원자력의 간단한 역사 2

오늘은 어제 업로드 한 원자력 역사에 곁들여 간단한 원자력 재료의 역사에 대하여 말씀 드리겠습니다.

태초의 Reactor인 Chicago Pile-1에서는 핵연료인 우라늄 산화물 (uranium oxide) 벽돌(10 * 10 * 30 cm)을 얇은 철판으로 감쌌습니다.

정말 간단히 말하자면, 우라늄 벽돌만 잘 쌓으면 에너지가 나오는 것입니다. 나중에 말씀 드리겠지만, 60억년 전 지구 초창기로 돌아가면, 우라늄 광석에 그레파이트만 잘 뿌리면 작은 규모지만, 핵 폭팔을 유발 할 수도 있습니다.

워낙 적은 량의 방사성 물질이 발출 되었기 때문에, 얇은 철이 지금의 피복재처럼 방사선 차폐 역할을 했다기 보다, 더욱 정확히 얘기하자면, 형태를 보존하기 위한 틀이 정확한 의미가 될 수 있습니다.

중간 중간 구멍은 제어봉과 우라늄 메탈 봉이 들어 가는 곳임. 불순물이 없는 우라늄 메탈을 만들 능력이 없었기 때문에 처음에는 구멍이 뚫려 있지 않았음>

CP-1을 만들 때 재료와 관련된 많은 일화가 이었는데 그 중에 대표적인 것이

1. 핵연료 원료인 원자력급 우라늄 즉 분열 가능한 U-235 생산과

2. 감속재 원료인 원자력급 그레파이트 즉 보론이 함유량이 매우 적은 보론 프리 그레파이트 생산 공정입니다.

우라늄의 동위원소는 총 6종으로, 실제로 유의미한 비율로 존재하는 동위원소는 238 과 235뿐입니다. 핵분열을 더 잘 일으키는 235는 방사성 붕괴가 자주 일어나 지금은 0.7% 비율로 존재하지만, 지구의 초창기에는 주석만큼 풍부한 비율로 존재 했다고 합니다.

그래서 앞서 말씀 드린 것처럼, 지구가 어렸을 때는 체르노빌과 같은 폭발현상을 그레파이트나 물이 주변에 잘 분포되어 있다면, 폭발이 일어 난다고 했던 것입니다.

<자연 원자력 reactor 였다고 추정 되어지는 가봉의 우라늄 암벽>

1943년 당시, 0.7% 존재하는 235 우라늄을 체인 리액션이 충분히 가능할 만큼 확보 하여야 하였는데, 이 당시만 해도 지금의 원심분리기 장치가 없었기 때문에, 입자가속기 초기 형태인 cyclotron을 이용한 원심력으로 235와 238의 질량 차이로 235 를 추출 했습니다.

<자기장을 이용한 사이클로트론의 모습>

그러나 CP-1을 만들기에는 주어진 시간 동안 충분한 양을 생산해 낼 수 없었습니다. 그때 로마에서, 중성자의 속력이 줄어 들어 slow 중성자가 된다면, 우라늄과의 핵분열 반응이 더욱 잘 일어난 다는 사실을 확인 하여, 중성자 속력을 줄여줄 감속재의 존재가 필수 불가결 해졌습니다.

감속재가 될 조건은 중성자와 잘 반응하지 않으며 원자량이 작아야 하는데, 이 두요건을 충족 시키는 것이 탄소 즉 그레파이트와 중수(무거운 물)였습니다. 체인반응을 처음으로 주장한 질라르드의 경우 중수를 선호 하였지만, 중수 또한 일반 물에서 분류 해는 것이 매우 어려운 일이었습니다.

따라서 그레파이트가 최종 감속재 후보가 되었는데, 문제는 이 그레파이트 속에 높은 중성자 흡수체인 보론이 불순물로 함유되어 있었습니다. 따라서 미국에서 탄소 제 1전문가 Herbert G. MacPherson가 멘하튼 프로젝트에 투입되게 됩니다.

사실 맥펄슨에게 접근 했을 때, 맨하튼 프로젝트가 비밀로 붙여 졌지만, 이미 신문에 기고된 글로 인해서 그는 맨하튼 프로젝트에 쓰일 그레파이트를 찾는 것을 알고 있었다고 합니다.

이후에 열가공 공법 AGOT을 개발하여, 감속재 개발에 성공하였고 마침내 1942년 12월에 첫 체인 리액션을 확인 할 수 있었습니다.

<감속재인 그레파이트 사진>

구제적인 그레파이트 벽돌 및 우라늄 메탈을 실제로 보고 싶으시다면 아래 동영상을 확인해 보십시오. 누가 맨하튼프로젝트에 참여 했던, Herbert L. Anderson 부인에게 유물을 얻고 흥분한 모습을 확인 할 수 있습니다.유물 획들 개이득^^

https://www.youtube.com/watch?v=1Es4_tz7_7E&t=635s

원래는 순수한 우라늄 메탈을 정제할 능력이 없었기 때문에 이러한 벽돌 형태를 가지고 있었으나, 다행히 1942년 11월에 몇 톤의 정제된 우라늄 메탈을 구하여 동여상에 나온 것처럼 우라늄이 봉이 삽입 되었습니다. 물론 이 봉에는 피복재가 없었습니다.

정말 신기한 것이 19세기 말에서 20세기 초중반까지, 물리적 기계적 한계를 만나게 될 때 마다, 특별한 현상을 만나서 해결되었던 것이 참 신기 합니다. 우라늄 농축도가 부족하니, 감속재의 존재가 발견되고, 농축도가 해결 되지 못했는데, 가속기의 기초인 사이클로트론이 존재 했고, 불순물 때문에 못하겠다 싶을 때, 불순물 제거 공법 개발하고... 전쟁이 정말 과학의 발전에 미치는 영향은 부정 할 수가 없는것 같습니다.