먼저 명백한 차이점을 살펴보겠습니다. 원자로는 우리 주변 세계에 전력을 공급할 수 있는 전기를 생성합니다. 핵무기, 음, 우리는 이러한 장치 중 하나가 초래할 수 있는 피해에 대해 충분히 알고 있습니다.
그러나 이는 흥미로운 질문으로 이어집니다. 발전소가 핵무기가 되는 것을 막는 것은 무엇입니까(또는 그 반대의 경우도 마찬가지)? 이를 이해하려면 두 프로세스를 뒷받침하는 물리학과 프로세스의 차이점을 살펴봐야 합니다. 기본적으로 이 두 시나리오는 모두 핵분열로 알려진 연쇄 반응에 의존합니다. 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)의 유명한 방정식 “E=MC²”에서 알 수 있듯이 핵분열은 모든 질량 내에 갇혀 있는 에너지를 방출합니다. 무기와 원자로 모두 우라늄 원자에 중성자라고 불리는 아원자 입자를 충돌시켜 이를 분리하는 작업이 포함됩니다. 성공적인 타격은 우라늄을 분리하고 더 많은 중성자를 생성합니다. 이 중성자는 더 많은 원자에 부딪히면 핵분열 연쇄 반응이 일어납니다.
원자로에서는 이 반응이 고도로 제어됩니다. 가장 일반적인 유형의 원자로는 두 개의 물 루프를 사용합니다. 하나는 원자로를 냉각하기 위한 것이고 다른 하나는 전력을 생산하기 위한 것입니다. 전자는 후자를 가열하기에 충분한 핵분열이 발생하여 터빈을 구동하는 증기를 생성하고 궁극적으로 전기를 생성합니다. 반면에 핵무기는 이러한 연쇄반응을 최대한 공격적으로 만드는 것을 목표로 합니다. 즉, 결정적인 차이점은 원자로가 통제된 핵분열에 의존하는 반면, 핵무기는 통제되지 않은 반응이 필요하다는 것입니다.
통제된 연쇄반응과 통제되지 않은 연쇄반응
언급한 바와 같이, 원자로와 무기 모두 주로 우라늄, 특히 핵분열성 동위원소 우라늄-235(U-235)에 의존하지만 둘 다 플루토늄도 사용할 수 있습니다. 그러나 대부분의 우라늄은 U-235가 아닙니다. 대신 채굴된 우라늄의 99.3%는 우라늄-238(U-238)이며, 이 원시 형태는 두 상황 모두에 적합하지 않습니다. 따라서 우라늄을 농축해야 합니다. 이는 정제되지 않은 우라늄을 너무 빨리 회전시켜 더 무거운 U-238 원자가 질량 외부로 이동하는 고급 원심분리기에서 발생합니다. 간단히 말해서, 회전 시간이 길어질수록 U-235의 밀도는 높아집니다.
우라늄이 원자력 발전소에서 유용하게 쓰이려면 U-235를 약 0.7%에서 약 3~5%까지 농축해야 합니다. 이는 저농축 우라늄(LEU)으로 간주되며 핵폭발을 일으키는 데 필요한 임계 질량보다 낮습니다. 즉, 통제되지 않은 연쇄 반응을 허용하는 데 필요한 LEU의 양이 너무 커서 실행 가능한 제안을 할 수 없습니다.
그렇다면 무기에 대한 해결책은 더 작은 부피에 더 많은 핵분열성 물질을 집어넣는 것입니다. 고농축 우라늄이 필요한 곳이다. 이는 20% 이상의 우라늄-235 수준에 적용되지만, 무기급 우라늄은 일반적으로 90% 이상 농축됩니다. 하지만 이를 “무기급”이라고 부르는 것은 잘못된 이름입니다. 왜냐하면 탄약 이외의 틈새 응용 분야가 몇 가지 있기 때문입니다. 여기에는 해군 원자로가 포함되는데, 이는 부분적으로 핵 추진 항공모함에 연료를 공급하는 데 수년이 걸리는 이유입니다.
무기 낙진과 원자로 낙진의 차이점
원자력은 일반적으로 청정에너지로 간주되지만, 중대한 사고는 치명적일 수 있습니다. 그러나 이러한 사고로 인한 방사능 낙진은 핵폭발의 낙진과 다릅니다. 핵무기 폭발의 본질은 대부분의 방사성 핵분열 생성물이 폭발 순간에 생성된다는 것을 의미합니다. 이들 중 대부분은 수명이 짧고 빠르게 부패하는 경향이 있습니다. 일반적으로 48시간이 지나면 잔류 방사능의 양은 폭발 후 한 시간에 존재하는 수준의 약 1%로 떨어집니다. 그러나 이는 장치가 폭발하는 방식에 따라 달라질 수 있습니다.
예를 들어, 지상 폭발은 방사성 핵종을 대기 중으로 50마일까지 보낼 수 있습니다. 이러한 경우 무거운 입자는 폭발 현장 근처에 정착되는 경향이 있는 반면, 가벼운 입자는 상층 대기로 올라가서 정착되기까지 수년 동안 그곳에 머물 수 있습니다. 1980년대 핵실험이 끝난 이후 대기 중 이들의 양은 측정 가능한 수준 이하로 떨어졌습니다. 그러나 비키니 환초와 같은 핵실험장은 지하수와 식물에 여전히 높은 수준의 방사선을 함유하고 있습니다. 대부분의 핵 실험은 지하에서 수행되었으며, 이 경우 폭발로 인해 방사성 잔해가 대기 중으로 배출되지 않는 한 낙진은 일반적으로 억제되었습니다.
원자로에서는 수명이 짧은 핵분열 생성물이 지속적으로 붕괴됩니다. 그러나 원자로는 재급유 없이 최대 2년 동안 작동할 수 있기 때문에 오래되고 수명이 긴 핵분열 생성물이 원자로 내에 축적될 시간이 있습니다. 이는 드물게 치명적인 사고가 발생하는 경우 스트론튬-90과 같은 수명이 긴 동위원소가 코르노빌 주변의 경우처럼 수천 년 동안 환경을 오염시킬 수 있음을 의미합니다.
