[영화 속 과학] '오펜하이머(2023)' - 핵분열 연쇄반응과 핵발전

영화 오펜하이머는 핵개발프로젝트를 맡은 천재과학자 오펜하이머의 여생과 고난의 모습을 담은 영화이다. 오펜하이머를 보면 핵분열을 연구하던 중 중성자를 이용해 핵을 분열시키는 방법을 다른 과학자가 먼저 찾게 되었고, 오펜하이머와 동료 과학자들은 실험을 통해 이같은 연구가 사실임을 확인한다. 한편, 핵이 분열되는 과정에서 새로운 중성자가 다시 발생하게 되고, 이 중성자로 인한 연쇄반응을 우려한다.

 

 

핵발전소(원자력발전소)는 바로 이 연쇄반응을 활용하여 전기를 생산한다. 핵발전소에서는 우라늄235에 중성자를 강하게 충돌시킨다. 그렇게 되면 우라늄235는 크립톤과 바륨이라는 원소로 쪼개지게 되는데 이 과정에서 막대한 에너지가 발생하고, 우리는 이 에너지로 전기를 생산하는 것이다.

 

 

그런데 우라늄235가 핵분열될 때, 크립톤과 바륨만 생성되는 것은 아니다. 새로운 중성자 3개가 함께 형성되는 것이다. 이는 유리창문을 떠올려보면 쉽다. 유리를 깨뜨리면 큰 몇 개의 유리조각으로 깨지지만, 아주 자잘한 유리 파편 또한 형성된다. 깨지기 전 유리창문이 우라늄235라면, 깨진 후 큰 유리조각이 크립톤과 바륨이 되는 것이고, 작은 유리파편이 바로 중성자가 되는 것이다. 보통 유리가 깨질 때 유리 파편이 1개만 생성되는 경우는 없다. 핵분열도 마찬가지다. 중성자 한개를 쏘아 핵을 쪼갰지만, 그 과정에서 오히려 더 많은 중성자가 생기는 것이다.

 

 

이렇게 생성된 3개의 중성자는 원자로내에서 또다른 우라늄235와 충돌해 핵분열을 이어간다. 이렇게 되면 중성자는 기하급수적으로 늘어나고, 분열되는 우라늄235의 갯수도 급증하며 엄청난 에너지가 발생하게 되는데, 이를 연쇄반응이라 한다.

 

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영화 오펜하이머에서는 이러한 연쇄반응으로 인해 대기가 불타 재앙이 올 수도 있다고 우려한다. (물론, 이런 재앙은 발생하지 않았다.) 실제로도, 핵발전소에서 핵분열을 할 때 연쇄반응이 과도하게 일어나 막대한 에너지가 나오게 되면 원자로가 녹아내려 대참사가 발생할 수 있다. 이러한 대참사를 막기 위한 장치가 바로 제어봉과 냉각재이다.

 

 

제어봉은 핵원자로 내에서 중성자를 흡수하여 적절한 갯수를 유지시켜준다. 이로인해 핵연료봉 내에서 핵분열이 기하급수적으로 늘어나지 않고 적절한 선을 유지할 수 있게 된다. 냉각제에도 핵분열 반응을 감소시켜주는 물질이 포함되어 있어 과도한 핵분열을 막아주는 역할을 할 뿐만 아니라, 냉각제 자체가 원자로의 열을 식혀주기도 한다. 이 냉각재는 주로 바닷물을 활용하기 때문에 핵발전소(원자력발전소)는 대부분 바다 근처에 건설되는 것이다. 다만, 이로 인해 후쿠시마 사건과 같이 쓰나미와 같은 자연재해에 취약해 진다는 부분은 문제점으로 여겨진다.