궁극의 에너지원
최근 국제사회의 신흥경제 주체들인 중국, 인도, 브라질, 러시아 등의 폭발적인 경제성장으로 인해 에너지 수급과 공급의 문제가 심각하게 제기되고 있으며, 또한 화석연료의 지속적 사용으로 인한 환경오염 문제로 인류는 심각한 문제에 직면해있다. 이에 따라 세계 각국은 안정적인 석유, 가스에너지를 확보하기 위해 소리 없는 에너지 전쟁을 펼치고 있으며 미래의 대체 가능하며 지속 가능할 새로운 에너지 개발에 박차를 가하고 있다.
현재 인류의 주 에너지원으로 이용되고 있는 석유와 가스는 그 매장량이 한정적이고 지역 편재가 심각하기 때문에 평등한 수준의 에너지 공급이 불가하다. 때문에 새로운 에너지의 대안은 지역편재 없이 전 지역에서 균등분포하고 있으며, 매장량이 풍부한 언제 어디서나 사용가능 한 에너지 원이어야만 한다. 또한 현재까지의 에너지가 야기한 환경오염 문제를 일으키지 않을 청정에너지의 조건 역시 만족시켜야 만 한다.
현재까지 상용화 된 청정에너지원 수력, 풍력, 태양열, 태양광, 조력, 지열 발전이 있으나, 이들 발전 방식 역시 단위면적당 태양광의 비율과 지역의 날씨, 그리고 풍량 등에 대한 기본적 지역 제한성을 가지고 있다. 또한 보다 중요한 점은 이들 에너지 원은 에너지 효율이 높지 않아 주력 에너지 원으로써는 많은 제한이 따른다는 문제점 역시 안고 있다. 원자력 발전 역시 마찬가지의 문제를 안고 있다. 원자력 발전의 원료가 되는 우라늄 광물의 불균등 분포문제와 발전 이후 생성되는 핵폐기물 문제가 환경과 안전이라는 근본적 문제를 해결해 주고 있지 못하기 때문이다.
때문에 에너지 부족 문제와 환경오염 문제를 안고 있는 인류에게 핵융합은 폐기물 없는 무한 에너지원으로써 인류 번영을 지속시킬 하나의 보증 수표의 하나로 두각 되고 있다.
핵분열 반응
원자 핵은 에너지가 큰 입자들과 충돌시키면 핵의 구조를 변화시키는 것이 가능하다. 이 같은 충돌 반응을 핵반응이라 하며, 이 원리를 이용해 입자가속기로 고에너지의 입자를 인위적으로 생성할 수 있었으며 또한 고에너지 입자를 이용해 입자의 새로운 성질을 밝혀 내는데 많이 이용되었다.
간단하게 표적이 되는 표적핵 X와 입자 a가 충돌하여, 핵Y와 입자 b가 되는 반응을 살펴보면
로 나타낼 수 있는데, 이 식의 형태에 다시 아인슈타인의 에너지 등가 공식인 E=mc²를 적용하면 반응에너지를 살펴볼 수 있으며, 이를 통해 반응의 종류와 규모 등을 쉽게 알 수 있다.
핵분열 반응은
과 같은 매우 무거운 핵이 질량이 비슷한 두 개의 입자로 쪼개질 때 일어난다. 이때 반응에서 생성된 입자들의 전체질량은 분열 전의 원래 질량보다 작다. 이 같은 핵분열 과정에서는 무거운 열중성자 한 개를 포획하면서 시작되고 분열당 약 200MeV의 에너지를 방출하게 되는데, 이런 에너지가 방출되는 이유는 작은 분열로 생성된 핵들은 원래의 무거운 핵보다 핵자당 약 1MeV만큼 더 세게 구속되어 있기 때문으로, 결과적으로 질량손질이 발생해 에너지 등가원리에 따라 에너지를 방출한다.
핵분열 과정에서
가 열중성자를 흡수하여 분열하는 것을 다시 한번 살펴보자.
![](https://t1.daumcdn.net/cfile/tistory/192317254CCCEE640A)
여기서
는 X와 Y로 조개지기 전 약
동안만 유지되는 중간 들뜬 상태이고, 생성되는 핵 X와 Y는 분열조각이라 불린다. 실제
의 분열 과정에서는 보통 두 개에 혹은 세 개의 중성자가 생성되는데, 평균적으로 약 2.5개의 중성자가 방출된다. 이 같은 전형적인 반응을 다시 서술하면 다음과 같이 나타내 볼 수 있다.
![](https://t1.daumcdn.net/cfile/tistory/122CFA0E4CCCEE64E8)
우라늄 핵 분열은 물방울에 초과 에너지를 가했을 때 일어나는 것과 비교할 수 있다. 물방울 속의 모든 원자들은 에너지를 갖지만 물방울을 깨뜨리기에는 충분하지 않다. 하지만 충분한 에너지를 가해서 물방울을 진동하게 만들면, 팽창과 수축을 반복하다가 진동의 진폭이 충분히 커지게 되면 물방울은 쪼개지게된다.
