[펌] 20억년 된 천연 원자로의 미스테리

20억년 전 원자로


  


▲ 아프리카 가봉 오클로 우라늄 광산


[대기원] 아프리카 가봉 오클로의 우라늄 광산에 20억 년 전에 약 50만년 동안 운행되었던 원자로가 있다. 세계는 이곳에서 원자력에너지 사용으로 파생되는 핵폐기물을 안전하게 처리하는 해답을 얻으려고 노력하고 있다. 최근 미국은 핵폐기물 저장기지를 만들기 위해서 네바다주 유카산의 지질 및 환경평가를 실시하고 있다.

과거 백여 년 동안 인류의 생활수준은 크게 향상되었으나 에너지 소비가 급격히 증가해서 천연 에너지자원이 고갈될 위험에 직면해 있다. 이 위기를 극복하기 위해, 인류는 수십 년 간 태양열, 원자력 등 기존 자원을 대체할 에너지 자원을 개발해왔다.

그 중 핵에너지 개발은 1950년대부터 1980년대까지 최고조에 이르렀지만 핵에너지의 안전 문제가 계속해서 사회적인 이슈로 되고 있다. 1986년에 발생한 우크라이나의 체르노빌 원자력 발전소 폭발사고로 사람들은 원자력 발전소의 안전에 더욱 관심을 가지게 되었다.

핵폐기물 처리 역시 원자력을 이용하는데 큰 어려움을 주고 있다. 작은 방사선물질이라도 외부로 유출되면 치명적인 환경오염으로 확산되기 때문이다. 하지만 아프리카 가봉의 史前 원자로에서 핵폐기물 처리에 대한 해답을 얻을 수 있다.

과학자들은 이곳이 천연 원자로라고 말하고 있다. 이 ‘자연이 만들어 준’ 원자로는 20억 년 전에 만들어졌으며 약 50만년 동안 안전하게 운행되었다. 이 원자로에서 나오는 핵폐기물은 자연스럽게 매립되었고 방사능 오염문제가 전혀 발생하지 않았다.

만약 대자연이 우연히 만들어낸 걸작품이라고 한다면 대자연의 지혜를 다시 한번 인정할 수밖에 없다. 그러나 이 원자로가 자연적으로 만들어진 것이 아니라 20억년 史前에 고도로 발달한 문명이 만들었다고 주장하는 과학자들도 있다.

20억 년 전 원자로 발견

1972년 프랑스 과학자들은 아프리카 가봉공화국 오클로(oklo)의 우라늄 광산이 대형 원자로임을 발견하였다. 이 광산의 우라늄을 프랑스의 기체 확산공장으로 운송해서 조사한 결과, 우라늄-235 함유량이 0.7171% 밖에 되지 않는 것을 발견했다.

그러나 지구의 모든 지역에서 혹은 달, 운석에서 채취한 우라늄 동위원소의 비율은 우라늄-238 대 우라늄-235(139:1)로 우라늄 235가 차지하는 비율은 항상 0.720%이다. 결국 가봉 오클로 광산에서 발견한 우라늄은 이미 원자로에서 사용되었으며 우라늄 반감기로 시기를 유추해보면 20억 년 전에 이미 제련되었다.

70년대 가봉공화국은 우라늄을 제련할 능력이 없었기 때문에, 프랑스 정부의 이 발표는 전 세계를 놀라게 했다. 각국의 과학자들은 다각적으로 연구를 했고 다음과 같은 놀라운 결론을 얻게 되었다. 20억 년 전 10여기의 ‘천연 원자로’가 오염물질을 만들어내지 않고 안전하게 에너지를 생산했고 약 50만 년 동안 안전하게 운행했다.  
  


▲ 아프리카 가봉 오클로 우라늄 광산 내부


천연인가 인조인가?

이 원자로들은 어떻게 만들어졌고, 어떻게 작동했을까? 어떻게 수십만 년 동안 안전하게 운행했을까?

현재 과학계의 주장은 이 원자로가 ‘천연’적이며, 대자연이 만들어 낸 일종의 우연이라는 것이다. 하지만 20억 년 전 고도로 발달한 문명이 만들어낸 작품이라는 주장도 있다.

현재 사용하는 원자로를 건설하고 운영하려면 복잡한 기술이 있어야 하고 수많은 과학자와 전문 기술자가 참여해야 한다. 그렇다면 이 ‘천연’ 원자로는 어떻게 만들어졌을까?

