핵분열 대 핵융합: 원자력의 화학

1938년 12월, 두 명의 독일 화학자 오토 한과 프리츠 슈트라스만은 도무지 말이 되지 않는 일을 해냈다. 그들은 우라늄에 중성자를 충돌시키면서 우라늄이 약간 더 무거운 원소로 살짝 변하기를 기대하고 있었다. 그런데 그들의 정밀한 화학 분석에서는 자꾸만 바륨이 검출되었는데, 이는 우라늄 질량의 절반을 조금 넘는 원소였다. 마치 볼링공을 톡 건드렸더니 그것이 테니스공 두 개로 쪼개지는 것을 지켜본 격이었다. 한은 당시 스웨덴에서 망명 생활을 하던 옛 동료 리제 마이트너에게 편지를 보내 도대체 어떻게 이런 일이 가능한지 물었다. 마이트너는 어느 겨울날 조카 오토 프리슈와 함께 산책하며 이 문제를 풀어 나가던 중, 우라늄 원자핵이 실제로 둘로 쪼개졌다는 사실을 깨달았다.

프리슈는 단일 세포가 둘로 나뉘는 생물학에서 한 단어를 빌려 왔다. 바로 분열(fission)이다. 이 하나의 관찰로 주기율표의 화학은 원자핵의 물리학과 충돌했고, 원자로와 폭탄, 그리고 청정한 핵융합 에너지를 향한 오랜 꿈으로 이루어진 현대 세계가 움직이기 시작했다. 이 모든 것을 이해하는 데는 단 하나의 기이하고도 아름다운 발상만 있으면 된다. 바로 원자의 질량이 그 구성 요소들의 합과 정확히 일치하지 않는다는 것이다.

사라지는 질량

모든 원자핵은 양성자와 중성자의 집합체로, 그 모든 양전하 양성자들의 격렬한 전기적 반발에 맞서 강한 핵력이라 불리는 힘에 의해 하나로 결속되어 있다. 이들을 묶어 두는 데는 에너지가 든다. 아니, 정확히 말하면 에너지를 방출한다. 여기에 직관에 반하는 부분이 있다. 결합된 원자핵은 그것을 이루는 양성자와 중성자가 각각 따로 있을 때의 무게보다 약간 더 가볍다. 이 사라진 질량이 바로 그 유명한 "질량 결손"이다.

알베르트 아인슈타인의 방정식 E = mc 제곱은 그 질량에 무슨 일이 일어났는지 알려 준다. 질량과 에너지는 같은 것을 나타내는 두 가지 화폐이며, 그 환율인 c 제곱은 빛의 속도가 워낙 크기 때문에 엄청나게 거대하다. 아주 작은 양의 사라진 질량이 거대한 양의 에너지가 된다. 이 거래에 갇혀 있는 에너지가 바로 결합 에너지, 즉 원자핵을 하나로 붙드는 접착제다. 원자핵을 재배열하여 조금이라도 더 많은 질량을 떨어내도록 하면, 그 잉여 에너지가 쏟아져 나온다.

이것이 모든 원자력의 핵심이며, 핵반응이 석탄을 태우는 것과 같은 화학 반응보다 원자당 수백만 배 더 많은 에너지를 방출하는 이유이기도 하다. 화학 반응은 원자의 외곽 변두리에 있는 전자들을 뒤섞을 뿐이지만, 핵반응은 원자 중심부의 빽빽하고 에너지가 풍부한 원자핵 자체를 재배열한다.

모든 것을 설명하는 곡선

입자당 결합 에너지를 원자핵의 크기에 대해 그래프로 그리면, 전 과학을 통틀어 가장 중요한 그래프 중 하나를 얻게 된다. 그것은 가장 가벼운 원소들에서 가파르게 상승하다가 철과 니켈 부근(대략 26번 원소)에서 정점을 찍고, 그다음 우라늄 같은 가장 무거운 원소들을 향해 완만하게 하강한다.

그 정점이 핵심이다. 철-56은 가장 안정된 지점, 즉 모든 원자핵이 굴러 들어가고 "싶어 하는" 에너지 골짜기의 바닥 근처에 자리 잡고 있다. 이 단 하나의 곡선이 핵에너지를 끌어내는 두 가지 방법을 모두 설명한다.

무거운 쪽에서 내리막으로: 우라늄처럼 아주 무거운 원자핵을 중간 크기의 조각 두 개로 쪼개면, 그 파편들은 철의 정점에 더 가까워지고, 더 단단히 결속되며, 전체 질량이 더 가벼워진다. 잃어버린 질량이 에너지가 된다. 그것이 핵분열이다.

가벼운 쪽에서 내리막으로: 수소처럼 아주 가벼운 원자핵 두 개를 정점에 더 가까운 더 무거운 원자핵으로 융합하면, 다시금 그 생성물은 더 단단히 결속되고, 다시금 질량이 에너지로 전환된다. 그것이 핵융합이다.