우라늄 분열도 이와 유사하다고 볼 수 있는데, 다른 점이 있다면 이 반응의 결과로 두 개의 물방울 이외에 에너지를 갖는 다른 중성자 2.5개가 추가로 방출된다는 점인데, 이 중성자들은 차례로 다른 핵들의 분열을 유도하여 연쇄반응을 일으켜 반응한다. 우리는 이 원리를 이용하여 원자력발전에 이용하고 있지만, 이 반응을 정상적으로 제어하지 않으면 엄청난 에너지를 방출하는 결과를 만들게 된다. 핵폭탄은 이 같은 기본적인 원리를 이용하며 고안되었으며, 계산에 의하면 우라늄 1kg이 방출하는 에너지는 약 2만 톤의 TNT를 폭발시키는 것에 해당한다.
핵융합 반응
핵융합 반응은 핵분열 반응과는 반대로 가벼운 핵들을 결합하여 더 무거운 핵을 얻는 과정에서 일어나는데, 최종 핵의 질량이 반응 전 핵들의 정지 질량의 종합보다 작기 때문에, 질량의 손실이 일어나고 따라서 에너지가 방출된다. 이 반응의 가장 좋은 예가 바로 태양으로 태양에서 발생하는 에너지는 이 같은 핵융합반응에 기인한다.
![](https://t1.daumcdn.net/cfile/tistory/142762284CCCEE6531)
이 과정은 양성자-양성자 순환이라 불리는 기본반응이며 동시에 수소가 풍부한 태양이나 다른 항성들에서 에너지를 생성하는 기본 순환 중 하나이다.
핵융합 반응에서 항성의 에너지원으로 사용되는 엄청난 양의 에너지가 방출된다는 사실에서 우리는 이 에너지를 핵분열 과정처럼 지구상에서 유용한 목적으로 사용할 수 있다는 생각을 할 수 있다. 제어되지 않는 핵융합은 핵분열 과정과 마찬가지의 위험성을 동반되고 있지만 유독 제어되는 핵융합 반응만이 궁극의 에너지 원을 불리는 이유는 간단하다. 그것은 핵융합의 연료인 물이 지구상에 매우 풍부하기 때문이다. 가령, 중수소를 연료로 사용할 경우 약 100원의 비용으로 3L의 물에서 0.12g의 중수소를 추출할 수 있는 경제성과 에너지 효율성 때문이다. 핵융합의 또 다른 장점은 핵분열 반응에 비해 비교적 적은 수의 방사능 부산물이 만들어 진다는 점이다. 위의 태양 내의 핵융합 반응에서 알 수 있듯 수소 핵의 핵융합 반응의 최종 생성물은 방사능이 없는 헬륨임을 알 수 있다.
그러나 불행히도 이 반응은 매우 높은 압력과 밀도를 필요로 하기 때문에 태양에서의 핵융합 반응을 지구에서 재현하는 것은 실질적으로 무리가 따른다. 태양 내부에서는 양성자의 밀도가 극히 높기 때문이다. 때문에 지구상의 핵융합 반응로는 다른 방법이 필요한데 그 중 가장 유망해 보이는 핵융합 반응이 중수소와 삼중수소를 이용한 방법이다.
![](https://t1.daumcdn.net/cfile/tistory/120B02374CCCEE650C)
앞서 언급한 바와 같이, 중수소는 바다에서 저렴한 비용에 거의 무한정으로 구할 수 있다. 그러나 삼중수소는 방사성이며
으로 베타 붕괴하기 때문에 자연적으로 많이 생성되지 않아, 인공적으로 생성되어야 한다.
핵융합 반응을 지구상에서 재현하기 위한 다른 문제점 중 하나는 핵융합 반응이 일어나기 위해선 두 핵들 사이의 쿨룽 반발력을 이겨내야만 한다는 점이다.
두 양성자 사이의 퍼텐셜 에너지는 먼 거리에선 쿨룽 반발력이 우세하지만, 가까운 거리에선 핵력이 더 우세한 인력이 작용하기 때문에 핵융합 반응을 위해선 두 핵들이 쿨룽 반발력을 극복해야만 반응이 일어난다. 에너지 장벽 극복의 근본적 해결 방법은 비교적 간단하다. 연료의 온도를 매우 높은 온도로 가열하여 두 개의 핵에 충분한 에너지를 주어, 이 퍼텐셜 장벽을 극복하는 것이다. 이렇게 높은 온도로 원자들을 가열하면 원자들은 이온화되어 플라즈마 상태를 이루게 되며, 결과적으로 핵융합 반응이 일어난다.
