#1 핵융합이란?
핵융합은 물리학에서 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℃ 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.
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 프로젝트가 대표적으로, 대한민국을 포함한 7개국이 참여하고 있다.
#2 핵융합 필요조건
핵융합이 일어나기 위해서는 커다란 에너지 장벽을 극복해야 한다. 원자핵은 양전하로 대전되어 있기 때문에 전자기력에 의해 서로를 밀쳐낸다. 하지만, 두 원자핵이 충분히 가까워지면, 전자기력은 가까운 거리에서만 작용하는 거대한 힘인 강한 핵력 즉 강력에 의해 무시되게 된다. 실제로 가까운 거리에서는 강력>약력>전자기력>중력 순으로 힘의 크기가 크다. 많은 양의 에너지를 방출하는 핵융합반응을 하려면 열이 필요한데, 이것을 열핵반응이라고 한다. 열핵반응을 일으키려면 열을 약 1000만 도 가량으로 높여야 한다. 그러면 물질은 플라즈마라는 특이한 상태로 존재하게 되는데, 플라즈마는 자유 전자와 이온으로 이루어진 기체로 물질의 형태 중 4번째이다(기체와는 독립적으로 분류). 원자핵은 보통 서로 밀어내지만 약 1000만 도로 가열되면 원자핵은 매우 활발해져 서로 융합하게 된다.
핵자가 원자핵에 결합하면, 강한 핵력은 핵자를 다른 핵자로 끌어당기게 되며, 그 중에서도 가까운 거리로 인해 인접한 핵자에 더욱 밀착시킨다. 원자핵 내부의 핵자의 경우, 표면의 핵자에 비해 훨씬 인접하는 핵자가 많다. 원자핵이 작을수록 부피에 비해 표면적의 비율이 높아지므로, 강한 핵력으로 인한 핵자 당 결합 에너지는 일반적으로 원자핵의 크기에 비례하여 증가하게 된다. 하지만 이렇게 크기에 비례하여 증가하는 핵자 당 결합 에너지는 완전히 둘러싸인 핵자의 결합 에너지를 최댓값으로 가진다.
반면, 정전기력은 거리의 역제곱에 비례하므로(다른 말로 거리의 제곱에 반비례하므로), 원자핵에 추가된 양성자는 원자핵 내부의 모든 다른 양성자로부터 정전기 배척을 느낀다. 즉 원자핵이 커지면 커질수록 정전기력으로 인한 핵자당 정전기 에너지는 최대치 없이 계속 증가하게 된다.
상반된 두 힘의 결과로 말미암아 철과 니켈에 이르는 원소까지는 핵자 당 결합 에너지가 크기에 비례하여 계속 증가하며, 이후로는 감소하게 된다. 결국, 매우 무거운 원자핵에서 결합 에너지는 음수가 되며 불안정해지는 것이다. 가장 강하게 결합된 원자핵을 결합 에너지가 높은 순으로 4개 나열해보면 62Ni, 58Fe, 56Fe, 60Ni과 같다. 비록 니켈 동위원소인 니켈-62가 더욱 안정할지라도 철 동위원소인 철-56이 수십배 더 흔하다. 이는 니켈-62가 항성 내부에서 광자 흡수를 통해 붕괴하는 경우가 훨씬 많기 때문이다.
이러한 일반적인 경향의 두드러지는 예외가 바로 헬륨-4 원자핵이다. 헬륨-4의 결합 에너지는 다음 원소인 리튬보다도 높다. 파울리 배타 원리는 이러한 예외적인 현상을 양성자와 중성자가 페르미온이며, 동일한 상태에 놓일 수 없기 때문이라고 설명한다. 각 양성자 혹은 중성자의 원자핵 내부에서의 에너지 상태는 동시에 위쪽 스핀 입자와 아래쪽 스핀 입자를 가질 수 있다. 헬륨-4는 두 양성자와 두 중성자를 가지고 있으며, 각 핵자가 모두 바닥 상태에 놓일 수 있는 이유로 해서 예외적으로 높은 결합 에너지를 지닌다. 여기에 어떤 핵자라도 추가된다면 보다 높은 에너지 상태로 변해야 한다는 것을 의미한다.
#3 핵융합 반응
- 천체 물리학의 연쇄 반응 - 자연에서 가장 중요한 핵융합 반응은 항성에 에너지를 공급하는 핵융합 반응이다. 4개의 양성자가 하나의 알파 입자로 융합하면서 두 개의 양전자, 두 개의 중성미자와 에너지를 방출한다. 하지만 항성의 질량에 따라 몇 개의 반응이 각각 관여하고 있다. 태양 및 그 이하의 질량을 가진 항성의 경우, 양성자-양성자 연쇄 지배한다. 더 무거운 항성의 경우는, CNO 순환이 더욱 중요하다.
- 지상 핵융합 반응의 조건 및 후보 - 인간이 만들어내는 핵융합에 있어서는 주 된 연료가 양성자에 국한되지 않으며, 보다 높은 온도 역시 사용될 수 있으므로, 반응 단면적을 보다 넓힐 수 있다. 이는 로슨 기준을 보다 완화시키며, 초기 반응 조건을 보다 완만하게 해준다. 또 다른 고려 대상은 중성자의 생산이다. 중성자의 생산은 삼중수소를 증식시킨다는 장점이 있다. 중성자를 발생시키지 않는 핵융합은 aneutronic(無-중성자)라고 불린다.
- 제동복사 손실 - 핵융합을 겪고 있는 이온은 그 자체로만 핵융합을 하는 것이 아니라, 전자와 함께 하는데, 전자는 이온을 중화시키며 플라스마를 형성한다. 전자의 온도는 일반적으로 이온의 온도 이상이므로, 이온과 충돌할 경우 제동복사를 방출한다. 태양 및 항성은 제동복사에 대해 불투명체이지만, 지상에서 이루어지는 핵융합로는 연관된 파장에 대해 광학 깊이가 얕다. 제동복사의 경우 반사하기도 힘들뿐더러 전기로 바꾸기도 어렵다. 그러므로 핵융합시 제동복사 손실 비율은 중요한 이득의 척도가 된다. 이 비율은 일반적으로 전력을 최대화 하는 온도보다 훨씬 높은 온도에서 최대치를 가진다.
