핵융합

원리

핵융합의 초기 모델은 불행히도 전쟁을 위해 개발되었다. 1950년대초 미국 연구자들은 수소의 동위원소인 중수소(D)와 삼중수소(T)의 혼합물 속에서 핵융합 반응을 유발함으로써 수소폭탄을 만들었는데, 이 반응은 원자폭탄의 핵분열 반응에서 생성된 대단히 높은 온도로 점화되었다. 이후 과학자들은 제어된 핵융합의 실용적 방법을 고안하기 위해 노력했는데, 이는 중수소와 삼중수소의 원자핵이 폭발하는 원자폭탄의 제어할 수 없는 열에 의해서가 아니라 제어된 고온하에서 결합해 헬륨 원자핵을 형성하도록 하는 것이다.

제어된 핵융합은 전력생산을 위한 비교적 값싼 대체 에너지원을 제공하며, 따라서 급속히 줄어드는 세계의 화석연료(석유, 천연 가스, 석탄)를 보존하는 데 도움을 준다. 또한 핵융합은 또다른 종류의 에너지 생성 핵 반응인 핵분열보다 편리하다. 핵분열은 동위원소인 우라늄-235(²³⁵U) 같은 무거운 원자핵이 중성자를 흡수한 결과 불안정해져서 2개의 가벼운 원자핵으로 쪼개질 때 일어난다.

융합 동력 체계의 주요연료인 중수소는 보통의 물에서 추출할 수 있기 때문에 핵분열 반응에 필요한 어떤 물질보다도 훨씬 더 풍부하고 값이 싸다(30ℓ의 물은 약 1g의 중수소를 함유하고 있는데, 이것은 약 9,500ℓ의 가솔린이 가진 에너지의 양과 같음). 그러나 많은 전문가는 여러 가지 기술적 어려움 때문에 제어된 핵융합은 당분간 실현되지 않을 것이라고 생각한다.

핵융합로

핵융합 반응은 2개의 원자핵이 서로 10^-13㎝ 정도의 거리 내로 서로 가까이 접근할 때만 일어날 수 있다. 이 짧은 거리에서는 핵인력이 두 핵에 양전하가 존재하기 때문에 생겨나는 정전기 반발력을 극복하는 것이 가능하다. 반발력은 핵을 떨어져 있게 하는 데 매우 효과적이기 때문에, 제어된 핵융합에 유용한 반응은 대체로 가장 낮은 가능한 전하를 띤 원자핵인 중수소와 삼중수소에 한정된다. 현대에 개발된 핵융합로는 모두 중수소와 삼중수소를 원료로 이용한다.

제어된 발열반응은 중수소-삼중수소 혼합물의 플라스마(구속되지 않은 전자와 양으로 하전된 같은 수의 핵으로 이루어진 기체)를 수백만K(켈빈)으로 가열하여 일으킬 수 있다. 이러한 고온은 열핵 반응을 유발할 뿐만 아니라 지속시켜 전력생산에 충분한 에너지를 만들어낼 수 있을 것이다. 그러나 뜨거운 기체는 팽창해 닫힌 구조물로부터 빠져나가기 때문에 스스로 지속하는 핵융합반응을 일으키기 위해 필요한 고온에서 플라스마를 제어하기는 대단히 어렵다는 것이 드러났다.

이 문제를 극복할 방법을 개발하기 위한 노력으로 여러 나라에서 대규모 핵융합로 실험이 행해졌으며 미국, 일본, 유럽, 중국에서 핵융합로를 통한 플라스마 연구를 지속하고 있다. 미국과 일본은 1999년에 플라스마 온도를 1억 도로 올리는 데 성공했으며, 이후 유럽에서 유지시간 7초를 기록했고, 2018년 중국 중형 초전도 토카막(EAST)에서 10초를 기록했다. → 핵융합로

한국

한국에서는 1995년 핵융합로의 건설을 시작하여 2007년 완공한 한국형 초전도핵융합연구장치(KSTAR)를 통해 핵융합 반응을 연구해왔다. 2008년 플라스마 실험을 시작하여, 2018년 1.5초 동안 1억 도의 플라스마 유지에 성공했고, 2020년 10월 1억 도 이상의 초고온 플라스마 환경을 20초동안 유지하는데 세계 최초로 성공했다.