과학

핵융합

관리자
2019.08.08 18:10 16 0

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물리학에서 핵융합(核融合, nuclear fusion)은 핵분열과 상반되는 현상으로, 두 개의 원자핵이 부딪혀 새로운 하나의 무거운 원자핵으로 변환되는 반응이다.

기본적으로 원자핵은 내부의 양성자로 인해 양전하를 띠므로 두 개의 원자핵이 서로 접근하게 되면 전기적인 척력에 의해 서로 밀어내게 된다. 하지만 원자핵을 초고온으로 가열하면 원자핵의 운동에너지가 전기적 척력을 이겨내어 두 원자핵이 서로 충돌하게 된다. 그리고 이후에는 두 원자핵 사이에 강력한 인력이 작용해 하나의 원자핵으로 결합될 수 있다. 가장 가벼운 원소인 수소의 원자핵끼리 핵융합을 위해 필요한 온도는 대략 1억℃(108{\displaystyle 10^{8}}10^8℃) 이상이며, 더 무거운 원자핵들 간의 핵융합에는 더 고온의 환경이 필요하다.

지구의 원소들 중, 철의 원자핵은 모든 원자핵 가운데 가장 강한 결합 에너지를 가지고 있으며, 가장 안정되어 있다. 그러므로, 철보다 가벼운 원자핵들 사이의 핵융합 반응에서는 일반적으로 주변으로 에너지를 방출하며, 철보다 무거운 원자핵들 사이의 핵융합 반응에서는 주변으로부터 에너지를 흡수한다.

다음은 가장 가벼운 원소인 수소를 활용한 핵융합반응의 대표적인 세 가지 유형이다.

1. D12+13T⟶24He(3⋅5MeV)+n(14⋅1MeV){\displaystyle {\ce {^{2}_{1}D {+}^{3}_{1}T->^{4}_{2}He(3_.5MeV) {+}n(14_.1MeV)}}}{\displaystyle {\ce {^{2}_{1}D {+}^{3}_{1}T->^{4}_{2}He(3_.5MeV) {+}n(14_.1MeV)}}}

2. D12+12D⟶13T(1⋅01MeV)+p(3⋅02MeV){\displaystyle {\ce {^{2}_{1}D {+}^{2}_{1}D->^{3}_{1}T(1_.01MeV) {+}p(3_.02MeV)}}}{\displaystyle {\ce {^{2}_{1}D {+}^{2}_{1}D->^{3}_{1}T(1_.01MeV) {+}p(3_.02MeV)}}}

3. D12+12D⟶23He(0⋅82MeV)+n(2⋅45MeV){\displaystyle {\ce {^{2}_{1}D{+}_{1}^{2}D->_{2}^{3}He(0_{.}82MeV){+}n(2_{.}45MeV)}}}{\displaystyle {\ce {^{2}_{1}D{+}_{1}^{2}D->_{2}^{3}He(0_{.}82MeV){+}n(2_{.}45MeV)}}}

*D는 중수소, T는 삼중수소, 2와 3의 반응은 각각 50%의 확률로 일어난다.

핵융합 발전은 위와 같은 수소의 핵융합반응 시 발생되는 에너지를 활용해 전기를 생산하는 발전방식이다. 화력발전이나 원자력발전에 비해 에너지 생산량이 훨씬 많고 환경오염 물질을 발생시키지 않는 장점 때문에 현재 많은 나라의 연구기관들이 국가적 또는 국제적 차원에서 활발히 연구를 수행하고 있다. 국제열핵융합실험로(ITER) 프로젝트가 대표적으로, 대한민국을 포함한 7개국이 참여하고 있다.

핵융합은 태양의 에너지원으로도 잘 알려져 있는데, 태양을 포함하여 대부분의 항성에서 일어나는 핵융합반응은 수소원자를 중수소(Deuterium) 또는 삼중수소(Tritium)로 융합하고, 이들을 헬륨 원자로 융합시키는 연속적인 핵융합반응이다.

무거운 원소의 핵융합은 초신성 폭발과 같은 극단적인 경우에 발생한다. 항성 및 초신성에서의 핵융합은 자연적으로 존재하는 원소가 만들어진 가장 주요한 원인이다.

원자핵을 서로 융합하게 하는 것은 아주 많은 에너지를 필요로 한다. 이는 가장 가벼운 원소인 수소에 대해서도 마찬가지이다. 하지만 가벼운 원소가 융합해서 무거운 원소 및 자유 중성자를 만들 때, 이 과정에서 발생하는 에너지는 융합하는 데 필요로 했던 에너지 이상이다. 이러한 에너지 생성 과정, 즉 발열반응은 핵융합 반응이 스스로 지속될 수 있도록 한다.

대부분의 핵반응에서 발생하는 에너지는 화학 반응에 의해 발생하는 에너지에 비해 매우 크다. 이는 원자핵을 함께 모아주는 결합 에너지가 전자와 원자핵을 모아주는 에너지보다 훨씬 크기 때문이다. 예를 들어, 전자를 수소에 붙여서 얻는 이온화 에너지는 13.6eV이며, 이는 중수소-삼중수소(D-T) 반응에서 발생하는 17MeV의 백만분의 일조차도 되지 않는다.

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