1950년대 미국 아칸소대 폴 구로다(Paul K. Kuroda)박사는 ‘자발적으로 발생하는 핵분열반응(self-sustained fission)’의 조건을 찾아냈다. 그 중에서

① 우라늄 광맥의 크기는 핵분열을 유발시키는 중성자가 우라늄을 빠져나가는 평균거리 0.67m 보다 반드시 커야해야 한다.

② 우라늄-235가 반드시 풍부하게 존재해야 한다.

③ 우라늄 광맥 속에 중성자를 감속시키는 물질이 존재해야 하는 동시에 너무 많으면 중성자를 흡수하여 분열이 일어나지 않게 된다.

오클로 원자로는 오랜 기간 안정적으로 핵분열을 일으켰기에 과학자들은 오클로 원자로가 천연적이라고 단언한다. 하지만, 이 주장에는 여러 문제가 존재한다. 예를 들어 우라늄-235 원자가 핵분열을 시작하려면 자연이 제공한 ‘중성자의 우연적인 충돌’이 반드시 필요하다. 그렇지만 핵 속에 있는 중성자가 ‘우연’하게 밖으로 튀어 나올 수는 없다.

또한 원자로의 구조가 굉장히 합리적이다. 원자로는 몇 km에 달하는 거대한 규모를 가지고 있으면서도, 주위환경에 미치는 열전달은 원자로 주변 40m 이내로 제한되었다. 더욱 놀라운 것은 핵분열 후 생성되는 핵폐기물이 전혀 유출되지 않고, 우라늄광산 내부에서 자체적으로 처리되었다는 점이다.

이것은 최근 핵기술로도 흉내 내지도 못하는 기적이라고 할 수 있다. 이 때문에 가봉의 원자로를 ‘자연계의 우연’이라고 강하게 주장하는 사람들이 있지만, 여전히 많은 사람들은 천연 원자로라는 결론을 의심하고 있다.  
  


▲ 아프리카 가봉 오클로에 있는 원자로의 지질구조 : ①원자로 ②자갈층 ③광층 ④화강암층 (U.S. DoE)


史前문명 시기에 사용했을 가능성

천연 원자로라는 주장이 설명하기 어려운 또 다른 문제는 원자로가 어떻게 수십만 년 동안 안전하게 운행되었을까 이다. 지형적으로 볼 때 당시 우라늄광산 부근에 물이 있었고 중성자를 흡수하는 작용을 했다는 것이 현재의 이론이다. 물이 광산 안에 침투하여 핵분열을 조절시키는 작용을 했다는 것이다.

하지만 자세히 들여다보면 이 이론은 맞을 가능성은 굉장히 적다. 물이 우라늄광산 내부에서 반드시 고르게 침투되어야 하는데, 그렇지 않은 부분이 조금이라도 있으면 광산은 폭발하여 사라지게 된다.

그렇다면 어떤 원인으로 이 원자로가 이렇게 긴 시간 동안 안전하>게 통제되었을까? 현재로선 알 수 없다.

또 오클로 우라늄 광맥은 산 전체가 모두 원료이다. 핵발전소의 안전문제는 굉장히 중요하다. 체르노빌 원자로 폭발사고로부터 핵발전소의 안전을 유지하는 것이 얼마나 어려운 지 알 수 있다. 하지만, 오클로 원자로는 핵폐기물을 완벽하게 처리하였고 ‘우연’적인 현상으로 보기에는 어색한 부분이 많이 있다.

천연 원자로 이론 외에도 무수한 해석과 추측이 존재하지만 모두 직접적인 증거는 없다. 사실 ‘천연 원자로’ 이론도 맞을 가능성은 조금 있지만 거의 희박하다. 어쩌면 인류의 지구와 우주에 대한 이해가 장족의 발전을 이루기 전에는 오클로 원자로는 여전히 수수께끼로 남을 것 같다.

오클로 원자로의 진실은 아직 밝혀지지 않았지만 핵의 안전한 통제와 핵폐기물 처리의 비밀을 풀기 위해 세계 각국에서 오클로 원자로의 지질특성 및 구조 관련 연구를 활발히 진행하고 있다. 미국은 현재 유카산에 핵폐기물 저장기지를 준비하고 있다. 오클로 원자로의 구조는 합리적인 핵폐기물 저장지식을 이해하는데 도움을 줄 것이다.