수소 핵융합이란 무엇인가요? 핵융합 의미와 종류

두 개의 가벼운 원자핵이 하나의 더 무거운 원자핵으로 합쳐지는 것을 핵융합이라 일컫는데, 이는 지구에서 활용될 수 있다면 깨끗하고 무한한 에너지를 생성할 수 있습니다. 과학들은 핵융합을 "두 개의 가벼운 원자핵이 하나의 더 무거운 핵으로 합쳐지는, 별의 심장을 휘젓는 반응"이라고 표현했습니다. 핵융합은 핵폐기물을 거의 발생시키지 않고 온실가스 배출도 없습니다. 이는 오랫동안 기존 에너지원에 대한 잠재적인 청정 대안으로 선전되어 왔음을 의미합니다. 물리학자들은 "이 과정을 주도하는 것은 무엇일까?", "이것은 실행 가능한 상용 전력 에너지원이 될 수 있을까?"라는 큼직한 질문들을 던졌습니다.

 

융합의 의미

융합은 두 개의 가벼운 원자가 서로 결합하거나 융합하여 더 무거운 원자를 만들 때 발생합니다. 새로운 원자의 총질량은 그것을 형성한 두 원자의 질량보다 적습니다. 알베르트 아인슈타인의 유명한 방정식 E=mc^2에서 이뤄진 설명처럼 잃어버린 질량은 에너지로 방출됩니다. 일반적으로 원자핵은 동일한 전하를 갖기 때문에 서로를 밀어냅니다. 이러한 반발력을 극복하기 위해서는 고온, 압력 또는 두 가지 모두가 필요합니다.

 

오크리지 국립연구소에 따르면 지구상에서 핵융합로의 온도는 태양 중심부 온도의 거의 6배에 이릅니다. 이 열에서 수소는 더 이상 가스가 아니라 플라스마, 즉 전자가 원자에서 벗겨지는 극도로 높은 에너지 상태입니다. 핵융합은 원자를 분열시켜 상당한 양의 위험한 방사성 폐기물을 생성하는 핵분열과 다릅니다. 핵융합은 우주 별의 주된 에너지원으로 꼽히며, 지구상의 잠재적 에너지원이기도 합니다. 의도적으로 통제되지 않는 연쇄 반응이 시작되면 핵융합으로 인해 수소폭탄이 발사되며, 융합은 우주를 통해 우주선에 전력을 공급할 가능성으로 고려되고 있습니다.

 

핵융합 에너지

청정에너지의 성배는 핵융합 반응을 통해 상업적 에너지를 생산하는 것입니다. 과학자들은 수십 년 동안 이 목표를 추구해 왔으며, 핵융합은 방사성 폐기물이나 온실가스를 거의 또는 전혀 생성하지 않고 상대적으로 간단한 재료를 필요로 하기 때문에 기존 에너지원에 대한 매력적인 대안으로 제시되고 있습니다. 무한한 청정에너지에 대한 핵심은 생산에 필요한 것보다 반응에서 더 많은 에너지를 생산하는 것입니다.

 

2022년 로렌스 리버모어 국립 연구소의 국립 점화 시설(NIF) 과학자들은 "핵융합 노심이 소비하는 것보다 더 많은 에너지를 생산한다"라는 사실을 처음으로 발표했습니다. 점화 시설은 레이저 빔을 사용하여 수소의 두 가지 동위원소인 중수소와 삼중수소의 플라스마를 가두어 둡니다. 그러나 전문가들은 실행이 가능한 상업용 핵융합로가 등장하기 위해서는 수십 년이 걸릴 것이라 전망했습니다. 플라스마를 가열하려면 과학자들이 전기 그리드에서 에너지를 끌어와야 하기 때문, 따라서 반응을 실행 가능하게 만들기 위해서는 전기가 레이저에 전력을 공급하는 빛으로 변환될 때 손실되는 상당한 양의 에너지도 반응에 의해 생성된 에너지를 설명해야 합니다.

