핵분열과 핵융합을 둘러싼 공통점과 차이점

핵분열과 핵융합을 둘러싼 공통점과 차이점

그늘에서 이뤄진 발견

핵분열에는 원자 분할이 포함되며 핵융합은 그것들을 결합하는 것입니다. 두 가지 모두 엄청난 양의 에너지를 방출하는 핵분열과 핵융합은 자연적인 원자 과정이지만 여러 측면에서 서로 반대입니다. 핵분열이 일반적으로 무거운 단일 원자핵의 분열을 수반하는 반면, 융합은 가벼운 두 개 이상의 원자 결합을 필요로 합니다. 원자에는 중앙 핵에 서로 결합된 양성자와 중성자가 포함됩니다. 우라늄과 같은 방사성 원소는 원자핵에 이러한 입자를 수십 개 이상 포함할 수 있습니다. 핵분열은 우라늄과 같은 무거운 원소가 자발적으로 붕괴되면서 핵이 분열될 때 발생합니다. 이러한 결과로 나온 각각의 반쪽은 원래 원자핵보다 약간 작은 질량을 가지며, 이중 누락된 질량은 에너지로 변환됩니다.

 

물리학자 리제 마이트너와 오토 프리슈는 지난 1938년 12월 핵화학자 오토 한으로부터 사적인 편지를 받은 후, 핵분열의 기본 원리를 발견했습니다. 한의 실험은 중성자와 충돌한 우라늄 원자가 분열한다는 사실을 밝혀냈습니다. 마이트너와 프리슈는 왜 이런 일이 일어났는지 설명하기 위해 양자역학이라는 새로운 과학을 활용했습니다. 세 명의 과학자는 제2차 세계 대전의 그늘 아래서 일어난 그들의 발견이 끔찍한 의미를 가져올 것이란 사실을 곧 깨달았습니다. 단 한 번의 핵분열은 상대적으로 적은 양의 전력을 방출할 수 있지만 동시에 발생하는 많은 핵분열 반응은 원자 폭탄과 같이 파괴적인 개발에 사용될 수 있습니다.

 

에너지와 무기를 위한 핵분열

우라늄 원자는 자연적으로 핵분열을 겪을 때 주위를 돌게 될 중성자를 방출합니다. 이 중성자가 인근에 있던 다른 우라늄 원자와 충돌하면 둘은 분열돼 계단식 연쇄 반응을 일으킵니다. 실제로 1951년 미국의 엔지니어들은 핵분열 과정을 활용하여 에너지를 생산하는 최초의 발전소를 건설했습니다. 핵분열은 열을 방출하여 물을 끓이고 터빈을 회전시키는 증기를 생성하지만, 원자폭탄에서는 연속적인 연쇄 반응이 통제 불능 상태로 나타납니다. 이에 따라 핵분열은 점점 더 빠른 속도로 발생하고 짧은 시간 내 엄청난 양의 힘을 방출하면서 파괴적이고 폭발적인 폭탄을 생성합니다. 원자력 발전소에서는 이 과정이 세심하게 통제됩니다.

 

핵융합과 에너지 생산

이와는 대조적으로 핵융합은 아직 인간의 동력원으로 완전히 개발되지 않았습니다. 핵융합에서는 수소와 같은 가벼운 원소의 두 핵이 자연적인 전자기 반발력을 극복하고 하나의 더 무거운 핵으로 합쳐져야 합니다. 결과 개체는 기존 두 개의 핵보다 질량이 약간 적으며, 핵분열과 마찬가지로 이 누락된 질량은 에너지로 변환됩니다. 그러나 원자가 서로 붙을 때까지 서로 부숴버릴 만큼 충분한 전력을 생성하는 것은 쉽지 않습니다. 한 연구원은 "일반적으로 별의 배와 같은 극한 환경이 필요하다"라고 설명했습니다. 엔지니어들은 지구상에서 지속적인 핵융합 반응을 일으킬 수 있기를 오랫동안 꿈꿔왔습니다.

 

국제원자력기구에 따르면 핵융합 발전은 핵분열보다 핵폐기물을 덜 생성하며 희귀한 우라늄 대신 수소와 같이 상대적으로 일반적이고 가벼운 원소를 연료 공급원으로 사용합니다. 그러나 일각에서는 "융합을 만들고 유지하기는 어렵다"라는 지적도 나옵니다. 한편 지속적인 핵융합을 사용해 에너지를 생산하는 타당성을 테스트하기 위한 국제 열핵융합 실험로(ITER)에서는 4층 건물 높이에 지구 자기장보다 280,000배 더 강력한 자석이 생성됐습니다. 다만 35개국의 과학 파트너십인 ITER은 건설 과정에서 수많은 지연을 겪었습니다. 아울러 적어도 2030년대까지는 소비량보다 더 많은 전력을 생산하지 못할 것이란 비관적인 예측이 이어지고 있습니다.