이 기계들이 우리를 구할 수도 있고, 파멸시킬 수도 있다.
2006년 6월 11일
저는 여러분께 지금 우리 눈앞에서 벌어지고 있는 이야기를 들려드리고자 합니다. 무언가가 태어나고 있습니다. 뉴멕시코의 샌디아 연구소에 있는 Z-기계의 내부에서 말이죠. 이 아이는 2005년 5월에 첫 울음을 터뜨렸습니다. 갑작스럽게 무한한 어둠의 내부에서 태어난 것입니다.
인간은 반세기 동안 핵융합이라는 환상에 매달려 왔습니다. 핵분열의 악마는 상대적으로 쉽게 다스려졌습니다. 1940년대 초, 미국 알라모고르도에서 첫 번째 원자폭탄이 폭발하면서 말이죠.
알라모고르도에서 폭발한 첫 번째 원자폭탄
그리고 인간의 두 번째 자식, 프로메테우스의 자식은 첫 번째 자식의 자식으로 탄생했습니다. 인간이 물질 속에 숨겨진 엄청난 에너지를 방출할 수 있다는 것을 알게 되자, 분열이 아닌 융합 반응을 실현하려는 생각을 하게 되었죠.
처음에는 '원자론자'라 불리던, 나중에 '핵물리학자'라 불리게 된 이들은 단순한 화학자였습니다 (예를 들어 원자를 발견한 뉴질랜드 출신의 어니스트 러더포드처럼). 화학자에게 있어 분열은 단지 강력한 외발열 반응을 일으키는 자가촉매 과정에 불과합니다.
우라늄-235는 비슷한 질량의 조각들로 분리되기를 기다리고 있으며, 그 과정에서 약간의 중성자를 방출합니다. 이 중성자가 인접한 핵에 충돌하면 '연쇄 반응'이 시작됩니다. 단, 그 중성자가 또 다른 235 핵과 충돌할 수 있을 정도로 충분히 많은 원자가 모여 있어야 합니다. '임계 질량'이라기보다는 '임계 부피'라고 말하는 것이 더 정확합니다. 자세한 내용은 다음 링크를 참고하세요:
http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm
자연계에 존재하는 우라늄-238 광석 속에 0.7%만 존재하는 우라늄-235의 불안정성을 이용한 후, 인간은 또 다른 '이소토프'인 플루토늄-239를 이용했습니다. 이 원소는 자연계에 존재하지 않았지만, 우라늄-238에 우라늄-235의 분열 과정에서 방출된 '고속 중성자'를 흡수하게 함으로써 만들어낼 수 있었습니다. 플루토늄-239 역시 '분열 가능'하며, '임계 질량'을 가지며 폭탄 제조에 적합합니다. 이 두 번째 폭탄이 일본 나가사키에서 실험되었습니다.
화학자의 시각에서 보면, 융합은 우리가 알고 있던 평범한 화학 반응과 매우 유사해 보였습니다. 반응물 왼쪽, 반응 결과 오른쪽. 간단히 표현하면:
A + B → C + 에너지
가장 낮은 온도에서 일어나는 융합 반응은 수소의 두 이소토프인 디테륨과 트리튬(무거운 수소라고 불리는 것)이 참여하는 것입니다. 다만 트리튬은 불안정하고 방사성(반감기 12년)이라는 단점이 있습니다. 이 반응이 일어나기 위한 온도는 1억도입니다. 미국은 분열 폭탄의 폭발에서 발생하는 X선을 이용해 디테륨-트리튬 혼합물을 'A폭탄' 옆에 두어 이 반응을 유도하려 했습니다. 이 실험은 '그린하우스(Greenhouse)'라 불렸습니다. 그러나 수소는 액체 상태로 압축되어야 했고, 이는 극저온 상태를 요구했습니다. 따라서 이 첫 번째 '수소폭탄'은 냉각설비가 방대했지만, 실전용으로는 사용 불가능했습니다.
또 다른 반응은 고체 상태의 폭발물인 리튬 수소화물(LiH)을 이용할 수 있었지만, 이 경우 필요한 온도는 5억도로, 1억도보다 다섯 배 더 높았습니다. 러시아의 젊은 안드레이 사크하로프는, 작은 분열 폭탄을 타원형(장난감 달걀 모양)의 빈 껍질 안에 둬, X선을 반사하는 거울 역할을 하게 했습니다. 이는 이미 오래전부터 세계의 광학자들이 알고 있던 사실이었습니다. 타원형 반사면의 한 초점에 방사원을 두면, 반사된 빛이 다른 초점에 집중됩니다. 따라서 리튬 수소화물의 '설탕 빵' 모양의 끝부분을 그 초점에 두기만 하면 되었습니다.
