못하고 있다. 하지만 미래 에너지의 대안으로 전 세계가 다투어 개발에 나서는 분야가 바로 핵융합이다.
– 핵분열? 핵융합?
핵융합을 이해하려면 지구와 인류 탄생의 근원인 태양을 생각하면 쉽다. 태양과 같이 스스로 빛을 내는 별들의 중심은 1억도 이상의 초고온 플라즈마(고체, 액체, 기체 상태가 아닌 제 4의 물질상태) 상태다. 플라즈마 상태에서는 수소와 같은 가벼운 원자핵들이 서로 융합해 무거운 헬륨 원자핵으로 바뀌는 핵융합 반응이 일어난다. 이 과정에서 엄청난 에너지를 발생한다. 현재의 원자력 발전은 핵융합과는 반대로 핵분열 시 생성되는 에너지를 이용한 것이다.
이해는 쉽지만 실제 핵융합 에너지를 얻기는 결코 쉽지 않다. 태양과 비슷한 조건을 구현해야 하는데, 달리 말하면 작은 태양을 만들어야 한다는 얘기다. 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 하고 이 플라즈마를 가두는 그릇 역할을 하는 핵융합 장치, 그리고 연료인 중수소와 삼중수소가 필요하다.
오랜 기간 과학자들은 핵융합 반응을 실현하기 위해 초고온 플라스마를 가두는 방법을 찾으려 노력해왔다. 그리고 마침내 ‘토카막’이라는 자기장을 이용한 핵융합 장치에서 그 가능성을 찾았다.
핵융합을 이용해 발전소를 만든다면 원전 이상의 발전량을 기대할 수 있다. 초고온 플라즈마의 핵융합 반응을 통해 생성된 중성자의 열에너지가 증기를 발생시키고 그 증기가 터빈발전기를 돌리면 전기가 생산된다.
특히 핵융합은 원료가 물이고 고준위 폐기물이나 온실가스 배출이 없어 친환경적이다. 또 가스 상태로 주입되는 연료는 공급이 중단되면 반응이 바로 정지되기 때문에 원천적으로 안전하다. 방사성 폐기물을 만들지 않는다는 점도 매력적이다.
– 핵융합은 전 지구적 미래에너지
미국은 인류가 삶의 질을 개선하고 보존하기 위해 추진해야 하는 ‘위대한 도전’ 과제 중 하나로 핵융합 기술을 선정했다. 연료가 풍부하고 안전하며 에너지 효율이 높아 기존 에너지원의 한계를 극복하는 최적의 에너지라는 설명이다.
이미 주요 선도국은 지난 50여년간 핵융합을 이용한 대용량의 에너지 생산 가능성을 연구, 확인해왔다. 그리고 이제 핵융합에너지를 공학적으로 검증하기 위한 발전소 규모의 핵융합로를 건설하는 단계에까지 접어들었다. 인류 최대의 국제 공동프로젝트로 알려진 이터(ITER, 국제핵융합실험로) 공동개발 사업이 바로 그것이다.
ITER 장치는 2019년까지 건설비만 10조원이 넘을 것으로 추산되는 과학기술 국제협력 사업이다. 현재 프랑스 남부 까다라쉬에 건설되고 있다. ITER 장치 건설은 참여 7개국이 세부 품목을 나누어 제작, 납품하면 현장에서 조립하는 방식으로 추진된다. 한국은 9개 핵심장치를 담당한다.
ITER에 참여하는 국가들은 오는 2019년쯤 가동에 들어갈 ITER를 통해 500MW 이상의 대용량 에너지를 생산할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이어 2040년대는 핵융합 상용화 시대가 열릴 것으로 예상하고 있다.
참고 = 위키백과
크리스천라이프 편집부