자기장 가둠/토카막
중수소와 삼중수소간의 에너지 장벽을 넘어 융합반응을 일으킬 수 있는 방법은 대략 두 가지 정도로 생각해 볼 수 있다. 하나는 입자의 운동에너지를 에너지 장벽을 넘을 수 있는 수준으로 가속하여 입자간 충돌방식으로 핵융합을 유도하는 방법이 있으며, 다른 하나는 입자의 운동에너지는 온도에 관여 함으로 원자들의 열평형 상태까지 가열한 뒤 에너지 장벽을 넘어 핵융합 반응을 유도하는 방법이다.
여기서 안전성과 지속가능성을 고려하였을 때 후자의 열핵융합 방식이 반응로로써 이용하기 적합한데, 이때 성공적인 동력 반응로를 얻기 위해선 몇 가지 조건이 따른다. 하나는 반응의 온도가 매우 높아야 한다는 점으로 중수소 삼중수소의 핵융합 반응의 경우 4500만도 이상이어야 하며, 다른 하나는 상호작용하는 핵들의 입자간 충돌 비율을 높이기 위해 이온 밀도가 높아야 한다는 점이다. 그리고 가장 중요한 조건으로 이들 반응을 장시간 안정적으로 이끌어 낼 수 있는 용기가 필요하다는 점이다.
태양의 경우 강력한 중력을 이용하여 높은 밀도와 압력을 통해 핵융합반응을 유도할 수 있기 때문에 이 방법은 단지, 태양을 비롯한 항성계에서만 구현 가능하다. 때문에 핵융합 반응 조건인 고온의 플라즈마를 중력이 아닌 지구상에서 구현 가능한 방식으로 가두는 것이 필수적이다. 어떻게 하면 고온의 플라즈마를 가둘 수 있을까? 핵융합과 관련된 수 많은 실험과 기술적 연구를 통해 고안된 방법 중 하나가 자기장 가둠 방식 즉, 토카막이다.
자기장 가둠 방식은 플라즈마가 기본적으로 전하를 띠고 있다는 사실에 착안된 것이다. 만약 자기력선이 있다면 그 자기력선을 따라 전자와 이온들은 나선형의 모습을 띄며 반대 방향으로 움직이게 된다. 이런 전자와 이온들을 가두기 위해서는 도넛 형식의 장치를 만들어 그 안에 자기력선을 장치 내부를 따라 계속 흘려주게 되면 전자와 이온은 계속 장치 안을 돌게 될 것이다. 이렇게 돌면서 가두기 위하여 도넛 모형의 안쪽에 TF 코일을 설치하게 되어 전류를 흘려준다. 하지만 이 코일에 의한 자기장은 장치 내부에서 일정하지 않고 거리에 따라 달라지기 때문에 전자와 이온들이 서로 멀어져 밖으로 빠져나가게 된다. 이를 상쇄하기 위하여 토카막에서는 플라즈마 내부에 전류를 흘려주게 된다.
전류를 흘려주는 방식은 패러데이의 법칙을 이용하는 것으로 도넛 내부에 솔레노이드를 설치하여 자기장의 변화를 주고 이를 통해 플라즈마 내부에 전류를 흘려주게 되는 것이다. 이렇게 전류를 흘려주면 전자와 이온들이 밖으로 빠져나가지 않고 장치 내부에서 머무르게 된다. 이런 초고온 플라즈마를 조절하지 못 한다면 안 되기 때문에 우리가 원하는 모형 그리고 위치를 조절하기 위해 장치 외부에 PF 코일을 설치하여 자기력선의 모양을 만들고 위치를 고정하게 되면 토카막은 구동하게 된다
미국, EU, 러시아, 일본, 한국, 중국, 인도 등 7개국이 참여하여 국제 공동으로 추진되고 있는 토카막 핵융합로인 ITER사업은 지난 반세기에 걸친 핵융합에 대한 위와 같은 기초 연구를 바탕으로 지구에서 핵융합에너지의 실용적 생산이 가능한가를 묻는 과학기술적 실증을 검증하는 목적으로 추진되는 사업이다. 현재 기본 설계는 완성되었고, 건설 부지 확정 이후 조달 품목 및 현금 분담 등을 본격적으로 논의하고 있다. 만일, 이 장치가 정상적으로 작동한다면 인류의 궁극의 에너지원이 될 것이다.
http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%86%A0%EC%B9%B4%EB%A7%89
http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%95%B5%EC%9C%B5%ED%95%A9
http://www.nfri.re.kr/pr/nuclear_01.php?mn=7&sn=3&tab=3
"Physics&High Technology", March 2008
핵융합 시리즈
2. 토카막장치의 필수요소, 플라즈마
3. 초전도 토카막 핵융합로 KSTAR/ITER 4. 핵융합발전의 현재와 미래 그리고 전망 (예정)