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꼬마와 뚱보 -우라늄(U)- 목록

조회 : 7865 | 2012-05-29

판도라의 상자가 열리다
 1945년 8월 6일, 일본 히로시마의 상공에 거대한 구름기둥이 치솟아 올랐다. 사상 초유의 폭발로 인한 수백 만 도의 뜨거운 열기와 이어서 불어 닥친 강력한 폭풍은 히로시마를 초토화시켰다. 판도라의 상자인 우라늄 원자폭탄이 폭발한 것이었다. 이로 인해 히로시마의 60%가 불에 탔으며 34만 명의 시민들 중 10만여 명이 사망했고, 5년 동안 10만여 명이 방사선 후유증으로 희생됐다.
 8월 9일, 나가사키에 두 번째 플루토늄 원자폭탄이 투하되었다. 이것은 우라늄 원자폭탄보다 훨씬 강력했다.
 원자폭탄은 짧은 시차를 두고 연쇄적으로 터지기 때문에 시간이 길수록 효율은 떨어진다. 당시에는 핵반응 기술의 부족으로 플루토늄 탄과 우라늄 탄의 효율은 각각 20%, 3%에 불과했다. 그럼에도 불구하고 평지였던 히로시마가 산이 많은 나가사키보다 더 큰 피해를 입었다. 8월 15일, 결국 일본은 항복을 선언했다. 
 돌턴이 원자설을 주장한 이래 원자는 그 정체를 하나둘씩 드러내기 시작했다. 그리고 그 누구도 상상할 수 없었던 판도라의 상자가 인류 앞에 활짝 열린 것이다. 원자폭탄의 엄청난 파괴력에 인류는 두려움에 떨 수밖에 없었다.  

 

원자폭탄

원자폭탄과 일본의 항복

 

꼬마와 뚱보
 히로시마에 투하된 우라늄 원자폭탄의 별명은 꼬마(Little Boy), 나가사키에 투하된 플루토늄 원자폭탄의 별명은 뚱보(Fat Man)였다. 왜 꼬마와 뚱보일까?

 

 꼬마와 뚱보

꼬마와 뚱보 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) United States Department of Energy

 

 별명은 기밀을 유지하기 위한 것이었다. 꼬마와 뚱보가 알려지더라도 그것이 폭탄이라는 것을 숨길 수 있기 때문이었다. 이들의 무게는 약 4톤으로 비슷했지만 덩치가 작은 우라늄 원자폭탄은 ‘꼬마’, 직경이 컸던 플루토늄 원자폭탄은 ‘뚱보’로 불렸던 것이다.

 

판도라 상자의 열쇠, 중성자
 원자 안에는 무엇이 있을까?
 20세기, 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 전자가 있음이 알려졌다. 원자핵에는 양성자가 있었지만, 그 질량은 전체의 50%에 정도였다. 러더포드(1871~1937)는 핵 안에는 양성자와 같은 또 다른 입자가 있을 것으로 예상했다.
 1930년, 보테(1891~1957)는 폴로늄에서 나온 α-입자를 베릴륨 판에 통과시켰을 때 여기서 생긴 감마선이 납을 통과하는 것을 발견했다. 그러나 이 감마선이 파라핀이나 물을 통과시키면 세기가 크게 증가했다. 만약에 이 선이 감마선으로만 이루어져 있었다면 세기는 감소해야만 했다. 과연 이것의 정체는 무엇일까?
 1932년, 채드윅(1891~1974.)은 여기에는 감마선과 함께 새로운 입자, 즉 중성자가 포함되어 있다는 것을 발견했다. 전하를 띠지 않는 중성자는 양의 성질을 띤 원자핵에 쉽게 충돌시킬 수 있는 입자였다. 중성자는 판도라의 상자를 여는 핵분열의 첫 번째 열쇠였던 것이다. 