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사크하로프-텔러-울람 조립
미국에서는 두 명의 젊은 유대계 과학자, 우크라이나계의 스타니슬라프 울람과 헝가리계의 에드워드 텔러가 동시에 이 아이디어를 떠올렸습니다. 영어권에서는 이를 '기술적으로 멋진'이라고 표현했습니다.
1958년의 에드워드 텔러, '도르프라우' 박사의 모델이 되었으며, 수소폭탄을 '내 아기(my baby)'라고 애정 어린 이름으로 부르기도 했습니다.
(단지 기억을 위해 언급하자면, 이런 무기의 탄생을 다룬 책을 쓴 과학자들의 냉소적 유머를 소개합니다. 그 중 한 명인 안토니 슈베르는 1990년에 출간한 자신의 책에 '내 폭탄 옆에서'라는 제목을 붙였습니다. 120쪽)
안토니 슈베르: '내 폭탄 옆에서'...
미국은 먼저 1억도에서 작동하는 수소폭탄을 실험하기로 결정했습니다. 디테륨-트리튬 혼합물이었습니다. 그러나 예상과 달리, 소비에트 연방은 이 단계를 건너뛰었고, 안드레이 사크하로프의 계산을 바탕으로 세계 최초의 '건조 폭탄'을 개발했습니다. 이 폭탄의 핵은 고체 상태인 리튬 수소화물이었고, 즉시 작전용으로 사용 가능했습니다. 이 놀라운 동방의 진보는 무기 경쟁을 더욱 격렬하게 만들었습니다.
이 시점에서 독자는 '마법의 혼합물' 리튬-6 + 수소-1이 두 개의 헬륨-4 핵을 생성하고, 중성자를 방출하지 않는다는 점을 기억해야 합니다. 이 '수소폭탄'은 '오염되지 않은' 폭탄입니다. 그러나 만약 지구인이 이 폭탄의 영향을 받게 된다면, 아마도 그 효과를 누릴 시간이 없을 것입니다. '수소폭탄'이 오염되는 주된 이유는, 폭탄의 발화제로 사용되는 분열 핵과, '희석 우라늄'으로 만들어진 반사판의 '활성화' 때문입니다. 이 희석 우라늄(우라늄-238)은 융합 반응에서 방출된 중성자를 흡수하면 플루토늄-239로 변하며, 다시 분열합니다. 그 결과로 탄생하는 가장 끔찍한 무기는 '분열-융합-분열(Fusion-Fission-Fusion, FFF)' 폭탄으로, 방사능 오염물질을 가장 많이 방출합니다.
군대가 폭탄 개발에 매달리던 동안, 민간 과학자들은 토로이드형(도넛 모양)의 구조물인 '토카막'에서 디테륨-트리튬 혼합물을 점화하려 시도했습니다. 이는 러시아의 아르티시모비치가 고안한 것입니다. (러시아인들은 정말 상상력이 풍부하군요, 정말로...)
대부분의 독자들은 이미 이러한 기계의 원리를 알고 있습니다. 고온의 기체 혼합물이 자기장에 의해 '자기적 고립'되며, 도넛 모양의 코일 안에서 유지됩니다. 이 아이디어는 엔지니어들의 성전인 'ITER'라는 이름의 기계의 핵심입니다.
ITER 기계
위 그림에서 보듯이, 이 기계는 회전 대칭의 폐쇄된 구조로, 주변에 다양한 부가 장치가 붙어 있습니다. 이 기계는 프랑스 카다라크의 기존 기계인 '토레-수프라'의 후속 기계입니다. 토레-수프라는 25년 전에 착공되었습니다.
토레-수프라
토레-수프라 내부
프랑스의 첫 번째 기계는 25년 전에 착공되었지만, 약속을 지키지 못했습니다. 위 그림에서 보듯이, 여러 가지 장치를 통해 플라즈마를 고온으로 유지하려는 시도가 이루어졌으며, 이는 토로이드형 방실에 에너지를 공급하는 다양한 방법(마이크로파, 중성자 비임, 등)을 의미합니다. 그러나 첫 번째 실질적인 성과는 캘럼에 설치된 영국의 'JET'(유럽 공동 토카막)에서 얻어졌습니다.
영국의 JET 기계, 높이 12미터
고립된 플라즈마의 부피는 약 80~100m³ 사이였습니다. 1997년, 캘럼의 토카막은 단지 ... 1초 동안 작동했습니다.
JET 내부
이 성과는 '매우 긍정적인' 것으로 평가되어, 연구자들과 엔지니어들은 더 큰 단계로 나아가기 위해 'ITER' 프로젝트를 제안하게 되었습니다.
