물리 세특 : 핵융합 에너지

1. 핵분열과 핵융합

  핵분열과 핵융합의 경우, 모두 원자핵과 관련한 반응입니다. 핵분열의 경우는, 비교적 무거운 원자핵이 몇 중성자와 2개의 작은 핵으로 쪼개지는 과정입니다. 그리고, 핵융합의 경우는 반대로 비교적 가벼운 원자핵이 결합하여 더 무거운 핵을 형성하는 경우입니다. 핵분열의 경우는, 우라늄-235와 플루토늄-239와 같은 원자핵에서 주로 유도되며, 원자력에너지의 원리가 이 핵분열입니다. 핵융합의 경우는 수소 핵이 융합하여 헬륨을 형성하는 예시를 들 수 있습니다. 별이 빛을 내는 원리가 이 핵융합이며, 이를 이론적으로 활용하려는 에너지 생산 방식이 핵융합 에너지입니다.

2. 핵융합 에너지란

  이번에는 핵융합 발전의 에너지 생산 발전 방식에 대해 좀 더 자세히 알아보겠습니다. 가장 간단한 핵융합의 반응을 하나 살펴보면, 중수소 원자핵(양성자 하나와 중성자 하나로 구성) + 삼중수소 원자핵(양성자 하나와 중성자 두개로 구성)이 반응하여 헬륨 원자핵(양성자 두개와 중성자 두개로 구성) + 중성자를 형성합니다. 이때, 반응 전과 비교하여 반응 후에는 총 질량의 차이가 존재합니다. 질량으로 비교하여 보면, (중수소 원자핵 + 삼중수소 원자핵) > (헬륨 원자핵 +중성자)가 되는 것입니다. 이 경우에는 질량이 보존되지 않았음을 확인할 수 있습니다. 그렇다면, 이 질량은 어떻게 된 것일까요? 그냥 질량이 아무런 영향도 주지 않고 사라져버린 것일까요?

  여기서부터는, 아마 한번쯤은 접해보셨을 수도 있는,

 

E=mc^2

 

라는 공식을 활용하여야 합니다. 왼쪽의 E는 에너지, 오른쪽의 m은 질량(결손된 질량), c는 광속을 나타냅니다. 아까 그냥 사라졌다고 오해한 m이라는 질량은, 사실 저 공식에 따라 에너지의 형태로 변환되었다는 것입니다. 즉, 이러한 반응을 통해 질량이 결손되고, 에너지를 얻어낼 수 있다는 것입니다. 즉 위와 같은 핵융합 반응을 만들어 낼 수 있다면 에너지를 생산할 수 있을 것입니다.

3. 핵융합 에너지를 생산하기 위한 앞으로의 과제

  핵융합 에너지는 핵분열에너지(원자력에너지)와 다르게 크게 위협적인 폐기물을 만들어내지 않습니다. 또한 연료 자체도 중수소와 삼중수소와 같은 연료를 사용하기 때문에 얻기가 쉽습니다. 그리고 단위질량당 에너지 효율도 매우 좋기 때문에 많은 장점을 갖고 있습니다.

  이렇게나 장점이 많은데, 아직 핵융합 에너지를 사용하지 못하는 이유는 그 조건이 너무 까다롭기 때문입니다. 일단 경제성을 생각하지 않고 생각하더라도 핵융합에너지 사용을 위한 조건 자체가 매우 어렵습니다. 핵융합 반응은 원자핵의 반응이기 때문에, 원자 상태에서 전자가 분리되어 있는 상태를 만들어 주어야 합니다. 보통 우리는 물질의 상태를 고체, 액체, 그리고 기체로 분류하죠? 하지만 그 외에도 4번째 상태로 분류되기도 하는 플라즈마 상태가 존재합니다. 플라즈마 상태는, 기체 다음의 형태로, 기체 상태의 물질을 높은 온도로 가열하였을 때 나타나게 되는 상태인데요, 이때 원자핵과 전자가 분리되어 있는 형상을 띠게 됩니다. 이러한 플라즈마 형태는 우주에서는 흔하지만 지구에서는 유지시키기가 어렵기 때문에, 플라즈마 형태를 오래 유지할 수 있는 노력이 필요합니다. 또 굉장히 높은 에너지의 상태이기 때문에 원자핵들이 주위에 충돌하면서 생기는 에너지의 손실도 존재하는 등 다양한 이유가 존재하기 때문에, 핵융합 발전을 시작하고 유지하기 위한 '그릇'을 만드는 것이 매우 어려운 일이고, 이것이 현재 핵융합 발전의 가장 큰 과제입니다.

  오늘 준비해 본 내용은 여기까지입니다. 제 블로그에 핵융합에너지 외에도 다양한 신재생에너지 관련 내용들을 포스팅해 뒀으니, 궁금하신 분들은 한번 방문해주시면 감사하겠습니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다!