태양의 핵융합 반응

태양의 핵융합 반응

 

우리가 사는 지구는 무한한 에너지를 쏟아내는 항성인 '태양'의 은혜를 약 46억 년에 걸쳐 받아왔습니다. 그럼 이 태양은 왜 계속 빛나고 왜 다 타 버리지 않는 것일까요? 그 답이 태양 내부에서 일어나고 있는 '핵융합 반응'입니다.

 

1) 핵융합반응이란

간단히 설명하자면 수소와 같은 가벼운 원자가 또 하나의 수소 원자와 부딪혀 하나의 좀 더 무거운 원자가 생기는 반응을 핵융합 반응이라고 합니다. 또한 이때 하나가 된 원자는 극히 적은 질량을 잃는 대신 매우 큰 에너지를 만들어냅니다. 여기서 가벼운 원소의 예로 수소를 들었지만 사실 수소는 한 종류뿐만이 아닙니다. 무슨 말을 하냐면 수소에는 원자핵 중에 중성자라고 불리는 핵자가 없는 것과 1개 포함하는 것과 2개 포함하는 것이 존재하고, 극히 일반적으로 수소라고 불리는 것은 중성자를 포함하지 않는 양성자 1개의 경수소라고 불리는 것입니다. 그러나 핵융합 반응, 특히 지상에서 일으킬 경우에는 경수소를 연료로도 사용하는 것보다 중성자를 1개 포함한 중수소(D:듀트리움)와 2개 포함하는 삼중수소(T:트리튬)라고 불리는 수소의 동료들이 더 좋습니다. 산소가 없는 우주공간에서 태양이 불타는 이유도 이 원리에 따른 것입니다. 현재 지구에는 다양한 에너지가 있습니다. 그것들에 비해 태양 에너지의 우수한 점은 우선 첫째, 지구 환경에 미치는 영향이 거의 없다는 것입니다(단, 태양전지 등의 제작 시의 영향은 고려하고 있지 않다).

 

2) 핵융합이 지금 필요한 이유

과학기술의 진보와 함께 인류는 매우 쾌적한 생활을 손에 넣었지만, 그 이면에서 상처받고 있던 것이 지구인 것입니다. 20세기 인류는 그 일을 진지하게 마주하지 않고 활동을 계속하고 있었기 때문에 환경 파괴로 인해 지구는 그 어느 때보다 위험에 처해 있습니다. 이 문제를 피해서 지구의 미래는 말할 수 없습니다.  또, 전 세계에서의 에너지 소비량이라는 것은 해마다 많아지고 있습니다.만약 이대로 인류가 에너지원을 석유나 석탄 등 화석연료에 계속 의존하면 대기오염이나 지구온난화 현상의 진행이, 또 원자력 발전에서는 폐기물에 의한 방사능 오염이 우려됩니다. 그래서 핵융합의 차례입니다.이것은 연료가 되는 수소는 바닷속에 가득하고, 적어도 앞으로 수천 년은 괜찮습니다. 사용이 끝난 폐기물도 적은 것이 핵융합로의 특징입니다.

3) 어떻게 하면 핵융합을 일으킬 수 있을까?

원자핵끼리 부딪혀 융합반응을 일으키게 하는 것은 사실 쉬운 일이 아닙니다. 왜냐하면 원자핵은 플러스(정)의 전하를 가지고 있기 때문에, 단지 가까이 다가간 것만으로는 서로 반발하기 때문에 좀처럼 충돌해 주지 않습니다. 이 반발하는 힘을 이겨내고 서로 부딪치기 위해서는 원자핵에 빠른 속도를 주어야 합니다. 그러기 위해서는 높은 온도가 필요하게 됩니다. 핵융합에서는 최소한 1억 도의 고온이 필요합니다. 이러한 초고온에서는 모든 물질은 플라스마라고 하는 상태로 되어 있습니다. 플라스마에 대해서는 나중에 언급하겠습니다.  이외에도 효율적으로 에너지를 발생시키기 위해서는 온도 이외에 다음과 같은 두 가지 큰 포인트가 있습니다.

 

Ⅰ. 밀도를 높인다.

원자를 많이 넣어두면 그만큼 충돌할 확률은 올라가기 때문에 핵융합 반응은 일어나거나 움츠러집니다.

 

Ⅱ. 가둬두는 시간을 길게 한다.

원자를 오랜 시간 함께 가둬두면 그만큼 충돌을 일으킬 확률이 높아집니다.

 

위의 조건을 정리하면 원자들을 고온 고밀도 플라스마로 만든 유한 영역에서 반응을 일으키게 하면 반응이 많이 일어나 더 많은 에너지를 얻을 수 있습니다. 태양의 중심핵에서는 수소를 헬륨으로 변환하는 핵융합 반응이 이루어지고 있습니다. 구체적으로는 수소 원자 4개가 합쳐져서 헬륨 원자로 바뀌고 있습니다.