왜 이런 거대한 기계가 필요할까요?
이러한 플라즈마는 복사에 의해 냉각됩니다. 외부 표면이 방출을 담당하며, 이로 인해 열 손실이 발생합니다. 이 손실은 플라즈마의 표면적에 비례하며, 기계의 특성 치수(예: 지름)의 제곱에 비례합니다. 반면, 플라즈마 내 에너지의 양은 부피에 비례하므로, 지름의 세제곱에 비례합니다. 따라서 이러한 기계가 복사에 의해 냉각되는 경향이 있다면, 기계의 크기를 늘리는 것이 이 효과를 최소화할 수 있습니다.
그러나 모든 것은 상대적입니다. JET은 단지 1초 동안 작동한 후, 복사 냉각으로 인해 오래된 보일러처럼 꺼졌습니다. 그런데 왜 이 현상이 융합 반응에서 발생하는 에너지보다 빠르게 나타날까요? 왜냐하면 자기장에 의해 고립되는 벽면이 완벽하지 않기 때문입니다. 빠른 입자들이 '망의 틈'을 뚫고 나와 고체 벽면에 충돌합니다. 이 과정에서 벽면의 원자, 특히 금속 원자가 떨어져 나와 플라즈마에 섞입니다. 이 원자들은 즉시 이온화되어 융합 플라즈마와 섞입니다. 이때 이 이온들은 자유 전자와 브레멘슈탈링(Bremsstrahlung, 감속 복사)을 통해 상호작용합니다. 전자가 이동 경로를 바꾸며 복사를 방출합니다. 이로 인해 '전자 기체'가 냉각되고, 결과적으로 디테륨-트리튬 융합 혼합물도 냉각됩니다. 온도가 1억도라는 결정적인 기준 아래로 떨어지면, 기계는 갑자기 꺼지고 말아요. 이 현상은 특히 벽면에서 떨어진 무거운 이온이 지닌 전하의 제곱에 비례해 냉각 속도가 빨라지기 때문에 더욱 심각합니다.
JET도 이와 같은 방식으로 1초 후에 꺼졌습니다. ITER도 마찬가지입니다. ITER는 5분 동안 작동하도록 설계되었지만, 실제로는 10초도 채 못 갈 것 같습니다. 현재까지 플라즈마 오염과 복사 냉각을 방지할 수 있는 실용적인 시스템은 존재하지 않습니다. 언론에서 언급되는 해결책들은 모두 '조건부'입니다. 이러한 기술적 설계는 일반 독자에게는 이해하기 어렵습니다. 요약하면 다음과 같습니다:
- 인간은 에너지가 필요합니다. 원자력은 방사성 폐기물이 발생한다는 점을 인정하더라도 에너지를 제공합니다. 융합은 미래의 길입니다. 그러나 여정은 길고, ITER는 약 20년 후에야 전력이 올라갈 것이며, 그때쯤에는...
그때쯤에는 무엇이 되는 걸까요? 무료로 철거되겠습니까? 그때까지 이 괴물의 본질적인 결함을 고치는 방법을 찾았을까요? 그 온도가 예상된 시간 동안 유지될 수 있을까요? 아니면 우리가 '더 큰 기계가 필요했다'는 설명을 듣게 될까요? 또, 14메가전자볼트의 고에너지 중성자에 의해 강하게 쏘이는 보조 구조물은 어떻게 처리할 것인가요? 초전도 자석의 기계적 강도가 이 불가피한 방사에 어떻게 견딜 수 있을까요? 이 기계적 강도가 갑자기 손상된다면, 이 장치는 방대한 양의 방사성 트리튬을 자연에 퍼뜨릴 수 있는 놀라운 폭발물이 될 수 있습니다.
이런 질문들은 어디에서도 찾아볼 수 없습니다. 왜냐하면 ITER는 오래 작동하도록 설계되지 않았기 때문입니다. 초전도 자기장 시스템이 손상되지 않도록 충분히 오래 작동하도록 하기 위해서는, 25년 후에 '슈퍼-ITER'로 넘어갈 때 다시 이 문제를 고민하면 되니까요.
도서관의 파골로스 박사처럼, 왜 이렇게 거대한 프로젝트에 매달리는 걸까요? 우리는 에너지 수요가 끝없이 늘어나고 있다는 현실을 직시해야 합니다. 그 성장은 놀라울 정도로 지수적입니다. 석유는 고갈되고 있습니다. 미국처럼 탄소 자원이 풍부한 국가들이 있지만, 탄소는 오염의 청색 띠를 지닙니다. 차르비드를 넘어서면 스타일라가 됩니다.
