핵융합, 꿈의 에너지
핵융합은 화석 연료에 의존하지 않거니와 유해한 온실 가스를 생성하지 않고,
향후 인류의 에너지 문제를 한방에 해결할 수 있고,
환경오염으로 인한 기후 변화에 대처하는 데에도 큰 도움이 될 수 있습니다.
핵융합이란?
물질을 구성하는 원자는 그 중심에 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵이 있고
그 주위를 전자가 돌고 있습니다.
그런데 초고온에서는 원자핵과 전자가 분리되는 플라스마 상태가 된다는 것입니다.
플라스마 상태의 가벼운 원자핵들은 고속으로 나아가다가 서로 충돌하여 합해지면서
무거운 원자핵으로 변하는데, 이것을 핵융합 반응 이라고 하는 겁니다.
핵융합은 태양과 같은 별들이 빛을 발하는 원리이기도 한데요.
50개국 이상의 과학자들이 1960년대부터 지구에서 태양처럼 핵융합을 재현하려고 노력해 왔습니다.
궁극적으로 세상에 엄청난 양의 청정 에너지를 제공할 수 있기 때문입니다.
핵융합 무거운 원자가 쪼개지는 핵분열의 반대 현상이기도 합니다.
우리나라에도 많이 있는 원자력 발전소는 이런 핵분열을 이용하여 전기를 생산해 내는 것인데
방사능 오염물질로 인하여 환경오염이 심각하고, 또 잘못하여 폭발할 위험도 있기 때문에
원자력 발전소를 없애자는 운동이 전세계적으로 일고 있는 이유이기도 합니다.
핵융합이 중요한 이유
핵분열은 위험할 수 있고 잠재적으로 수백 년 동안 안전하게 저장되어야 하는 많은 방사성 폐기물을 생성합니다.
핵융합으로 생성된 폐기물은 방사능이 적고 훨씬 더 빨리 붕괴됩니다.
핵융합에는 석유나 가스와 같은 화석 연료가 필요하지 않습니다. 오존층을 파괴하는 온실 가스도 생성하지 않습니다 .
대부분의 핵융합 실험은 해수와 리튬에서 저렴하게 추출할 수 있는 수소를 사용합니다.
이는 연료 공급이 수 백만년 동안 지속될 수 있음을 의미합니다 .
실로 엄청난 도전이 아닐 수 없습니다.
핵융합 작동 원리
수소와 같은 가벼운 원소의 두 원자가 가열되고 결합하여 헬륨과 같은 하나의 무거운 원소를 형성할 때,
이 과정에서 실로 엄청난 양의 에너지를 생성합니다.
태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구에서도 일으키려면 태양보다 훨씬 더 높은 온도인 1억 도가 필요합니다.
태양의 중심은 강한 중력으로 압축되어 있어서 원자들의 밀도가 높아
1500만 도의 온도에서도 원자들이 쉽게 충돌하지만, 지구는 그런 환경이 아니기 때문입니다.
결국 핵융합 발전소를 세우려면 지구상에 존재하지 않는 1억도 이상의 초고온 플라스마를 만들어야 하고
이 플라스마를 담는 그릇도 필요한 것이죠.
그런데 1억 도의 온도를 견딜 수 있는 물질은 지구상에 존재하지 않습니다.
그래서 진공 용기 안에 초고온의 플라스마를 넣고 자기력으로
떠오르게 해서 벽에 닿지 않게 가두는 기술이 개발되었습니다.
핵융합 발전소의 핵융합이 일어나는 곳은 거대한 전자석에 둘러싸인 도넛처럼 생긴 장치이다.
진공 상태인 이 장치 안에 핵융합 연료인 중수소와 삼중수소를 넣고 온도를 높이면 플라스마 상태가 되는 것입니다.
이 플라스마는 전자석에서 발생된 자기력선 덕분에 용기 벽에 직접 닿지 않고 장치 안을 돌게 되는 것이구요.
플라스마 상태의 중수소와 삼중수소는 온도가 1억 도에 이르면 서로 충돌하여 핵융합 반응을 일으키고,
핵융합 반응에서 생긴 에너지로 물을 끓여 수증기를 만들고 이 수증기로 발전기를 돌려 전기를 만드는 원리인 것입니다.
대규모 핵융합은 언제 가능할까요?
지난 몇십 년 동안의 연구와 실험에도 불구하고 대규모 핵융합은 여전히 연구중에 있습니다.
그러나 미국에서의 성공적인 NIF 실험조차도 애초에 레이저를 작동시키는 데 필요한 것보다 더 많은 에너지를 생산하지 못했으며 이 지점에 도달하기 위한 연구 프로그램에는 수십억 달러의 비용이 들었습니다.
물리학자들은 미국의 결과를 환영하고 진정한 돌파구라고 설명했지만 핵융합이 가정이나 사업체에 전력을 공급하기 위해서는 훨씬 더 많은 연구가 필요하다고 지적합니다.
과학자들은 이제 더 빠르고 저렴하게 핵융합을 재현하는 데 집중할 것입니다.
핵융합은 얼마나 안전한가?
국제원자력기구(IAEA)는 핵융합은 본질적으로 안전하다고 말합니다.
핵융합 반응을 시작하고 유지하는 데 필요한 조건은 너무 극단적이어서 통제 불능 상태가 되는 것이 불가능합니다.
"융합은 반응을 제어할 수 없으면 기계가 스스로 꺼집니다."라고 IAEA의 Sehila González de Vicente는 설명했습니다.
핵분열에 비해 공정에서 생성되는 방사성 폐기물의 수준이 낮기 때문에 취급 및 보관이 훨씬 쉽습니다.
핵융합과 지구 환경
핵융합은 석유나 가스와 같은 화석 연료에 의존하지 않으며 지구 온난화를 유발하는 온실 가스를 생성하지 않습니다.
태양 에너지나 풍력 에너지와 달리 기상 조건에도 의존하지 않습니다.
에너지원도 지구상에서 발견되는 비교적 풍부한 두 가지 물질인 리튬과 수소를 사용합니다.
과학자들은 2050년 경이면 핵융합 에너지의 상용화가 가능하다고 내다보고 있습니다.
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