핵분열과 핵융합

[인생내공 / 물리] 핵분열과 핵융합

Q : 일단 핵분열과 핵융합이 무엇인지 기본 개념 설명해줘.

A : 핵분열과 핵융합은 모두 원자핵의 변화를 포함하는 과정이야.

가. 핵분열(Nuclear Fission):

핵분열은 큰 원자핵이 두 개 또는 그 이상의 작은 원자핵으로 분해되는 과정이지. 예를 들어, 우라늄-235은 중성자와 충돌할 때 분열하여 바륨-141과 크립톤-92, 그리고 3개의 중성자를 생성해. 이러한 과정에서 많은 에너지가 방출되며, 이것이 원자력 발전소에서 에너지를 생성하는 원리지.

나. 핵융합(Nuclear Fusion):

핵융합은 두 개의 작은 원자핵이 결합하여 하나의 더 큰 원자핵을 생성하는 과정이야. 예를 들어, 수소의 두 동위원소인 드튜륨(D)과 트리튬(T)이 결합하여 헬륨(He)과 중성자를 생성하고, 이 과정에서 많은 에너지가 방출돼. 태양은 핵융합 반응으로 에너지를 생성하고 있는 거지.

Q : 핵분열이든 핵융합이든 아인슈타인의 E=mc^2 공식과 관련있다고 들었는데, 어떤 점에서 관련이 있다는 거야?

A : 응, E=mc^2는 알버트 아인슈타인의 상대성이론에서 유래한 유명한 공식이지. 입니다. 여기서 E는 에너지, m은 질량, c는 빛의 속도를 나타내.

이 공식은 질량과 에너지가 상호 변환(왔다리 갔다리)될 수 있다는 것을 의미해. 즉, 질량이 에너지로, 에너지가 질량으로 변환될 수 있다는 거지.

Q : 질량이 에너지로 바뀐다는 것을 핵분열과 핵융합 과정에 빗대어 좀 더 쉽게 설명해 주라.

A : 우선

가. 핵분열에서는 큰 원자핵이 분열되어 작은 원자핵들로 변환될 때, 생성된 작은 원자핵들의 질량은 원래의 큰 원자핵의 질량보다 약간 작아. 희한하게도 약간의 질량이 줄어들어. 이 차이를 질량 결손(mass defect)이라고 하지. 그런데 이 질량이 완전히 사라진 것이 아니고 이 질량은 E=mc^2 공식에 따라 에너지로 변환되어 방출되는 거야. 이것이 핵분열에서 방출되는 에너지의 원천이지.

다음으로

나. 핵융합에서는 작은 원자핵들이 결합하여 더 큰 원자핵을 생성할 때, 생성된 큰 원자핵의 질량은 원래의 작은 원자핵들의 질량의 합보다 약간 작아. 여기서도 뭔가 차이가 난다는 거지. 이를 역시 '질량 결손'이라고 하는데, 이렇게 줄어든 질량이 에너지로 변환되어 방출되지, 이것이 핵융합에서 방출되는 에너지의 원천이야.

Q : 아하... 결국 핵분열이든 핵융합이든, 그 과정에서 '줄어드는 질량'이 에너지로 바뀐다는 게 중요한 포인트네. 이제 알겠다. 난 E = mc^2 중에서 c^2가 아주 궁금해. c는 빛의 속도라고 들었는데, 그럼 그 말은 질량(m)이 빛의 속도처럼 빨리 움직이면 거기서 엄청난 에너지가 나온다는 의미로 받아들이면 되나?

A : 여기서 'c'는 빛이 진공 속에서 1초 동안 이동하는 거리를 나타내는 상수로, 약 299,792,458 미터/초(또는 약 300,000 킬로미터/초)야. E=mc^2에서 'c^2'는 빛의 속도의 제곱을 나타내지. 빛의 속도는 매우 빠르기 때문에, 그 제곱은 엄청나게 큰 수가 되지. 따라서, 아주 작은 질량의 변화도 엄청난 양의 에너지로 변환될 수 있음을 의미해, 예를 들어, 1그램의 질량(m)이 완전히 에너지(E)로 변환된다면, 그 에너지는 약 25,000,000킬로와트/hr이 됩니다. 이것은 약 3,000가구의 가정이 하루 동안 사용하는 전기에너지와 같아

따라서, 이 공식은 질량이 아주 빠른 속도로 움직일 때 에너지가 생성된다는 것을 의미하는 것이 아니라, 아주 작은 질량의 변화가 엄청난 양의 에너지로 변환될 수 있다는 것을 의미해.

Q : 그럼 e=mc^2 이라는 공식에서 c의 의미는 '막연하게 큰 수'를 상징적으로 표현한 것일 뿐, 실제 빛의 속도만큼을 정확히 의미하는 것은 아닌 거지?

A : 아니, 아니., 'c'는 그저 '막연하게 큰 숫자'의 상징적 표현이 아냐. 물리학에 그런 건 없어. 'c'는 정확하게 빛의 속도를 나타내. 이것은 물리학에서 매우 중요한 상수이고, 그 값은 정확하게 299,792,458 미터/초야.

Q : 그럼 핵분열에서, 이론적으로 모든 원소는 중성자를 충돌시키면 핵이 분열할 수 있는 건가?

A : 이론적으로, 중성자가 충돌하면 모든 원소가 분열할 수 있다고 생각할 수 있지만, 실제로는 모든 원소가 분열하기 쉽지 않아. 핵분열은 특정한 원소, 특히 무거운 원소(예: 우라늄, 토륨)에서 가장 잘 일어나지. 이러한 무거운 원소의 원자핵은 중성자와 충돌했을 때 더 불안정해지며, 이로 인해 원자핵이 두 개 또는 그 이상의 작은 원자핵으로 분해돼. 반면, 가벼운 원소들(예: 수소, 헬륨)의 원자핵은 중성자와의 충돌로 인해 분열하기보다는 핵융합을 일으키는 경향이 있어.

그러므로, 중성자가 충돌하면 모든 원소가 이론적으로 분열할 수 있다고 말하기는 어려워. 분열이 일어나는 것은 원자핵의 크기, 구조, 그리고 중성자와의 상호작용에 크게 의존하지.

Q : 핵융합의 경우, 이론적으로 보자면 모든 원소는 일정한 조건이 갖추어지면 핵융합이 일어나는 건가?

A : 응 맞어. 핵융합이 일어나려면 특정 조건이 충족되어야 해. 그 조건은...

1) 고온: 핵융합이 일어나려면 원자핵이 매우 높은 에너지 상태에 있어야 해. 이것은 보통 매우 높은 온도에서 발생하지. 예를 들어, 태양의 핵심에서 수소 원자핵이 핵융합하여 헬륨을 형성하는 온도는 수백만도에 이르지.

2) 고압: 원자핵은 양전하를 가지고 있기 때문에 서로 반발하고 밀어내지. 융합이 잘 안 돼. 이러한 반발력을 극복하려면 매우 높은 압력이 필요하겠지?

이러한 조건이 충족되면, 원자핵은 충분히 가까이 다가가서 결합할 수 있고, 핵융합이 일어나.

- 이상 -