원자력 발전으로 이해하는 E = mc2

질량과 에너지는 상호 교환 가능한 물리량

원자핵을 조작해 질량을 에너지로 변환

원자핵 분열로 무시무시한 양의 에너지가 방출

[객원 에디터 4기 / 김민주 기자] 지난해 기준 국내 원자력 발전 비중은 약 27.4%로 꽤 큰 비중을 차지하고 있으며, 정부는 2030년까지 석탄 발전이 빠지는 자리는 원자력과 신재생에너지로 채우기 위하여 원전 비중을 32.4%로 늘린다고 발표하였다. 그 정도로 원자력 발전은 우리 일상생활에 큰 영향을 끼치고 있다. 원자력 발전의 가장 큰 장점 중 하나는 적은 연료로 막대한 양의 에너지를 발생시킨다는 점이다. 이러한 핵 에너지의 원리를 설명하는 공식이 그 유명한 ‘E=mc2’이다. 바로 현대과학의 상징과도 같은 아인슈타인의 상대성 이론이다.

아인슈타인이 밝혀낸 ‘E=mc2’. 이 식에는 ‘에너지’, ‘질량’, 그리고 ‘광속’이라는 세 가지의 양이 등장한다. 이는 에너지와 질량은 상호교환 될 수 있다는 의미로, 그 양은 질량 ×광속의 제곱(c2)과 같다. 광속이라는 것은 빛이 나아가는 속력을 말하는데, 299,792,458 m/s로 나타낼 수 있다. 결국 아주 작은 질량으로도 엄청난 에너지로 바뀔 수 있다는 것인데, E=mc2은 질량과 에너지가 동등하며 상호 교환될 수 있다는 것을 보여준다.

질량은 에너지로 바꿀 수 있다. 아인슈타인이 이끌어 낸 이 결론은 보통 생활에서는 거의 실감할 수 없다. 그러나 질량이 에너지로 바뀌는 현상은 실제로 우리의 생활과 관계되어 있다. 그중 하나가 원자력 발전이다. 원자력 발전에서는 핵분열 반응이 일어나는데 핵분열은 보통 우라늄, 플루토늄같이 질량수가 큰 원자핵이 중성자와 충돌해 가벼운 원자핵 2개로 쪼개지는 핵반응의 한 유형이다. 핵분열로 발생한 2~3개의 중성자가 주위에 있는 복수의 우라늄 원자핵에 충돌해 다음의 핵분열 반응을 일으킨다. 즉, 조건에 따라 우라늄 핵분열 반응은 기하급수적으로 진행되어, 극히 짧은 시간에 방대한 에너지가 방출된다. 여기서 에너지가 발생하는 이유를 확인하기 위해서는 앞서 나온 E=mc2을 이용해야 한다.

우라늄 원자핵이 분열하면 질량의 약 0.1%가 상실된다. 그것이 E=mc2에 의해 에너지로 바뀌고, 깨진 원자핵의 파편을 튕겨 내는 운동에너지가 된다. 핵분열을 연쇄적으로 일어나게 하면 엄청난 에너지가 방출된다. 이를 이용해서 인류는 가장 먼저 무기에 응용하여 원자 폭탄을 제조하였다. 겨우 1g 정도의 질량에서 나온 엄청난 에너지가 일본의 히로시마와 나가사키의 거리를 한순간에 불태워 버렸다. 이 에너지를 엄밀한 관리와 설계를 바탕으로 평화적이게 이용한 것이 원자력 발전이다.