과학

원자력 발전 - 핵 연쇄반응

이전 글에서는 핵반응을 통하여 에너지를 얻는 방법에 대해 알아보았다. 질량 에너지 등가 원리를 사용하여 질량을 손실시키고 에너지를 얻는 것이다. 하지만 이 반응은 실제 에너지를 얻는 데 사용하기에는 비효율적인데 왜냐하면 반응이 계속 일어나려면 고에너지 입자를 계속 쏘아주어야 하기 때문이다. 이는 돈이 매우 많이 들고 현실적으로 어렵기 때문에 핵반응으로 에너지를 얻는 것은 과거에는 불가능하다고 여겨졌다. 하지만 이후 핵 연쇄반응이라는 개념이 등장하여 이 문제를 해결하고, 핵반응을 실용적으로 사용할 수 있게 하는 문을 열었다. 이번 글에서는 핵 연쇄반응에 대해 알아보자. 핵 연쇄반응 인류 최초로 핵반응에서 나온 에너지를 활용하고자 한 사례는 미국의 핵무기 개발 프로젝트, 일명 맨해튼 프로젝트이다. 맨해튼 프..

원자력발전 - 핵반응

핵반응 핵반응(Nuclear reactions)은 핵에 다른 입자를 충돌시켜서 핵의 구조를 바꾸는 반응이다. 화학반응과는 다르게 핵반응은 핵에 변화가 생기며 따라서 반응물과 생성물의 원소 종류가 다를 수 있다. 예를 들어 질소원자($_{\;7}^{14} \mathrm{N}$)에 알파 입자($\alpha$, $_2^{4}\mathrm{He}$)를 충돌시키면 양성자(${}_1^1\mathrm{H}$)가 생긴다. 이 반응은 다음과 같이 쓸 수 있다. $\mathrm{_2^4He+_{\;7}^{14}N\rightarrow_{\;8}^{17}O+_1^1H}$ 이때 산소가 생긴 것은 양쪽의 핵자의 종류와 개수를 맞추기 위함이다. $_2^{4}\mathrm{He}$ 은 중성자 2개, 양성자 2개를 가지고 있고 $_{..

원자력발전 - 방사선과 방사능

방사선과 방사능 일상에서는 방사선과 방사능을 그리 구분해서 쓰지 않는다. 그냥 일반적으로 부르는 데로 사용한다. 하지만 이 둘은 엄밀히 다른 것이며 핵물리학에서 다른 뜻으로 쓰인다. 방사선이란 방사선이란 에너지를 가진 입자나 파동이 공간(또는 매질)을 이동하는 것으로 쉽게 에너지의 흐름이다. 이 정의에 따르면 우리 주위의 모든 빛은 방서선이라고 할 수 있다. 빛 또한 에너지의 흐름이기 때문이다. 그렇다면 손전등의 방서선과 원자로의 방사선은 무엇이 다를까? 이 둘은 방사선의 종류가 다르다. 방사선은 성질에 따라 이온화 방사선(전리 방사선, ionizing radiation)과 비이온화 방사선(비전리 방사선)으로 나뉜다. 이온화 방사선은 다른 원자나 분자 등의 입자를 이온화시키기 충분한 에너지를 가진 방사선..

원자력발전 - 원자력 에너지

산업화가 시작된 이후로 인류는 에너지를 만들어서 사용하기 시작했다. 오늘날 인류는 560EJ(엑사 줄)의 에너지를 연간 사용하고 있다. 실로 막대한 에너지가 아닐 수 없다. 이들 에너지는 대부분 석탄, 석유, 바람, 물, 태양, 그리고 원자력 에너지에서 얻어 필요한 형태로 변환해서 사용한다. 이중 원자력 에너지는 일반 가정용부터 잠수함, 함정에서 사용하는 에너지까지 상대적으로 적은 발전소의 개수에도 많은 에너지 생산량을 차지하고 있다. 이번 시리즈에서는 인류에 어마어마한 에너지를 공급하면서 동시에 엄청난 위험부담을 주고 있는 원자력 에너지, 특히 원자력 발전에 대해 알아보자. 원자력 에너지의 근원 화력에너지는 연료의 화학적 에너지를, 수력에너지는 물의 퍼텐셜 에너지를, 풍력에너지는 바람의 운동에너지를, ..