 

1

납을 통과하는 새로운 선의 발견

 

2

새로운 선은 중성자임을 증명하는 실험

판도라의 상자가 열리다
 중성자의 발견으로 중성자와 무거운 원자핵을 충돌시켜 핵을 변환시키기 시작했다. 현대의 연금술이 시작된 것이다. 그 중 하나는 가장 무거운 우라늄 원소를 중성자와 충돌시켜 더 무거운 인공 초우라늄 원소를 만드는 것이었다. 이미 가벼운 원소를 변환시키는 것은 알려져 있었다.
 1937년, 졸리오-퀴리(1897~1956)와 프레데릭 졸리오-퀴리(1900~1958)) 부부는 초우라늄 원소의 합성을 발표했다.
 그러나 이것은 초우라늄 원소가 아니었다. 1938년, 한(1879~1968)과 슈트라스만(1902~1980)은 속도가 느린 중성자를 우라늄에 충돌시킬 때 핵이 분열되면서 여러 개의 중성자가 나와서 연쇄반응을 일으켰다고 발표했다. 즉, 무거운 우라늄이 가벼운 바륨과 크립톤으로 분열했던 것이다.

 

우라늄 핵분열 
우라늄 핵의 분열 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) Fastfission

 

 이것의 중요성은 이 과정 중에 손실된 질량이 에너지로 바뀐 것이다. 아인슈타인(1879~1955)의 ‘질량 에너지 등가 원리’인 E=mc²로부터 예측한 에너지는 엄청난 것이었다.

 

 감속재 흑연
 속도가 빠른 중성자를 핵에 쏘아주면 대부분은 우라늄과 충돌하지 않고 지나쳐 버린다. 따라서 중성자를 우라늄과 충돌시키려면 흑연이나 물과 같은 감속재로 속도를 늦추어야만 했다.
 감속재로 흑연이나 물을 사용하는 이유는 무엇일까?
 만약 빠른 골프공이 무거운 쇳덩이에 부딪치면 골프공만 거의 같은 속도로 튕겨 나갈 것이다. 그러나 무게가 비슷한 야구공에 부딪치면 야구공도 튕겨나가면서 골프공은 느려진다. 즉, 중성자를 느리게 하려면 무거운 금속이 아니라 가벼운 흑연이나 물이 필요한 것이다.

 

감속재의 역할

 원자로 내 감속재의 역할

 

맨해튼 프로젝트
 핵분열에서 발생하는 엄청난 에너지는 원자탄 개발의 기초가 되었다. 1942년, 페르미(1901~1954)는 400 톤의 흑연 감속재로 사용하여 우라늄 원자로에서 핵분열 연쇄반응에 성공했다. 마침내 판도라의 상자가 열린 것이었다.
 그러나 핵분열을 일으키는 우라늄-235는 전체 우라늄의 0.7%이며 대부분은 안정한 우라늄-238이다. 이 둘의 화학적인 성질은 거의 같기 때문에 분리하기가 매우 어렵다. 제2차 세계대전을 종식시킬 원자폭탄을 만드는 맨해튼 프로젝트의 성공은 우라늄-235를 농축시키는 것에 달려 있었다. 
 우라늄-235와 우라늄-238의 차이는 무게였다. 따라서 이를 분리하려면 무게 차이라는 물리적인 성질을 이용하는 장치를 이용해야 했다. 그것은 원심분리기였다. 원심분리기는 고속으로 회전하면서 무게 차이에 따른 원심력으로 혼합물을 분리한다. 혈액의 성분도 원심분리기를 이용한다.

 

우라늄 열판
우라늄염판, 옐로우 케이크 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) United States Department of Energy

 

 원심분리기를 사용하려면 혼합물을 액체 혹은 기체 상태로 만들어야 했다. 천연 우라늄을 질산에 녹여서 가열한 ‘옐로 케이크(Yellow Cake)’에 불소와 반응시켜서 기체(UF6) 상태로 만들었다. 그러나 이 기체는 부식성이 강하기 때문에 이를 견딜 수 있는 재료가 필요했다. 당시 듀폰사에서 발명한 테플론은 강산과 강염기뿐만 아니라 고온에서도 매우 안정했다. 결국 테플론을 코팅한 용기로 우라늄-235를 농축시켜 원자폭탄 제조에 성공했던 것이다. 

