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영화 속의 과학: 아이언맨의 아크원자로는 가능할까?
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영화 속의 과학: 아이언맨의 아크원자로는 가능할까?
▲위 이미지는 인용의 목적으로 사용되었습니다.
도움이 필요하면 언제든지 달려가는 수퍼히어로들은 대부분 인간의 능력을 넘어서는 초능력을 가지고 있습니다. 슈퍼맨은 빠른 스피드와 엄청난 힘을 가지고 있고 스파이더맨은 거미처럼 벽을 기어오르고 뛰어난 감각을 가지고 있습니다. 특별한 능력들을 가지고 있는 이런 영웅들은 위기의 상황에 나타나 사람들을 도와주면서 많은 사랑을 받고 있지만 비현실적인 점이 많아 조금은 거리감이 있는 것이 사실입니다.
그런데 이런 영웅들 중에 현실에 가까운 모습을 보여주는 영웅이 있는데, 이 영웅은 바로 최근 영화로 많은 사랑을 받고 있는 ‘아이언맨’입니다. 아이언맨의 토니 스타크는 평소에는 초일류 기업의 CEO이지만, 슈트를 입으면 다른 영웅들처럼 엄청난 힘과 스피드를 가지고 있는 초인이 되어서 지구를 구합니다. 또 영화에서는 바람기 많고 유머가 넘치는 대사로 많은 사랑을 받고 있지요. 이런 아이언맨이 다른 영웅들과 다른 이유는 단순히 초능력이 아니라 각종 기기들, 그리고 인공지능 컴퓨터의 도움을 받아서 이러한 능력들을 발휘한다는 점인데요, 아이언맨의 영화에서는 이러한 현실성을 가미하기 위해 슈트를 제작하는 과정들이 보여지고 있습니다. 비행능력을 위해서 테스트를 하고 슈트에서 부족한 점이 발견되면 바로 수정에 들어가는 모습을 보면 현실에서도 가능하지 않을까 생각이 되기도 합니다.
그런데 이렇게 엄청난 성능을 자랑하는 슈트도 신기하지만 아이언맨에서 한 가지 더 현실성을 부여하는 것이 있는데, 바로 토니 스타크 가슴에 있는 작은 발전기인 아크원자로입니다. 영화에서는 사고로 몸 속에 박힌 금속들이 심장으로 가는 것을 막기 위해서 만든 것이 소형 아크원자로인데, 나중에는 아이언맨 슈트를 작동시키는 에너지원으로 사용되게 됩니다. 파란불이 번쩍 빛나면서 작동되고 있는 이 아크원자로는 영화를 보면서 신기하기도 하지만 한편으로는 과연 실제로 만드는 것이 가능할 것인가 하는 궁금증이 생기기도 합니다.
그래서 오늘 케미칼 스토리에서는 이 아크원자로가 과연 가능한 것인지 한 번 알아보는 시간을 가지도록 해보겠습니다.
▲위 이미지는 인용의 목적으로 사용되었습니다.
2008년에 개봉한 아이언맨 1편을 보시면 아크원자로가 만들어지는 과정이 나옵니다. 아프카니스탄에 위치한 한 동굴에서 만들어지는 과정을 보면 미사일에서 얻어진 팔라듐이라는 금속을 이용해 아크원자로가 만들어집니다. 즉, 아이언맨이 사용하는 발전기는 일종의 원자로이지요.
