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[4차산업 핵융합기술①] 핵융합이란

핵융합은 인공태양을 만드는것이 핵심기술

  • Editor. 이호선 기자
  • 입력 2020.09.12 23:43
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(자료=국가핵융합연구소 이미지합성)

핵융합은 고온의 상태에서 가벼운 원자핵들이 융합되어 더 무거운 원자핵이 되는 과정을 말한다. 이때 발생하는 막대한 에너지 또한 그 부산물이다.

이는 태양과 같은 항성의 에너지 발생 원리와 동일하다. 인공적인 핵융합은 조그맣고 수명도 짧은 인공 태양을 만드는 작업이라고 할 수 있으며, 열핵폭발의 과정을 느리게 하는 것과 같다.

태양에서 나타나는 초고온상태의 수소 핵 간 융합의 원리를 인공적으로 발생시켰다 하여 '인공태양'이라고도 불리고 있다. 아이언맨의 '아크리액터'는 엄청난 출력으로 아이언맨 수트에 동력을 제공하는 역할을 하는것이다.

태양은 거대한 가스 덩어리로 이루어져 있으며, 이 가스의 대부분은 수소로, 태양의 중심에서는 계속해서 수소가 헬륨으로 만들어지는 반응이 일어나고 있다. 이것을 우리는 핵융합 반응이라고 하는데 여기서 생기는 많은 양의 에너지 때문에 태양이 빛을 내고 뜨겁게 타오를 수 있는 것이다.

◇ 태양은 핵융합반응 의 결정체

핵융합 반응이 일어나는 태양의 중심 부분 온도는 대략 1500만 도로 무척 높으며, 기압은 4000억 기압 정도라고 한다. 태양 표면의 온도는 대략 6000도 정도이며, 표면에는 어둡게 보이는 흑점(Sunspot)들이 있다. 흑점의 모양은 둥근 종류가 가장 많고 복잡한 구조를 가진 것들도 많다. 흑점 중에서 가장 큰 것은 지름이 무려 3만킬로미터(지구의 2배 정도)나 된다고 한다. 흑점이 검게 보이는 이유는 이 부분의 온도가 주위에 비해 1000도 가량 낮기 때문이다. 그래도 흑점의 온도는 5000도 정도로 무척 높은 편이다.

◇ 핵융합반응-열핵반응 (Thermonuclear reaction)

핵융합반응을 열핵반응이라고도 하며, 모든 항성은 열핵반응으로 에너지를 만들어내고 있는 것이다. 수소 원자는 하나의 핵(양 자)을 중심으로 한 개의 전자가 전자운을 형성하여 핵을 싸고 있기 때문에, 다른 입자가 핵에 접근하기란 거의 불가능하다. 즉 보 통 때에는 수소의 핵과 핵이 서로 접근할 수 없으므로 핵이 융합할 수는 더욱 없다.

물질 원자의 온도가 100만 도K를 넘으면, 전자가 핵에서 떨어져 나와 전자와 양자가 따로따로 운동을 하게된다. 이와 같은 상태를 '프라스마'라 하며, 이런 상태 하에서 비로소 핵과 핵이 서로 접촉할 가능성은 있으나, 핵 자체가 서로 융합되지는 못한다. 핵융합이 일어나려면 훨씬 높은 온도인 1,000만 도K를 초과해야한다. 온도가 그처럼 높으면 핵의 운동 에너지가 굉장히 크기 때문에 핵과 핵이 충돌을 일켜서 핵융합이라는현상이 나타날 수 있게 된다.

◇핵융합은 인공태양을 만드는 기술

핵융합은 태양과 별의 에너지원으로 그 발생 에너지가 크기 때문에 미래 에너지원으로 주목되고 있으나 현재까지 학술연구 영역을 벗어나지 못하고 있다. 예를 들면 두 개의 중수소 원자핵이 융합하여 3중수소 또는 헬륨 원자핵이 되는 반응에서는 방출 에너지가 석탄 등의 화석 연료가 방출하는 에너지의 약 100만 배 정도이다.

이것은 아인슈타인의 질량과 에너지의 상대성 원리(E=mc2)에 의해 정확히 계산된다. 이 핵연료는 핵분열 반응에 필요한 어떤 물질보다도 풍부하고, 방사성 낙진도 생기지 않을 뿐만 아니라 유해한 방사능도 적다. 이와 같은 핵융합에는 약 1억℃ 이상의 매우 높은 온도가 필요하다. 태양 및 그에 준하는 별들의 에너지 방출은 핵융합에서 생기며, 이런 과정을 응용하여 수소 폭탄이 만들어졌다고 한다.

우라늄 또는 플루토늄 핵이 분열하면서 내는 에너지를 이용하는 원자력발전과는 반대되는 물리현상이다. 태양이 빛과 열을 내는 원리와 같아 핵융합장치를 '인공태양'이라 불린다. 핵융합은 바닷물에 풍부한 중수소(2H)와 흙에서 쉽게 추출할 수 있는 리튬을 이용해 생성한 삼중수소(3H)을 원료로 사용, 온실가스나 고준위 방사성폐기물 배출이 없어 미래 청정에너지로 기대를 모으고 있다.

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