핵융합 에너지란 말 그대로 핵끼리 융합 되면서 생성되는 에너지를 의미한다. 가벼운 원자핵들이 융합하게 되어 무거운 원자핵으로 바뀌게 되는데 이 과정에서 줄어든 질량이 에너지로 변환되며 이 에너지는 우리의 생각보다 거대한 에너지 양을 가지고 있다. 우리는 이를 핵융합 에너지라고 부른다. 이 글에서 핵융합 에너지의 생성 조건과 특징에 대해서 알아보도록 하자.
핵융합이란?
핵융합이란 가벼운 원자핵들이 융합되어 무거운 원자로 변환되는 것을 의미한다. 이와 반대되는 의미로는 핵 분열이 있는데 핵분열은 원자핵이 한 개의 원자핵이 쪼개 지면서 가벼운 원자핵으로 나뉘어 지는 것을 의미한다. 원자핵은 내부의 양성자로 인해 양전하를 띄며 두 개의 같은 원자핵끼리는 척력에 의해 서로 밀어내려고 한다. 하지만 원자핵을 초고온으로 가열하여 원자핵의 운동에너지를 높이면 이 척력을 이겨내고 두개의 원자핵이 충돌하게 된다. 그 이후에는 강한 인력이 작용하면서 하나의 원자핵으로 결합되어 있게 된다.
기본적으로 널리 알려져 있는 핵융합의 필요한 온도 조건은 1억도이다. 이는 가장 가벼운 원소인 수소원자핵까리 핵융합을 할때 필요로 하는 온도의 조건이다. 수소보다 가벼운 원자핵들은 핵융합을 위하여 더 높은 온도를 요구한다.모든 원소들이 에너지를 방출하는 것은 아니고 지구의 원소들 중 철의 원자핵을 기준으로 핵융합 에너지를 구분할 수 있다. 철은 모든 원자핵 가운데서 가장 높은 결합 에너지를 가지고 가장 안정적으로 결합되어 있다. 철을 기준으로 철보다 가벼운 원자핵들은 핵융합을 하게 되면 에너지를 방출한다. 철보다 무거운 원자핵들은 핵융합을 하게 되면 주변으로 부터 에너지를 흡수한다. 따라서 우리가 보통 말하는 핵융합이라하면 수소(정확히는 중수소와 삼중수소)를 기준으로 하여 최대한 많은 에너지를 얻는 것을 전제로 얘기한다. 이 글에서도 말하는 핵융합은 수소를 기준으로 작성되어 있다.
핵융합의 필요조건
그렇다면 우리가 핵융합 에너지를 얻기 위한 필요 조건은 무엇이 있을지 알아보자. 자연적으로 발생하는 태양에너지를 제외하고 지구에서 인위적으로 핵융합을 하기 위해선 조건 들이 필요한데 다음과 같다. 연료, 환경 조건, 운영 장치 이렇게 총 세 가지가 필요하다. 핵 융합 발전의 연료는 중수소와 삼중 수소를 사용하는데 이것을 꾸준히 제공하여야 한다. 현재는 바닷물을 전기 분해하여 중수소를 추출해 낼 수 있다. 그리고 삼중수소는 핵융합로 내에서 리튬과 중성자를 반응 시켜 만들어 낸다. 바닷물의 양과 리튬의 양이 지구에 풍부하기 때문에 연료의 공급이 거의 무한하다고 볼 수 있다.
1억도가 넘는 플라즈마 환경이 필요하다. 양전하를 띈 원자핵들의 척력을 이겨 낼 만한 에너지를 주기 위해선 플라즈마 환경이 필요하다. 마지막으로 이 두개의 조건을 꾸준히 유지 시켜주고 핵 융합을 안정적으로 만들어줄 수 있는 핵 융합장치가 필요하다. 핵 융합장치의 역할은 인공적으로 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 하며, 핵 융합을 하는 동안 꾸준히 이 초 고온의 플라즈마를 가둬 둘 수 있는 내구성이 튼튼한 용기이다. 현재 상용화에 거의 가까운 기술은 토카막 장치이며, 현재 작동 중이거나 새로 만드는 핵 융합 시설은 대부분 이 토카막 장치로 구성되어 있다고 볼 수 있다.
이렇게 기본적인 구성 세가지를 제외하고 완벽한 환경을 구성하기 위해 여러가지 모듈들이 돌아가게 된다. 기본적으로 토카막 용기는 진공상태를 유지하여 플라즈마에 가까운 환경을 만들어야 하며 내부에 전압을 인가하여 자기장을 형성 시키며 초고온 상태를 만들어준다. 그렇게 만들어진 플라즈마는 챔버에 인위적으로 만들어낸 자기장을 따라서 일종의 도넛형태 모양으로 유지된다. 우리는 이것을 인공태양이라고도 부른다.
태양 에너지는 핵융합?
태양에너지는 태양으로부터 방출되는 광과 열의 형태로 지구로 도달하는 에너지를 말한다. 이 에너지를 사용하여 태양광 발전 등을 활용하면 전기로 변환 시킬 수 있다. 이러한 태양에너지는 우리가 가장 잘 아는 핵융합 반응을 일으켜서 발생된 에너지이다.
태양은 일종의 거대한 플라즈마 덩어리로서 태양에너지의 발생은 그 안에서 일어나는 수소 원자핵들의 핵융합 반응으로 일어난다. 태양에너지의 발생은 태양의 중심의 아주 높은 고온 1500만도와 압력들이 수소 원자핵들을 강제로 반응 시켜 핵융합 반응을 일으키게 하기 때문이다. 이 과정에서 큰 에너지가 방출되고 그 에너지가 지구까지 도달하게 되는 것이다. 조금 더 자세히 핵융합 반응을 풀어 쓰자면, 태양에서는 4개의 수소원자에서 1개의 헬륨원자가 생성되는 핵융합이 이루어지고, 그 에너지를 수치로 환산한다면 초당 4000J(3.84 x 1026J)의 에너지를 뿜어 낸다고 볼 수 있다. 이는 초당 수소폭탄 약 2천억개의 위력이라고 할 수 있다.
이러한 태양에너지에 관한 전문가들은 태양의 수명이 적어도 50억년 가까이는 지속 될 것이라고 보고 있다. 우리가 실제 태양에너지에서 받아서 재 사용 되고 있는 에너지는 자연속에서 사용되는 태양 복사 에너지를 제외하면 태양광 에너지 뿐이다. 우리는 이 무한한 에너지를 어떻게 효율적으로 사용할 지 계속 연구하고 발전시켜 나가야 할 것이다. 최근 100년 사이에 인류가 이뤄낸 업적들을 생각했을 때 근 시일 내에 인류에 무한한 에너지를 사용할 수 있는 기술이 개발될 수도 있다고 생각한다.