발견: 쪼개지는 우라늄
1938년 12월 독일 베를린의 화학자 오토 한과 프리츠 슈트라스만은 우라늄에 중성자를 쏘자 훨씬 가벼운 바륨이 생긴다는 뜻밖의 결과를 얻었어요. 나치를 피해 스웨덴에 망명해 있던 물리학자 리제 마이트너와 조카 오토 프리슈는 이를 '원자핵이 둘로 쪼개진 것'으로 해석하고, 세포 분열에서 따온 '핵분열(fission)'이라는 이름을 붙였어요. 이들은 쪼개진 조각들의 질량 합이 원래보다 조금 작고, 사라진 질량이 아인슈타인의 E=mc² 공식대로 에너지로 바뀐다는 것도 계산했죠. 한은 1944년 노벨 화학상을 받았지만 마이트너가 빠진 것은 과학사의 대표적인 불공정 사례로 꼽혀요. 109번 원소 마이트너륨은 그를 기려 주기율표에 이름을 남겼어요.
연쇄반응과 임계질량
우라늄-235 핵 하나가 쪼개지면 약 200MeV의 에너지와 함께 중성자가 평균 2~3개 나와요. 이 중성자가 다른 핵을 또 쪼개면 반응이 기하급수적으로 번지는 연쇄반응이 일어나요. 연쇄반응이 스스로 유지되려면 연료가 일정량 이상 모여 있어야 하는데, 이를 임계질량이라고 해요. 1942년 엔리코 페르미 팀이 시카고대 운동장 관람석 아래에서 최초의 원자로 '시카고 파일-1'을 임계에 도달시켰고, 1945년에는 맨해튼 프로젝트의 원자폭탄이 히로시마·나가사키에 투하됐어요. 우라늄 1kg이 모두 분열하면 석탄 약 2,500~3,000톤을 태운 것과 맞먹는 에너지가 나와요.
원자력 발전과 과제
원자력 발전소는 연쇄반응을 제어봉과 감속재로 일정하게 유지해, 나오는 열로 물을 끓이고 증기로 터빈을 돌려요. 한국은 대부분 3~5% 농축 우라늄을 쓰는 가압경수로를 운영하며, 전 세계적으로 원자력은 전기의 약 9~10%를 공급해요. 발전 중 이산화탄소를 거의 내지 않아 탄소중립 수단으로 다시 주목받지만, 1986년 체르노빌과 2011년 후쿠시마 같은 사고 위험, 수만 년 동안 방사능이 남는 사용후핵연료 처분 문제가 숙제로 남아 있어요. 분열 생성물들의 방사능은 각기 다른 반감기로 줄어들어요. 가벼운 핵을 합치는 핵융합은 연료가 풍부하고 장수명 폐기물이 적지만 아직 상용화 전이에요.
자주 묻는 질문
- 핵분열과 핵융합의 차이는 무엇인가요?
- 핵분열은 무거운 핵을 쪼개고, 핵융합은 수소 같은 가벼운 핵을 합쳐요. 둘 다 질량이 줄어든 만큼 에너지가 나오지만, 지금 상업 발전에 쓰이는 것은 핵분열뿐이에요.
- 원자력 발전소가 원자폭탄처럼 폭발할 수 있나요?
- 아니요. 발전용 연료는 농축도가 3~5%로 낮아 핵폭발이 일어날 수 없어요. 다만 냉각에 실패하면 노심 용융과 수소 폭발로 방사성 물질이 새어 나올 수 있어요.
출처 검토일: 2026-10-26
참고문헌
- Hahn, O., & Strassmann, F. (1939). Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle. Naturwissenschaften, 27, 11–15.
- Meitner, L., & Frisch, O. R. (1939). Disintegration of uranium by neutrons: a new type of nuclear reaction. Nature, 143, 239–240.
- World Nuclear Association. (2024). Physics of Uranium and Nuclear Energy.
- International Atomic Energy Agency. (2024). Nuclear Power Reactors in the World. IAEA.