핵융합 에너지

[김두천]

■ 서언

 1973년 세계1차 에너지파동이 왔을 때 에너지분야 과학자들은 2000년에 이르면 핵융합기술이 완성 되어 에너지문제는 해결될 것으로 전망했습니다(바다물에 있는 풍부한 중수소 이용).

 그러나 아직도 이 기술은 완성되지 못해, ITER(국제공동 핵융합 실험)를  만들어 전세계가 공동으로 연구하고 있는데, 최근에 기업들이 이 기술개발에 관심을 보이고 있어, 2030년대에는 핵융합발전이 가능하리라는 전망이다.

  핵융합 기술은 원자에서 전자를 떼어 내어 핵끼리 충돌할 수 있도록 '플라스마(Plasma)로 만들어 , 자기장으로 플라스마를 회전시켜 가둬두고, 1억 ℃ 이상의 온도를 계속 유지하면서 핵을 충돌 시켜 이 때 발생한 에니지로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 기술이다.

 현재 플라스마를 가둬두는 기술도 완성되지 못했고,  1억 ℃ 이상의 온도를 지속적으로 유지하는 기술도 그렇다(최근에 한국 핵융합연구소에서 1억 ℃  온도를 100초 동안 유지시켜 주목을 받고 있다).

◆   수소 핵융합 반응

수소 핵융합 반응은 태양 같은 별의 중심부에서 수소 원자핵이 헬륨 원자핵으로 융합하며 에너지를 방출하는 과정입니다. 이 과정에서 반응 전후 질량이 미세하게 줄어드는 질량결손이 생기고, 그 차이가 E=Δmc2 에 따라 에너지로 전환됩니다.

 별 내부에서는 이 에너지가 열로 전달된 뒤 표면에서 빛으로 방출됩니다.

E=Δmc2

 여기서,

     Δm : 핵융합에 따른 질량손실(kg)

   C : 빛의 속도( c=299,792,458m/s)

   c2 : C의 제곱

   E : kJ(킬로 쥬울)

대표적인 핵융합 반응(3가지 중 하나)는 다음과 같디.

1H2    +   1H3 ⟶  2H4(3.5 MeV) +  n(14.1 MeV )

중수소    3중수소   헬리움

  1 eV=1.602176634×10−19 J

◆  핵융합 반응 기술

 핵융합이 일어나려면 연료(주로 수소 동위원소)를 초고온 플라즈마로 만들어 원자핵들이 충분히 충돌할 수 있는 환경이 필요합니다. 검색 결과 기준으로, 수소(특히 D-T) 핵융합을 위해서는 대략 1억℃ 이상의 온도가 필요하다고 정리됩니다.

플라즈마 : 원자는 핵, 중성자, 전자로 구성되어 있는데,  전자를 떼어내고 핵만 남은 상태

<참고 자료>

   (1) Wikipedia

   (2) 나무위키

  (3) 동영상 : 15분민에 정리하는 핵융합 에너지  <강추>

● 온도는 어디까지 내려가고, 올라 가는가?

▼ 내려가기 : 에너지가 영(零)이 되는 온도 즉 켈빈온도(K) K=0이 되는 –273.15 ℃
▲ 올라가기 : 프랑크(Planck)온도 1 420·10³⁰ ℃ (1 420 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 ℃ )

* 프랑크(Planck)온도: 우주 탄생의 온도

* 참고 : 핵융합온도 : 1억 ℃ = 100 000 000 ℃