두 과정 모두 반대편 비탈에서 같은 정상을 향해 오른다. 철 너머의 어떤 것도 어느 경로로든 더는 내어줄 에너지가 없으며, 그래서 철은 어떤 의미에서 진정한 핵의 재라고 할 수 있다.

핵분열: 중량급을 쪼개기

핵분열은 해내기가 더 쉬운 묘기이며, 그래서 먼저 발견되었다. 특정한 무거운 동위원소들, 무엇보다 우라늄-235와 플루토늄-239는 "핵분열성"을 띤다. 느린 중성자가 우라늄-235 원자핵을 때리면, 그 원자핵은 잠시 불안정해지고, 늘어난 물방울처럼 흔들리다가, 더 가벼운 두 원자핵(예컨대 바륨과 크립톤)으로 쪼개지면서 한바탕 에너지와 더불어, 결정적으로 두세 개의 중성자를 더 내놓는다.

그 여분의 중성자들이 모든 것을 좌우한다. 각각의 중성자는 또 다른 우라늄 원자핵을 때려 또 다른 분열을 일으킬 수 있고, 그러면 더 많은 중성자가 방출되며, 이런 식으로 계속된다. 이것이 연쇄 반응이며, 이것이 부드럽게 진행되느냐 격렬하게 진행되느냐가 발전소와 폭탄을 가르는 전부의 차이다.

천연 우라늄은 99퍼센트 이상이 우라늄-238인데, 이는 연쇄 반응을 잘 지속하지 못하며, 핵분열성 우라늄-235는 1퍼센트 미만이다. 이를 사용하려면 기술자들은 우라늄을 "농축"하여 우라늄-235의 비율을 높인다. 원자로 연료는 일반적으로 우라늄-235 함량이 약 3에서 5퍼센트로 농축되는데, 이는 느리고 통제된 연소에 충분한 정도다. 무기에 필요한 핵분열성 함량은 그보다 훨씬 높으며, 이것이 농축이 국제적으로 그토록 철저히 감시되는 한 가지 이유다.

폭탄 대 발전소

핵분열 폭탄과 핵분열 원자로는 같은 물리학을 공유하지만 정반대의 목표를 지닌다. 폭탄은 연쇄 반응이 가능한 한 빠르게 폭주하기를 원하고, 원자로는 그것이 결코 통제 불능으로 가속되지 않으면서 꾸준한 열을 방출하도록 칼날 위에서 유지되기를 원한다.

폭탄: 무기는 고농축 우라늄-235나 플루토늄-239의 "임계 질량"을 너무나 갑작스럽고 빽빽하게 모아 놓아서, 그 물질이 스스로 산산이 흩어지기 전에, 연쇄 반응이 천문학적으로 증식하도록 한다. 1945년 8월 히로시마에 투하된 폭탄은 우라늄-235를 사용했고, 사흘 뒤 나가사키에 투하된 폭탄은 플루토늄-239를 사용했다. 이 둘은 전쟁에서 사용된 유일한 두 개의 핵무기로 남아 있으며, 그것들이 초래한 인간 참사의 규모, 즉 수만 명이 즉시 목숨을 잃고 그보다 훨씬 더 많은 사람이 부상과 방사능으로 그 뒤에 죽어 간 일이야말로, 그 이래로 이 기술이 그토록 엄중하게 다루어져 온 바로 그 이유다.

발전소: 원자로는 폭탄처럼 폭발할 수 없는 저농축 연료를 사용한다. 두 가지 안전장치가 이를 길들여 둔다. 붕소나 카드뮴 같은 중성자 흡수 물질로 만들어진 제어봉이 노심 안으로 미끄러져 들어가 여분의 중성자를 빨아들이고 반응을 늦춘다. 보통은 평범한 물인 감속재는 빠른 중성자를 우라늄-235가 가장 잘 흡수하는 완만한 속도로 늦춘다. 그 열이 물을 끓여 증기로 만들고, 증기는 터빈을 돌리며, 터빈은 발전기를 구동한다. 그 색다른 노심을 걷어 내고 나면, 원자력 발전소란 그저 물을 끓이는 매우 정교한 방식일 뿐이다.

핵분열의 커다란 단점은 그 폐기물이다. 쪼개진 파편들 자체가 방사성을 띠고, 그중 일부는 수천 년 동안 위험할 정도로 방사성을 띠며, 그래서 장기 저장은 여전히 진정한, 그리고 아직 대체로 풀리지 않은 과제로 남아 있다.

핵융합: 별들의 힘

핵융합은 곡선을 반대 방향으로 달리며, 자연은 수십억 년 동안 어마어마한 규모로 이 일을 해 왔다. 태양은 하나의 핵융합 원자로다. 그 중심부에서는 수소 원자핵들이 단계를 거치며 헬륨으로 융합하고, 그 과정에서 잃어버린 질량이 바로 태양을 빛나게 하는 것이다. 우리 행성의 온기, 날씨, 그리고 거의 모든 생명은 궁극적으로 1억 5천만 킬로미터 떨어진 곳에서 일어나는 핵융합에 의해 동력을 얻는다.