 

중수소-삼중수소 융합

오늘날 지구상에서 가장 유망한 전력 조합은 중수소 원자와 삼중수소 원자를 융합해 헬륨 원자를 생성하는 것입니다. 약 화씨 7,200만 도(섭씨 3,900만 도)의 온도가 필요한 이 과정은 1,760만 전자볼트의 에너지를 생산할 수 있습니다. 중수소-삼중수소 핵융합에 대한 오늘날의 실험은 캘리포니아주 샌디에고에 있는 DIII-D 국가 핵융합 시설에서 진행되고 있습니다. 최대 규모의 잠재적 원자로인 프랑스 남부의 ITER 프로젝트는 아직 완공까지 수년이 남았지만, 이 두 동위원소를 사용해 반응에 전력을 공급합니다. NIF 원자로와 달리 ITER 프로젝트는 강력한 자석을 사용하여 토카막이라고 불리는 도넛 모양의 원자로 주위로 수소 플라스마를 조종합니다.

 

중수소는 단일 양성자와 중성자를 포함하지만, 전자는 포함하지 않는 수소의 동위원소이기 때문에 유망한 성분입니다. 결과적으로 수소는 물에 풍부하며, 1갤런의 바닷물(3.8리터)은 휘발유 300갤런(1,136리터)만큼의 에너지를 생산할 수 있습니다. 삼중수소에는 양성자 1개와 중성자 2개가 들어 있는데, 이는 20세기 핵미사일 실험 때 대량으로 생산됐습니다. 한 과학자는 "반감기가 12년 정도 돼서 그사이에 양의 절반이 사라진다는 뜻"이라 설명했습니다. ITER의 과학자들은 지각에서 발견되는 원소인 리튬을 중성자와 충돌시켜 삼중수소를 대량으로 만들 것을 제안했습니다.

 

중수소-중수소 융합

두 개의 중수소 원자를 쉽게 얻을 수 있고 더 높은 에너지 수율을 얻을 수 있는 이 융합은 이러한 이유에서 이론적으로 중수소-삼중수소보다 더 유망합니다. 다만 이 방법은 작동하는 데 극도로 높은 온도가 필요하기 때문에 더욱 까다롭습니다. ITER에 따르면 몇몇 시험용 핵융합로는 화씨 약 2억7천만 도(섭씨 1억5천만 도)의 온도에 도달할 수 있습니다. 그러나 유럽 전역에 위치한 국가 핵융합 연구소 컨소시엄 유로 퓨전에 따르면 단독으로 중수소-중수소 반응을 수행하기 위해서는 최소한 화씨 7억2천만 ~ 9억 도(섭씨 4억 ~ 5억 도)의 온도가 필요합니다. 지금까지 중수소-중수소 반응을 시작할 수 있는 유일한 시설은 JET 시설이었지만, 이 시설은 일시적으로만 달성에 이르렀습니다.

 

별의 핵융합 반응

양성자-양성자 융합은 중심부 온도가 2,700만 화씨(1,500만 섭씨) 미만인 태양과 같은 별의 주요 동인입니다. 양성자-양성자 융합은 두 개의 양성자로 시작하여 궁극적으로 양전자, 중성미자, 감마선과 같은 고에너지 입자를 생성합니다. 웨스트버지니아 대학에 따르면 이렇게 낮은 온도에서 핵융합을 이루기 위해서는 별이 지구 대기압의 2천억 배에 달하는 압력에 의존해야 합니다. 탄소 순환은 온도가 높은 별로 수소 원자가 아닌 탄소를 병합합니다. 이 과정에서 별은 탄소-12로 시작해 6가지의 각기 다른 단계를 거칩니다. 이 과정을 통해 헬륨 핵과 또 다른 탄소-12 원자가 생성됩니다. 삼중 알파 과정에 따르면 적색 거성과 같은 별은 온도가 1억8천만 화씨(1억 C)를 초과하는데, 마지막 단계에서 수소와 탄소가 아닌 헬륨 원자를 융합합니다.