원자력 뜻 알아보기

원자력은 많이 들어봤지만, 그 개념은 다소 생소합니다. 핵분열과 핵융합 등이 이에 속합니다. 원자력은 원자핵의 질량이 변하거나 에너지 상태가 변화면서 발생하는 에너지입니다. 원자력은 원자핵이 에너지를 방출하는 반응을 겪는 핵물리학의 원리에 의존합니다. 원자력의 뜻 및 기본원리에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

 

원자력 뜻

원자력은 핵반응을 통해 방출되는 엄청난 에너지를 각종 산업에 이용할 수 있는 힘입니다. 원자력은 원자핵의 핵분열이나 핵융에서 비롯되며, 산업에 이용하기 위해서는 잘 제어해야 합니다. 각각의 이 과정들은 방대한 양의 에너지를 방출할 수 있습니다.  원자력은 핵물리학에 기초하며, 그 분류는 핵분열과 핵융합 그리고 방사성 붕괴로 분류할 수 있습니다. 원자핵의 분열인 핵분열은 현재까지도 원자력 발전을 통해 전기을 생산하는 데 사용되고 있습니다. 반면, 핵융합은 아직 에너지 생산을 위해서는 기술 개발이 더 필요한 상태입니다. 

 

원자력 알아보기

원자력의 종류 

원자력의 종류에 대해 알아보도록 하겠습니다. 핵분열은 원자핵이 두 개 혹은 그 이상으로 쪼개지면서 질량이 줄어들게 되고, 그 질량이 줄어든 만큼 에너지를 발산하는 과정을 말합니다. 핵융합이란 원자핵들이 결합하면서 질량이 그 원래의 원자핵의 합보다 줄어들게 되면서 에너지가 방출되는 과정을 말합니다. 이밖에도 원자가 안정되지 않은 상태에 있을 때, 에너지를 함유한 방사선을 내뿜으며 안정한 사태로 가고자 하는 방사성 붕괴도 있습니다. 

 

원자력의 기본 원리 

아인슈타인의 특수 상대성 이론은 매우 유명합니다. 에너지는 = 질량  곱하기 광속의 제곱 (E= mc2)라는 관계입니다. 즉 질량과 에너지는 서로 변환 가능하며, 질량결손이 생기면 그만큼의 에너지가 방출된다는 의미입니다.  

 

아인슈타인의 질량-에너지 등가식(E=mc²)은 그의 특수상대성이론에서 유래한 혁명적인 공식입니다. 이 등가식은 질량과 에너지 간의 상호 변환을 나타내며, 질량이 에너지로 변할 수 있고, 그 반대도 가능하다는 것을 의미합니다.

E=mc2

E는 에너지를 나타냅니다. m은 물체의 질량을 나타냅니다.

c는 빛의 속도인 광속을 나타냅니다 (3.00 ×10^8m/s)

이 공식은 물체의 질량이 빛의 속도로 제곱한 값에 비례하는 에너지로 변환될 수 있다는 것을 보여줍니다. 즉, 어떤 물체가 정지 상태에서 질량을 가지고 있다면, 그 물체의 에너지는 그 질량에 광속의 제곱을 곱한 값과 같다는 것을 의미합니다. 이공식은 핵물리학에서 아주 중요한 공식이며, 원자핵 반응에서 발생하는 에너지를 설명할 수 있습니다. 예를 들어, 원자폭탄에서는 아주 작은 양의 물질이 광속에 가까운 속도로 에너지로 변환되어 엄청난 폭발을 일으키는데, 이러한 현상은 아인슈타인의 질량-에너지 등가식에 기반하고 있습니다.

 

1g의 질량으로 계산해 보면, 2500만 kWh가 생성되며, 이는 1000MW에 해당하는 대형발전소가 25시간 동안 운전되는 것과 동일한 전력량입니다. 원자는 물질을 이루는 가장 작은 단위입니다. 원자는 가운데의 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 구성되어 있습니다. 양성자와 중성자는 핵력으로 결합되어 원자핵을 이루고 있습니다. 양성자는 양전하를 띄고 있으며, 중성자는 전기적 특성이 없습니다. 양성자와 중성자의 질량은 비슷합니다. 전자는 매우 가볍습니다. 화학시간에 모두 원소기호에 대해 배웠을 것입니다. 흔히 수소라고 하면 양성자 1개, 중성자 1개입니다. 하지만 가끔 수소-1, 수소-3 등으로 구분해서 부를 때가 있고, 이는 질량수를 의미합니다. 수소 3의 경우에는 양성자 1개와 중성자 2개로 구성됩니다. 이를 동위원소라고 부릅니다. 우라늄-238은 양성자 개수가 92, 중성자 개수가 146개입니다. 

 

이러한 동위원소들 중에는 불안정한 상태가 있습니다. 불안정한 상태인 경우, 방사선을 방출하거나 혹은 핵이 두 개 이상으로 쪼개지면서, 질량결손이 생기게 되고, 이 만큼의 에너지를 발산하게 됩니다. 우리가 흔히 사용하는 원자력은 이때 나오는 에너지를 이용하는 것입니다. 

원자핵은 양전하를 띄고 있는데, 이러한 원자핵끼리 결합되는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 태양 등 항성처럼 매우 큰 중력이 있으면 가능하지만, 자연계에서는 어렵습니다. 핵융합은 특별한 방법이 필요하며, 이를 산업에 이용하기에는 아직 더 연구가 필요합니다.

 

원자력의 연료 및 원자력 발전의 원리 

원자력 발전소의 경우 우라늄-235나 플루토늄-239을 연료로 사용합니다. 핵분열을 통한 연쇄반응은 열을 방출하고, 이 열은 증기를 생산하는데 쓰이며, 증기터빈을 돌려 연결된 발전기를 통해 전기를 생산하는 방식입니다. 증기터빈은 화력발전소에서도 사용되는 방식과 동일합니다. 다만, 화석발전소는 화석연료를 태워 열을 만드는 방식으로 화석연료를 태우는 과정에서 많은 양의 온실가스가 배출되지만, 핵분열과정에서는 온실가스가 배출되지 않습니다. 따라서 원자력발전은 온실가스 배출을 최소화하면서 대량의 전력을 생산할 수 있습니다. 다만 방사성물질의 취급 및 처리 과정에서 위험을 제거하기 위해 설계적 안정성을 높이는 것이 필요합니다. 

 

원자력의 사용

핵분열은 원자력발전소뿐 아니라, 연구용 원자로, 핵잠수함, 항공모함 등에서 널리 사용되고 있습니다. 핵융합은 태양에서 사용되는 방식이지만, 실제 지구상에서는 아직 상용화가 되지 않았습니다. 핵융합을 이용한 폭탄 등이 개발되기도 했습니다만, 에너지를 생산하기 위한 원자로 등은 아직 개발 중입니다. 방사능 또는 방사선은 의료계에서 많이 사용되며, 공학계에서도 사용되고 있습니다. 

에너지는 전 세계의 경제의 기초입니다. 세계 원자력 믹스에서 원자력이 차지하는 비중은 무시하기 어렵습니다. 자연환경과 보호, 에너지 수요, 에너지 안보의 균형을 추구하는 가운데, 원자력에 대한 이해는 세계 경제를 이해하는 데 가장 기본적인 초석입니다. 

 

이상으로 원자력에 대해 알아보았습니다. 어려운 개념인 것 같지만, 실생활에서 근접하게 사용되고 있습니다.