핵융합

핵융합

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

개요

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℃) 이상이며 더 무거운 원자핵들 간의 핵융합에는 더 고온의 환경이 필요하다. 지구의 원소들 중 철의 원자핵은 모든 원자핵 가운데 가장 강한 결합에너지를 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.

핵융합은 태양의 에너지원으로도 잘 알려져 있는데 태양을 포함하여 대부분의 항성에서 일어나는 핵융합반응은 수소 원자를 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 사실상 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. 핵융합 발전은 위와 같은 수소의 핵융합 반응 시 발생되는 에너지를 활용해 전기를 생산하는 발전 방식이다. 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.

원리

원자는 양성자, 중성자로 이루어진 원자핵과 그 주위에 구속된 전자로 이루어진다. 원자에 종속된 전자는 외부의 에너지를 받으면 가장자리에서부터 차례로 떨어져 나가는데 이렇게 떨어져 나간 전자를 자유전자라고 한다. 원자에 가해지는 에너지의 양이 충분히 막대하여 원자에 종속된 모든 전자가 떨어져 나갈 수 있을 정도가 된다면 원자는 전자를 방출하고 양전하를 띠는 원자핵이 홀로 존재하게 된다. 이렇게 원자핵과 전자가 분리된 상태를 플라즈마라 한다. 에너지가 낮다면 이 원자핵들 사이에 전자기력에 의한 척력이 작용해 서로 결합할 수가 없다. 하지만 초고온으로 가열되어 원자핵들의 에너지가 매우 높아지면 원자핵들 사이의 거리가 좁혀지게 되고 이렇게 원자가 충분히 가까워지면 그 이후부터는 강한 핵력이 작용해 원자핵이 서로 결합하게 된다. 이런 결합 반응을 핵융합이라 한다. 이때 일부 원자핵은 핵자당 결합에너지가 커져 핵자당 질량이 작아지고 충돌하기 전 두 원자핵을 합친 질량보다 생성된 원자핵의 질량이 더 작은데 그 질량의 차만큼 질량-에너지 동등성에 따라 에너지가 발생한다. 보통 이 에너지는 핵융합 반응의 부산물이 가진다.

항성은 플라즈마가 구 모양으로 뭉친 덩어리라고 할 수 있다. 중력은 전자기력이나 핵력에 비해 매우 약한 힘이지만 막대한 질량으로 이를 이겨낸다. 때문에 엄청난 무게에 짓눌린 태양의 핵은 매우 높은 압력을 받게 되어 밀도가 높아지고 그에 따라 온도도 높아져 핵융합이 일어날 수 있다. 태양 핵의 온도는 지구에서 핵융합이 일어나는 데 필요한 수억 도에 비해 훨씬 낮은 온도인 1500만K 정도이다. 2600억 기압이라는 높은 압력 덕분에 온도가 높지 않더라도 원자핵들끼리의 충돌이 잦고 양자터널링도 잦아 안정적으로 핵융합이 일어날 수 있다. 이를 중력 가둠 핵융합이라고 하며 항성의 종류와 나이에 따라 양성자-양성자 체인 반응, CNO 사이클, 삼중 알파 과정 등의 다양한 핵융합 반응이 일어난다. 대부분 항성의 핵융합은 가장 가벼운 연료인 양성자(수소)부터 시작해 Fe-56이 만들어질 때까지 일어나게 된다. 이후부터는 핵자당 질량이 늘어나 에너지를 흡수해야 핵융합되어 일어나기 때문에 매우 어렵다. 하지만 질량이 극단적으로 크다면 S-과정이 일어나 Bi-209 원자핵까지 만들어낼 수 있다.

가벼운 원자핵이 합쳐져 더 안정한 무거운 원자핵이 될 때 핵자당 결합에너지가 증가하는데 결합에너지는 질량의 일부로 사용되어 핵자당 질량이 감소하게 된다. 똑같이 무거운 원자핵이 핵분열하여 더 안정한 가벼운 원자핵이 될 때 핵자당 질량이 감소한다. 이렇게 핵반응에서 질량결손이 생겨 에너지가 방출되는 것이다. 가벼운 원자핵이 핵융합할 때 에너지를 방출하고 핵분열하려면 에너지를 흡수해야 하며 무거운 원자핵이 핵융합하려면 에너지를 흡수해야 하고 핵분열하면 에너지를 방출하는 이유이기도 하다. 핵자당 결합에너지가 가장 높아 가장 안정적인 원자핵인 Fe-56은 핵자당 질량이 가장 작다. 때문에 Fe-56이 핵융합하거나 핵분열하려면 에너지를 흡수해야 하고 핵융합하면 에너지를 방출하며 Fe-56으로 핵융합하거나 핵분열하면 에너지를 방출하는데 상대적으로 주변 원소들에 비해 존재비가 높은 이유이기도 하다.

참고자료

• 〈핵융합〉, 《위키백과》
• 〈핵융합〉, 《나무위키》
• 〈핵융합〉, 《네이버 지식백과》
• "Nuclear fusion", Wikipedia

같이 보기

• 핵분열
• 원자핵

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