핵융합의 매력은 명백하다. 그 연료인 수소 동위원소는 물에서 얻을 수 있고 사실상 무한하다. 핵분열이 만들어 내는 종류의 오래 가는 방사성 폐기물을 만들어 내지 않으며, 멜트다운을 일으키거나 폭주할 수도 없는데, 조건이 어긋나는 순간 반응이 멈추기 때문이다. 연료 단위당 핵융합은 핵분열보다 훨씬 더 많은 에너지를 방출한다.

그렇다면 우리는 왜 이미 그것으로 가동하고 있지 않은가? 원자핵을 융합시키는 일이 지독하게 어렵기 때문이다. 모든 원자핵은 양전하를 띠고, 같은 전하끼리는 서로 밀어낸다. 강한 핵력이 붙잡을 수 있을 만큼 수소 원자핵 두 개를 가까이 밀어붙이려면 이 전기적 장벽을 극복해야 하는데, 이는 연료를 대략 1억 도까지, 태양 중심부보다 훨씬 더 뜨겁게 가열해야 한다는 뜻이다. (태양은 더 차가운 중심부로도 해낼 수 있는데, 그 짓누르는 중력과 거대한 크기가 그 차이를 메워 주기 때문이다.) 그런 온도에서 물질은 플라스마, 즉 어떤 고체 용기로도 닿을 수 없는 하전 기체가 된다. 과학자들은 토카막이라 불리는 도넛 모양 기계 안에서 강력한 자기장을 사용하여, 플라스마를 일종의 자기 병 안에 매달아 둔다.

핵융합의 꿈, 그리고 왜 그것이 자꾸 멀어지는가

핵융합의 결정적 과제는 점화다. 즉 반응을 뜨겁게 유지하고 가두기 위해 쏟아붓는 것보다 더 많은 에너지를 반응에서 끌어내는 것이다. 수십 년 동안 이것은 손에 닿을 듯 닿지 않았고, 그래서 실용적 핵융합은 늘 30년 후의 일이라는 오래된 농담이 퍼졌다.

최근 몇 년 사이 상황은 진정으로 달라졌다. 2022년 말, 캘리포니아의 국립 점화 시설 연구자들은 자석이 아닌 고출력 레이저 배열을 사용하여, 연료 펠릿에 전달된 레이저 에너지보다 더 많은 에너지를 방출한 최초의 통제된 핵융합 반응을 보고했다. 그것은 이정표였고, 진짜였다. 하지만 그것이 무엇을 의미하고 무엇을 의미하지 않는지에 대해서는 정직할 필요가 있다. 이 이정표는 연료에 도달한 에너지만을 헤아렸을 뿐, 레이저가 전체적으로 소비한 훨씬 더 큰 에너지는 헤아리지 않았으며, 그것은 전력망에 공급하는 지속적이고 자립적으로 가동되는 반응이 아니라 단 한 번의 짧은 폭발이었다.

한편, 프랑스 남부의 국제 ITER 프로젝트는 수십 개국 연합이 건설한 토카막으로, 지속적이고 대규모인 자기 핵융합을 시연하는 것을 목표로 한다. 그것은 지금껏 시도된 가장 야심 찬 공학적 노력 중 하나이며, 완공까지는 아직 몇 년이 남았다. 이 모든 것을 가정에 전기를 안정적으로 공급하는 원자로로 바꾸는 일은 그보다 수십 년이 더 걸릴 것으로 널리 예상된다. 물리학은 더 이상 의심의 여지가 없지만, 공학은 여전히 진정으로 만만치 않은 채로 남아 있다.

핵심 요약

원자력은 그 두 가지 형태 모두 아인슈타인에게서 빌려 온 단 하나의 우아한 발상으로 귀결된다. 원자핵을 재배열하여 아주 얇은 질량 조각을 떨어내면, 그 질량이 거대한 에너지의 폭발로 다시 나타난다는 것이다. 철에서 정점을 찍는 결합 에너지 곡선은 그 정상에 이르는 두 갈래 길을 보여 준다. 핵분열은 무거운 쪽에서 내려오며, 우리가 이미 활용하고 있는 연쇄 반응 속에서 우라늄이나 플루토늄을 쪼개는데, 그저 물을 끓일 뿐인 발전소에서는 부드럽게, 그리고 히로시마와 나가사키 상공에서의 사용이 여전히 이 기술의 무게에 대한 우리의 감각을 규정하는 그 무기들에서는 파국적으로 그렇게 한다. 핵융합은 가벼운 쪽에서 올라오며, 바로 태양을 빛나게 하는 그 과정으로서, 거의 무한한 청정 연료를 제공하지만, 너무나 극단적인 온도와 가둠을 요구하기에 우리는 이제서야 실험실에서 그것으로부터 순 에너지의 첫 깜박임을 끌어내고 있다. 하나의 과정은 오늘의 일꾼이고, 다른 하나는 여전히 내일의 꿈으로, 더 이상 불가능하지는 않지만, 그래도 지금으로서는 막 지평선 너머에 있다.