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핵융합(核融合)
글쓴이 : 이형철 날짜 : 2007-01-05 (금) 22:22 조회 : 5105
가벼운 원자핵이 융합하여 보다 무거운 원자핵이 되는 과정에서 에너지를 창출해내는 방법. 핵융합에는 막대한 열이 발생하는데, 이것은 아인슈타인의 질량과 에너지의 등가성(等價性)의 원리(E=mc2)에 의해 정확히 계산된다. 이 핵연료는 무한하며, 방사성 낙진도 생기지 않고 유해한 방사능도 적다. 이와 같은 핵융합에는 1억 ℃ 이상의 높은 온도가 필요한데, 태양과 같은 별은 그 빛에너지가 핵융합에서 생긴다. 이 과정을 이용하여 수소폭탄이 만들어졌다. 【플라스마와 핵융합】 핵융합은 플라스마 상태에서 이루어지는데, 플라스마란 아주 높은 온도에서 전자와 핵이 분리된 채 고루 섞여 분포된 상태를 가리킨다. 고온 플라스마를 만들고 자기거울과 덫으로 이 플라스마를 가둘 수 있을 때 핵융합이 이룩되며 이 반응을 가눌 수 있게 된다. 핵융합의 예로 수소핵의 융합을 예로 들면 수소핵의 원자량은 1.0797인데 이들 넷이 핵융합하여 헬륨 전자핵(원자량 4.0026)이 되면 질량 중 0.896이 에너지로 바뀌게 되며, 수소 1g당 1억 6000만 kcal의 열량이 발생하게 된다. 수소핵은 양전기를 띠고 있으며, 양전자끼리는 서로 반발하므로 이 힘을 이기고 핵력이 작용하는 근거리까지 두 수소핵이 다가갈 수 있도록 하려면 가속시켜야 한다. 따라서 고온이 필요하다. 그런데 여기에 필요한 온도가 1억 ℃나 되니 어떠한 재료를 쓴다 하여도 견딜 수가 없다. 견딜 수 있는 유일한 방법은 전자기력을 이용해서 전기를 띤 입자를 가두어서, 예컨대 1초 이상 가둘 수만 있다면 핵융합반응을 일어나게 할 수 있다. 수소핵에는 동위원소가 둘, 즉 중수소(D=2H)와 삼중수소(T=3H)가 있으며, 이들의 혼합 플라스마가 주로 핵융합의 연료로 쓰인다. 가속된 플라스마에서는 방사 에너지 손실도 크므로 핵융합 상태를 유지하려면 계속 고온을 유지해야 한다. 순수한 중수소의 경우는 2억 ℃, 중수소와 삼중수소가 섞인 경우에는 약 4000만 ℃가 필요하다. 【핵융합 장치】 고온으로 플라스마를 유지하는 데 쓰이는 방법은 자기력을 이용하는 방법이다. 같은 방향으로 전류가 흐르는 두 도선 사이에는 인력이 작용하며, 놓아 두면 두 도선이 다가간다. 마찬가지로 원통 그릇 안에서 양단의 고압 전극 사이에 플라스마를 만들었다면 전류가 흐르게 되면서 위와 같은 원리로 서로 당겨서 가운데로 쏠리게 된다. 그러나 이런 경우에 양단에서 열손실이 크고, 플라스마 흐름 모양이 구부러지며 불안정하다. 도넛 모양으로 만들면 불안정 문제는 해결되나, 전극의 열손실은 여전하다. 이 밖에도 자기장의 모양 ·방법을 여러 가지로 결합한 장치가 있으며, 제다 장치, 토카막 장치, 스텔러레이터 장치 등이 있다. 핵융합을 일으키는 다른 방법으로는 중력으로 가두는 방법이다. 이 방법에서는 중수소와 삼중수소가 들어 있는 작은 알맹이를 여러 각도에서 강한 레이저 광선으로 조사(照射)한다. 고온으로 인하여 폭발 직전 상태가 되면 안쪽으로 폭발시켜 핵융합 조건을 갖추도록 한다. 이에 준하는 또 한 가지 방법은 광선 대신 전자빔을 이용하는 방법이다. 이 중력식 핵융합 장치에서는 고체 연료의 밀도에 1,000배 이상으로 고압이 걸리면서 가열되므로 핵융합으로 연료가 타는 시간이 아주 빨라지면서 폭발적이지만 관성 때문에 폭발에 앞서 다 탄다는 것이다. 중력식 장치의 단점은 값싼 연료 알맹이를 자주 갈아야 하며, 계속 레이저 광선이나 전자빔을 조사하여 폭발시켜야 하는 번거로움이 있다. 레이저는 동작은 간편하나 비싸고 불안정하기 때문에 전자빔을 쓰는 중력식 핵융합 장치가 연구되고 있다. 핵융합로의 모델 가운데 토카막 장치는 1960년대 소련의 쿠르차토프연구소에서 처음으로 개발된 것이다. 그 뒤, 1991년 유럽연합(EU)은 ‘JET’라는 토카막 장치를 만들어 최초로 1.7 MW의 전력을 얻는 데 성공하였다. 일본의 ‘JT60’, 미국의 ‘TFTR’ 등도 이와 같은 수준의 성과를 올렸다. 한국에서도 소형 토카막 운영을 통해 핵융합 기초연구와 인력양성이 1990년대 후반 들어 활발하게 진행되고 있는데, 1980년 서울대학에서 ‘SNUT-79’를 비롯하여 원자력연구소의 ‘KT-1토카막’, 기초과학연구소의 ‘한빛’ 등의 토카막 장치가 있다. 【동력원으로서의 이점】 핵융합은 핵분열에 비하여 다음과 같은 이점이 있다. ① 원료가 풍부하고, 지구상의 분포율이 평등하다. ② 이산화탄소를 배출하지 않아 환경오염과 지구온난화문제를 야기하지 않는다. ③ 유해한 방사능이 적다. ④ 사고시의 위험성이 적다. ⑤ 연료가 비싸지 않다. 중요한 융합 원료인 중수소의 가격이 같은 열량을 주는 석탄가격에 비하여 월등하게 낮다. ⑥ 핵융합에 쓰이는 중수소와 삼중수소는 보통의 바닷물에도 무한정 들어 있어 고갈의 위험이 전혀 없다.

   

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