'대체 에너지'인 풍력, 태양광, 조력, 지열 등은 충분해 보이지 않습니다. 투자 대비 수익률이 인간의 요구에 비해 충분하지 않아 보입니다. 그래서 원자력은 '가장 나은 선택'으로 여겨집니다. 이것이 바로 우리 전 장관 클로드 알레그르의 입장입니다. 그는 '가능한 최선의 원자력에서 모든 것이 최선이다'라고 주장하는 현대적 파골로스입니다.
'감소'는 부유한 국가들에게만 가능한 해결책입니다. 빈티지 올리브유로 달리고, 25와트 전구로 불을 밝히며, 자전거를 타고, 태양광 패널로 목욕물 온도를 조절하고, 변기에는 이중 배수 장치를 설치한다고 해서 우리는 지구적 수요에 부응할 수는 없습니다. 좋은 의도에서 시작된 이 방법은, 어떤 각도에서 보든 충분하지 않으며, 부유한 아이들의 꿈일 뿐입니다.
상황이 너무 심각해져서 많은 국가들이 원자력으로 전환하려는 움직임을 보이고 있습니다. 이는 많은 프랑스 책임자들에게 자랑스러운 일입니다. ITER와 같은 문제를 안고 있는 융합 경쟁은 그 심각성을 보여줍니다. 이 문제는 너무 깊어서, 수익성이 언제 나타날지, 혹은 그때가 올지조차 알 수 없는 분야를 고려하게 만듭니다. 그러나 2005년 봄까지는 항상 같은 대답이 있었습니다:
- 다른 대안은 없습니까?
다른 원자력. 오염되지 않은, 방사성 없는 융합.
전체 원자력은 끔찍한 전망입니다. 수천 톤의 방사성 폐기물이 인간의 짧은 삶에 비해 무한한 수명을 가지며, 지하에 매장되어야 합니다. 투리미스 아일랜드와 체르노빌 사고 이후 우리는 원자력 발전소가 위험하며, 거대한 지역을 오염시키고, 기형아를 낳으며, 수많은 사람들이 암을 앓게 한다는 것을 알게 되었습니다. 어떻게 이 자연이 풍부하게 제공하는 마법의 에너지를 찾을 수 있을까요? 환경을 오염시키지 않고, 우리의 삶을 위협하지 않는 에너지를요?
아주 놀라운 사실은, 이런 해결책이 반세기 전부터 존재해 왔다는 것입니다. 그 중 첫 번째는 바로 '수소폭탄'의 출발점이 되는 리튬-수소 계열입니다. 융합 반응을 다시 보겠습니다:
리튬-7 + 수소-1 → 두 개의 헬륨-4 핵 + 중성자 없음
유일한 단점은 5억도의 온도가 필요하다는 점입니다. 캘럼의 토카막에서 1초 동안 만들어낸 온도보다 다섯 배 높습니다. 또 다른 반응이 있습니다:
붕소-11 + 수소-1 → 세 개의 헬륨-4 핵 + 중성자 없음
이 경우 혼합물을 10억도(100만만도)까지 데워야 합니다. 이는 수소폭탄 중심부의 온도보다 두 배 높으며, 태양 중심부의 온도보다 50배 높은 수준입니다.
네, 많은 독자들이 모르지만, 별들은 온도 기록을 보유하고 있지 않습니다. 왜냐하면 태양의 온도가 1억도 이상이 되면, 평온한 보일러나 끓는 냄비가 아니라, 폭탄이 되기 때문입니다. 매우 높은 온도는 우주에서 '초신성'에서만 발견됩니다. 상대적으로 평온하게 작동하던 별들이 갑자기 연료 고갈로 인해 몇 일 만에 붕괴됩니다. 이들은 구형의 케이크처럼 스스로 무너지며, 그 중심부의 '재'인 철 핵으로 무너집니다. 이 철 핵은 융합 반응으로 만들어진 원자들이 중력에 의해 별의 중심부로 가라앉은 것입니다.
별은 초당 수십만 킬로미터의 속도로 스스로 붕괴됩니다. 이 운동 에너지가 갑자기 온도로 변하며, 이 엄청난 에너지가 멘델레예프 주기율표의 무거운 원소, 즉 우리가 구성된 원자들을 생성합니다. 당신, 저, 제 연필의 납, 현재 제 컴퓨터를 전력 공급하는 원자로의 우라늄도 이 과정에서 만들어졌습니다.
우주에는 다른 매우 강력한 에너지원도 있습니다. 예를 들어 '쿼라스'는 불안정한 수소 질량이 은하의 중심에 모여들며, 이 원자들이 얻은 운동 에너지가 열로 변합니다. 이는 태양계보다 큰 수소폭탄이 되며