수소는 우주에서 가장 많은 원소로 알려져 있습니다. 수소는 여러가지로 우리 주변에서 많이 사용되고 있지만 실제로 생활 속에서 많이 발견하긴 어렵습니다. 그도 그럴 것이 핵융합 발전과 같이 특수한 경우에 사용되는 경우가 그 대표적이기 때문입니다. 이 글에서 이러한 수소에 대해서 알아볼 수 있도록 하겠습니다.
수소의 정의
수소는 주기율표 상에서 가장 첫 번째로 나오는 화학 원소로서 주기율표상 가장 가벼운 물질입니다. 원자번호 1번으로 표준 원자량은 1.008이며 우주에 가장 많이 분포되어 있는 원소입니다. 실온 에서 기체 상태로 존재하며 정확히는 H₂로 존재합니다. 동위원소로 중수소(²H)와 삼중수소(³H)가 알려져 있으며, 이 두 원소는 지구에서 핵융합 발전에 가장 많이 사용되는 원소로 많이 알려져 있습니다.
수소의 화학적 구성은 양성자 하나와 전자 하나만으로 구성되는 간단한 구조 입니다. 수소의 녹는점은 14.01K이며 끓는 점은 20.28K입니다. 상온에서 기체로 존재할 수 밖에 없는 원소 입니다. 주기율표 상에서 가장 바깥쪽 껍질에 전자를 하나 가진 리튬 위에 존재합니다. 알칼리 원소들이 포함되어 있는 1족 원소에 포함되어 있지만, 화학적 성질은 할로젠 원소들과 흡사한 면을 보여주고 있습니다.
특히 수소는 급격히 불에 타는 가연성 원소입니다. 무색 무취의 원소이며 연소 할때도 폭발음과 함께 무색의 불꽃을 내며 연소 됩니다. 수소가 폭발성을 띄는 농도는 공기중에서는 4~74%정도이며, 염소 화합물에서는 5~95%입니다. 자연 발화 온도는 약 500℃ 입니다.
수소는 공기보다 가벼워서 과거 1930년대 까지는 비행선을 띄우는 데 사용 되었지만 힌덴부르크 사건 이후 수소보다 무거운 헬륨을 사용하게 되었습니다. 힌덴부르크 사건은 수소의 폭발성을 보여준 구체적인 사례로서 관련된 영상이 카메라에 생생하게 잡혀서 현재까지도 수소의 폭발성을 알려주는데 관련 사례로 주로 사용되고 있습니다.
수소에너지의 미래
수소는 우리 주변에서 쉽게 구할 수 있거나 쉽게 만들어 낼 수 있습니다. 그만큼 반응성이 좋다고 할 수 있습니다. 수소가 우주의 75%나 분포되어 있다는 것 또한 같은 의미 일 것입니다. 현재 지구는 지구 온난화로 인해 탈탄소를 외치며, 석탄, 석유등 화학연료를 사용하지 않고 재생에너지를 사용하자는 것에 많은 국가들이 주목하고 있습니다. 이 와중에 수소에너지가 모두의 주목을 끌고 있습니다. 특히 발전 분야에서는 실제 수소 연료전지등을 통해 실제로 상용화 되고 있는 부분이 있습니다. 또한 자동차나 운송수단에 있어서는 수소를 원료로 하는 전기차를 사용하여 친환경 에너지를 사용중에 있습니다.
이러한 분야에서 사용되는 수소는 냉각된 수소로서 액화상태의 수소로 유지 됩니다. 이는 기체 상태의 수소보다 훨씬 안전한 상태로서 영하 253℃의 극저온 상태에서 냉각되어 있습니다. 특히 이렇게 액체수소는 기체 수소에 비해 부피가 800분의 1로 줄어들게 되어 운송면에서 유리한 점이 있습니다. 현재의 충전식 전기차에 비해 수소차를 사용하게 된다면 충전을 굉장히 빠르게 할 수 있어서 수소차를 사용하게 되는 경우 충전에 있어서 불편함을 느낄 수 없는 편리한 점이 있습니다.
현재 중수소나 삼중수소 같이 우리 주변의 실생활에서 사용되는 것이 아닌 것을 제외하곤, 일반 대기업에서는 수소에너지를 사용하려고 여러가지 분야에 연구 및 투자를 진행하고 있습니다. 그중에서 가장 가능성이 높은 것은 수소차라고 생각합니다. 현재도 지속적으로 수소충전소가 늘어나고 있는 추세이며, 충전속도의 빠른점이 차세대 전기차에 적용될 기술이라고 생각 됩니다.
중수소와 삼중수소의 활용
이 글에서 자주 언급되는 중수소와 삼중수소에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 중수소와 삼중수소는 기본 수소원소의 동위원소로서 특별한 작업을 거쳐서 추출할 수 있습니다. 중수소는 바닷물을 전기분해하여 얻게 됩니다. 바닷물 1L에 약 0.03g의 중수소가 포함되어 있다고 알려져 있는데 지구의 70%가 바닷물인것을 생각하면 중수소는 거의 무한정 얻을 수 있는 원료라고 생각할 수 있습니다.
삼중수소는 핵융합 발전에서 얻을 수 있습니다. 핵융합로 내에서 리튬과 중성자의 반응을 통해서 얻을 수 있는데, 중수소에 중성자가 하나가 더 추가되면 삼중수소가 되는데 이러한 작업을 핵융합 발전속에서 인위적인 충돌로 만들어 내는 것입니다
이렇게 얻어낸 중수소와 삼중수소는 핵융합 에너지의 연료로 사용됩니다. 핵융합 챔버내에서 수소원소가 핵융합할 때, 발생되는 에너지를 활용하게 됩니다. 수소가 반응성이 좋은 원소이기 때문에 핵융합에서 활용되며 특히 우리가 알고 있는 태양에너지는 이 수소원소의 핵융합반응과 동일한 것입니다. 이러한 이유 때문에 우리는 중수소와 삼중수소를 핵융합에너지를 만드는데 사용하고 있습니다.