원자로란 핵 반응에 의해서 생성되는 열을 이용하여서 전기 에너지를 얻는 장치입니다. 원자로가 이용하는 핵 반응은 크게 두 가지가 있는데, 핵 분열과 핵 융합이 있습니다. 핵 분열 반응은 원자량이 큰 원소를 이용해서 일으키게 되는데, 대부분 우라늄이나 플루토늄을 이용하고 있지요. 이렇게 원자량이 큰 원소에 원자를 구성하는 물질 중 하나 인 중성자라고 하는 입자와 충돌을 시키게 되면 플루토늄이나 우라늄 원자가 쪼개어 지는 핵 분열 반응이 일어나게 됩니다. 이때 많은 열과 함께 평균적으로 2.5개의 중성자가 다시 나오며 이 중성자들이 연속적으로 다른 핵분열을 일으키게 됩니다. 만약 이러한 반응이 계속되면 순식간에 많은 열이 발생되어서 상당히 위험하기 때문에, 핵 분열을 제어하기 위해서 감속제라는 물질을 사용하고 있습니다. 우리나라에서 사용하고 있는 원자로는 가압수형 원자로라고 하는 것을 표준으로 사용하고 있는데요, 이 원자로에서는 감속제로 물을 이용하여서 핵 분열을 조절하고 있습니다.
이렇게 원자로에서는 연속적으로 일어나는 핵 분열 반응을 조절하는 것이 상당히 중요한데요, 과거에는 이 속도를 조절하는 것이 상당히 어려웠지만 현대 과학기술의 발달로 지금은 안정적으로 운영을 하고 있습니다. 그래서 세계적으로 많은 나라에서 원자로를 이용해서 전기를 생산하는데 이용하고 있지요.
그런데 이렇게 핵 분열을 이용해서 전기를 만들어 주는 원자로는 과학기술의 발달로 안전하다고 보고 있지만 몇 가지 문제가 있습니다. 먼저 플루토늄이나 우라늄이 필요한데, 은보다는 풍부하지만 지구를 구성하는 물질 중 우라늄은 약 0.00023% 만 존재하고 있습니다. 또 플루토늄은 이보다 아주 미량만 존재하기 때문에 자연에서 얻기 보다는 원자로에서 우라늄을 반응시켜서 플루토늄을 얻고 이를 이용해서 원자력 발전에 이용하고 있습니다. 두 번째 문제는 원자력 발전 시 나오는 방사성 폐기물입니다. 핵 분열 시 나오는 방사선은 상당히 큰 에너지를 가지고 있지만 인체에 아주 안 좋은 영향을 줍니다. 그런데 이런 방사선은 원자로에 사용되는 우라늄이나 플루토늄뿐만 아니라 그 속에서 사용되는 모든 물질에서 나올 수 있기 때문에 따로 모아서 폐기를 해야 합니다. 그렇지만 방사선이 나오는 것을 제거할 수가 없어서 현재로서는 자연적으로 사라질 때까지 따로 모아서 저장을 하고 있습니다. 이 외에도 냉각수로 사용된 물이 온도가 높아서 환경에 문제를 일으키는 경우도 있으며 아직은 핵 분열을 이용한 발전이 해결해야 할 문제점들이 몇몇이 있습니다.
그렇다면 아이언맨이 이용하는 아크원자로는 이런 핵 분열 방식의 원자로 일까요? 아이언맨이 이용하고 있는 원자로는 핵 분열이 아니라 핵 융합 발전기입니다. 핵 융합 발전은 아직은 상용화가 되지 않은 발전기인데, 원자를 쪼개서 나오는 열을 이용하는 핵 분열과 달리 핵 융합은 원자 두 개를 하나의 원자로 만들 때 나오는 에너지를 이용하는 방법입니다.
이런 핵융합은 인공적으로만 이루어지는 것이 아니랍니다. 대표적으로 태양에서 이러한 일이 일어나고 있습니다. 태양은 대부분 수소와 헬륨으로 이루어져있는데, 수소 중 조금 더 무거운 중수소와 이보다 더 무거운 삼중수소를 이용해 핵융합이 일어나고 이로 인해 엄청나게 높은 열과 빛이 발생하고 있습니다. 그런데 이런 핵융합이 일어나기 위해서는 두 개의 수소가 반응 할 수 있도록 높은 에너지가 필요합니다. 즉 핵 반응을 일으키기 위한 활성화 에너지가 필요한데, 현재 과학자들이 연구하고 있는 핵융합 원자로에 경우 1억도 이상에서 반응이 일어나는 방법을 연구하고 있습니다. 그런데 이 온도는 너무나 높은 온도이기 때문에 반응하는 물질을 가두어 두는 용기가 존재하지 않아서 용기가 아닌 자기장을 이용해서 가두어 놓는 방식을 이용하고 있습니다.