지구 자기장의 생성 원인

지구에는 거대한 자기장이 있다. 남극(N)에서 나와 북극(S)으로 들어가며, 극지에서 가장 강해진다. 지자기의 세기는 대략 25 µT에서 65 µT 정도로 막대자석 등에 비해보더라도 매우 약한 편이다. 하지만 이 자기장은 지구 어느 곳에서나 같은 방향을 향하기 때문에 아주 오래전부터 나침반을 이용해 방향을 찾는 데 사용되었다. 지구 자기장의 원인 비록 세기가 약하긴 하지만, 지자기 지구 전체에 매우 광범위하게 작용한다. 이 거대한 자기장은 어떤 이유로 생길까? 과거에는 지구에 거대한 영구자석이 있어서 지구자기장을 만든다고 생각했다. 지금 들으면 뭔가... 어이없긴 하지만 어쨌든 옛날에는 그렇게 생각했다. 이 이론은 지구 내부 온도는 자성을 유지할 수 있는 최대 온도인 "퀴리 온도"보다 높기 때문에 설득력..

인체의 순환계

순환계는 인체에 산소와 양분을 공급하고, 이산화탄소와 노폐물을 수거하는 시스템이다. 흔히 알고 있는 심장, 혈관 등이 이 계에 속한다. 이 글에서는 인체의 순환계에 대해 알아본다. 순환계의 구조와 역할 사람의 몸에서 순환계는 크게 다음 역할을 맡는다. 양분, 산소, 에너지 공급 이산화탄소, 노폐물 수거 체온 유지 호르몬 전달 이 과정은 호흡과도 연관 깊다. 호흡에 필요한 에너지와 산소를 순환계에서 공급하고, 그 결과 생성된 이산화탄소와 노폐물은 순환계를 통해 제거된다. 순환계는 크게 혈관과 심장으로 이루어져 있다. 익히 알 듯 심장은 혈액이 이동하도록 압력을 만들고, 혈관은 혈액이 이동하는 경로의 역할을 한다. 위 그림은 순환계의 모습을 모식적으로 그린 것이다. 심장에서 나온 혈액은 대동맥을 거쳐 몸 구..

생물의 에너지 획득

생물에게 에너지란 매우 중요한 존재이다. 생명을 유지하는 모든 대사활동은 기본적으로 에너지를 필요로 하기 때문이다. 숨 쉬는 것, 심장을 뛰게 하는 것, 생각하는 것... 뭐 하나 에너지 없이 가능한 것은 없다. 이 글에서는 생물에게 에너지를 공급하는 세포호흡에 대해 알아보자. 호흡을 통한 에너지의 획득 생명체가 고에너지 물질로부터 에너지를 얻는 과정을 호흡이라고 한다. 호흡은 대표적인 이화 작용이며. 여기서 고에너지 물질에는 탄수화물, 단백질, 지방 등이 포함된다. 호흡은 유산소 호흡과 무산소 호흡으로 나뉜다. 둘의 차이는 이름 그대로 산소를 사용하냐, 사용하지 않느냐이다. 인간은 대부분의 에너지를 유산소 호흡으로 얻지만, 순간적으로 강한 에너지를 사용하거나(역도, 근력운동 등), 산소가 부족한 상황(..

열과 온도

온도란 물체의 뜨겁고 차가운 정도를 나타낸 것이다. 온도가 높다라는 것은 물체가 더 뜨겁다는 것이다. 온도와 비슷하지만, 다른 개념으로 열이 있다. 열은 온도의 이동 정도로 생각하면 편하다. 이 글에서는 열과 온도에 대해 생각해본다. 열이란 과거엔 열이 온도의 변화를 매개하는 것이라고 생각을 하였다. 그래서 열량의 단위인 cal가 따로 있었다. 하지만, 19세기 중엽, 줄(Joul)은 줄 열의 일당량 실험을 통해 열이란 에너지와 같다는 것을 보였다. 양쪽에 매달린 추가 낙하하면 당겨진 실은 회전축을 돌린다. 이는 수조 내부의 물과 마찰을 일으켜 열을 발생시킨다. 이 열의 발생은 수조 내 물의 온도 상승으로 감지할 수 있다. 이 실험은 추가 가지고 있던 퍼텐셜에너지가 물의 온도를 올린 열에너지로 변환되었음..