 

테플론
 1938년, 냉매를 연구하던 플랑켓(1910~1994)은 기체가 들어있는 고압 탱크 밸브를 열었으나 기체가 전혀 나오지 않았다. 게다가 안에는 아무것도 없었다. 기체가 사라진 만큼 무게가 감소해야 했지만 고압탱크의 무게도 그대로였다.
 고압 탱크를 잘라 보니 용기 벽에는 미끈거리는 흰 가루가 있었다. 그 양은 사라진 기체의 양과 같았다. 실수로 탱크에 공기가 유입되면서 테플론 고분자가 생긴 것이었다.
 원자폭탄 개발의 일등공신이었던 테플론은 오늘날 우리의 생활에 필수적인 물질이다. 테플론은 프라이팬과 보온밥통 및 기타 조리 기구의 코팅과 우주복의 외피, 전깃줄의 절연 피복제, 심장박동장치 인공 턱이나 코뼈 등에 널리 사용되고 있다.

 

꼬마와 뚱보의 원리
 우라늄은 최소한의 무게인 임계질량에 도달해야만 핵분열 연쇄반응을 일으킨다. 따라서 원자폭탄 내의 우라늄은 핵분열이 일어나지 않도록 임계질량 이하로 분리시켜 둔다. 
 꼬마는 가운데 차단벽으로 우라늄을 분리하였다. 한쪽의 우라늄 뒤에 TNT 폭약과 기폭장치를 설치했다. 꼬마가 지상 500 m 상공에 도달하자 기폭장치에 의해 TNT가 폭발하면서 우라늄이 앞으로 발사되어 두 우라늄이 결합되어 임계질량에 이르자 핵폭발이 일어났던 것이다. 원리는 단순하지만 백만분의 일초 이내에 이 둘을 결합하는 정교한 기술이 필요하다.

 

꼬마의 폭발원리
꼬마의 폭발 원리 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) Dake

 

 뚱보는 스폰지처럼 듬성듬성 나누어 배치된 우라늄을 둘러싼 TNT가 폭발하면서 우라늄을 급격하게 압축시켜 임계질량에 도달하도록 만들었다.

 

원자력 발전과 원자폭탄
 20세기 최대의 발견인 핵분열은 원자폭탄과 함께 등장했다. 우라늄 1 g이 분열할 때 생기는 에너지는 석탄 3 톤을 연소시켰을 때 얻는 에너지와 같았다. 이러한 에너지를 이용하기 위하여 많은 원자력 발전소들이 건설되었다.
 원자력 발전에는 우라늄-235이 2~5%인 저농축 우라늄을 사용한다. 우라늄 원료는 원기둥 모양의 ‘펠렛’ 수백 개를 다발로 묶어 연료봉에 넣는다. 이 연료는 중성자 발생기의 중성자에 의해 핵분열이 일어난다. 핵분열의 연쇄 반응을 제어하기 위해 자동차의 브레이크처럼 중성자를 잘 흡수하는 카드뮴이나 붕소로 만든 제어봉을 이용한다. 

 

우라늄 펠렛

우라늄 펠렛 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) NRC

 

 원자력 발전에서 원료의 우라늄-238 중 일부는 중성자를 흡수하여 플루토늄-239로 변환된다. 따라서 사용 후 핵연료에는 플루토늄이 들어 있다. 플루토늄을 추출하고 남은 방사성 폐기물을 지하 동굴 등에 영구 처분하는 것을 ‘재처리’라 한다.
 원자력 발전에 사용하고 난 핵연료 100 kg을 재처리하면 1 kg의 플루토늄을 얻을 수 있다. 플루토늄도 역시 핵분열을 일으키기 때문에 2∼5%를 우라늄-238에 섞으면 핵연료로 사용이 가능하다. 또한 플루토늄을 90% 이상으로 농축해서 임계질량에 이르게 하면, 플루토늄 핵폭탄을 제조할 수 있다.

 

우라늄(U)과 플루토늄(Pu)
 1789년 클라프로트(1743~1817)가 우라늄을 발견하였다. 그는 1781년 천문학상의 대발견이라는 천왕성(Uranus)의 발견을 기념하기 위해 새로운 원소를 우란(Uran)이라고 불렀다. 헤시오도스의 ‘신통기’에 따르면 태초의 카오스에서 가이아가 나왔고 가이아는 하늘의 신 우라노스를 낳았다.
1940년에는 맥밀란(1907~1991)은 93번째 원소인 넵투늄(Np)을, 시보그(1912~1999)는 94번째 원소인 플루토늄(Pu)을 발견하였다. 이 원소들은 천왕성 바깥쪽의 해왕성(Neptune)과 명왕성(Pluto)에서 이름이 유래되었다.

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