핵융합

각 원소 중에서 가장 안정한 동위원소에 대한 핵자(nucleon)당 핵결합 에너지그래프는 다음과 같다. 이 그래프를 살펴보면 핵결합에너지는 비교적 낮은 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{2}_{1}H }@@NAMATH_INLINE@@에서 시작하여 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{56}_{26}Fe }@@NAMATH_INLINE@@에서 최고에 도달하고, 그다음에 서서히 감소하는 특징을 갖는다. 이는 철-56 근처의 중간무게 핵이 안정한 편이고, 이보다 더 가볍거나 무거운 핵이 상대적으로 덜 안정하다는 것을 의미한다. 따라서 매우 무거운 핵은 조각으로 분해되어 중간 무게의 핵으로 변하면서 에너지를 방출하여 안정해지고, 매우 가벼운 핵은 융합하여 에너지를 방출하여 안정해질 수 있다. 무거운 핵이 중간무게의 작은 핵과 하나 혹은 두 개의 중성자로 쪼개지는 과정을 핵분열(nuclear fission)이라 하고, 이와는 달리 작은 핵이 결합하여 큰 핵으로 바뀌는 과정을 핵융합(nuclear fusion)이라 한다. 우주에서 핵융합 반응은 태양과 같은 항성(fixed star)이 스스로 빛을 내는 근원이며, 인위적인 핵융합 반응을 이용하여 에너지를 개발하고자 하는 인공 태양과 수소 폭탄 제조 등에 응용된다.

자연적으로 존재하는 각 원소의 가장 안정한 동위원소에 대한 핵자당 핵결합 에너지()

목차

@@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{235}_{}U }@@NAMATH_INLINE@@가 핵분열을 할 때 막대한 에너지를 방출하는 것과 마찬가지로 수소 동위원소와 같은 매우 가벼운 핵이 융합할 때도 거대한 에너지가 방출된다. 실제로 이러한 수소 핵의 융합 반응으로 헬륨이 형성되는 과정에서 나오는 에너지가 바로 태양을 비롯한 다른 별이 내는 빛이다. 태양에서 일어나는 것으로 생각되는 과정들에는 헬륨-4까지 이르는 다음의 연속 과정이 포함된다.

@@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{1}_{1}H +^{1}_{1}H }@@NAMATH_INLINE@@→ @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{2}_{1}H +^{0}_{1}e }@@NAMATH_INLINE@@

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NASA의 태양 역동학 관측소(Solar Dynamics Observatory)에서 관찰된 핵융합이 일어나고 있는 태양()

핵분열 반응과 달리 핵융합은 이론상 매우 유망한 에너지원이다. 핵융합은 연료로 사용되는 수소 동위원소의 값이 싸고 풍부하며 핵융합 생성물이 비방사성으로 방사성 폐기물을 거의 배출하지 않는 장점을 지닌다. 또한 핵융합 장비를 가동 중단할 때, 장비의 용융 문제 걱정 없이 즉시 중단할 수 있다. 하지만 실제로 제어 가능한 핵융합법을 성취하기 전에 해결해야 할 기술적 문제들이 매우 많다. 기초적인 문제로, 핵융합 반응이 일어날 수 있도록 적절히 높은 온도에서 오랫동안 두 핵을 붙들고 있는 기술이 필요하다. 1억도 이상의 높은 온도에서는 분자가 존재할 수 없고, 거의 모든 원자도 전자를 다 잃은 플라스마(plasma) 상태로 존재한다. 이런 높은 온도의 상태의 물질을 담아 핵융합 반응이 진행되도록 하는 것은 매우 어려운 일이다. 일반적인 고체 용기는 이와 같은 높은 온도를 견딜 수 없고 상대적으로 차가운 고체 표면이 플라스마의 온도를 낮춰 용합 반응이 곧 중단될 것이다. 이를 해결할 수 있는 한 가지 방법이 자기 가둠(magnetic confinement)인데, 빠르게 움직이고 있는 전하 입자로 구성된 플라스마에 자기장을 가해 토카막(Tokamak)이라고 불리는 도넛형 터널 내에 플라스마가 억제된 채 움직이게 하는 방법으로서 플라스마가 용기 벽에 접촉하지 않고 핵융합 반응이 일어나게 된다.

우리나라 핵융합연구소에 설치된 KSTAR 초전도 핵융합연구장치()

핵융합 원자로의 경우 고유한 기술적인 문제들을 해결해야 하지만 열핵 폭탄이라 불리는 수소 폭탄 제조의 경우 통제가 필요한 것이 아니기 때문에 이러한 문제들이 영향을 끼치지 못한다. 수소 폭탄은 수소나 중수소 기체를 포함하지 않고, 아주 단단하게 충전할 수 있는 중수소화 리튬(LiD)으로 되어 있다. 수소 폭탄은 두 단계로 폭발하는데, 먼저 원자 폭탄을 터트려 핵분열 반응이 일어나게 하여 핵융합에 필요한 온도를 얻고 그 다음 핵융합 반응이 일어나게 설계한다. 원자 폭탄이 폭발한 직후, 다음 반응이 일어나면서 거대한 양의 에너지가 방출된다.

@@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{6}_{3}Li +^{2}_{1}H }@@NAMATH_INLINE@@→ @@NAMATH_INLINE@@\ce{ 2^{4}_{2} }@@NAMATH_INLINE@@α

@@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{2}_{1}H +^{2}_{1}H }@@NAMATH_INLINE@@→ @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{3}_{1}H +^{1}_{1}H }@@NAMATH_INLINE@@

1. 레이먼드 창의 일반화학 제10판, 사이플러스, 2010년, 946-949.

2. 일반화학 atoms first 제2판, 자유아카데미, 2014년, 924-925.