이러한 핵융합이 연구되고 있는 이유는 핵분열 방식과 달리 방사성 폐기물이 생기지 않고 바다에 풍부한 중수소나 삼중수소를 연료로 이용하기 때문에 연료 고갈에 대한 염려가 작다는 점입니다. 게다가 엄청나게 많은 양의 에너지를 얻을 수가 있는데요, 연료로 사용되는 중수소 1g은 이론적으로 석유 8톤과 같은 에너지를 생산할 수 있다고 합니다. 그래서 차세대 에너지로 핵융합 발전에 관심을 갖는 것인데요, 우리나라에서도 이러한 핵융합 발전의 장점 때문에 연구가 진행되고 있습니다. 대전에서는 K-Star라는 연구용 핵융합 원자로가 건설되어서 발전에 필요한 각종 실험들이 진행되고 있습니다.
▲위 이미지는 인용의 목적으로 사용되었습니다.
그렇다면 아이언맨처럼 가슴에 원자로를 달고 다니는 것이 현실에서 가능할까요? 핵 분열이나 핵융합을 이용한 원자로에 경우 둘 다 사람 몸에 달고 있는 것에는 큰 문제가 있습니다. 핵 분열을 이용할 경우 방사선이 나오기 때문에 이를 차단해야 하는 문제가 있고 핵융합을 이용할 경우 현재 연구가 된 방식은 아주 높은 고온을 이용한 방식이기 때문에 신체에 1억도 이상의 열이 가해지지 않도록 해야 하는 방법을 찾아야 합니다.
그런데 한 가지 재미있는 사실은 고온이 아닌 상온에서도 핵융합을 할 수 있다고 보는 사람들도 있습니다. 아이언맨에서도 나오는 아크원자로는 이러한 가설에 기초한 원자로인데요, 이 원자로는 중수소를 가지고 있는 물에서 팔라듐 금속으로 중수소를 얻고 아주 낮은 온도인 약 100도 이내에서 핵융합이 일어나도록 하는 것입니다.
그런데 과학계에서는 아직 상온 핵융합이 가능한지에 대해서 의문을 가지고 있습니다. 몇몇 기업이나 개인 연구자들이 상온 핵융합이 가능한 원자로를 만들었다고 주장하고 실제로 판매를 하고 있지만 아직 명확하게 증명된 적이 없어서 가능한지 판단을 할 수가 없습니다. 또 상온에서 핵융합이 가능하다고 설명할 수 있는 이론이 아직 존재하지 않아서 이에 대해서 아직은 판단을 할 수가 없다고 합니다.
이 때문에 아이언맨처럼 원자로를 가지고 다니는 것은 현실적으로 불가능하다고 보고 있지요. 이 뿐만 아니라 주먹만 사이즈로 원자로를 만드는 것도 힘들어서 현실에서는 어려우나, 먼 미래에 기술이 발달하면 가능하지 않을까 생각이 됩니다.
지금까지 아이언맨의 에너지원인 아크원자로가 가능한지 알아보았습니다. 아이언맨과 관련하여 재미있는 이야기가 있는데요, 영국에 있는 한 가격비교 사이트에서 아이언맨 슈트를 구입하기 위해서 필요한 돈을 계산해 보았다고 합니다. 그런데 우리나라 돈으로 약 2조원이 필요하다고 하네요. 정말 영웅이 되는 것은 여러모로 힘든 것 같습니다.
General Chemistry, Thomson, Whitten, Davis, Peck, Stanley
원자로와 안전 특성, 백원필
핵융합 발전 실용화 기술, 오상준, 조승연
아이언맨 공식사이트 http://ironmanmovie.marvel.com/, http://ironman3.co.kr/
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