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미래에는 핵융합이 대세!

9월 23 업데이트됨

우리 우주의 가장 근본적인 통화는 에너지입니다. 에너지로 우리 집에 불을 켜고 음식을 기르고 컴퓨터에 전력을 공급하죠. 에너지는 화석연료를 태우든 원자를 쪼개든 혹은 태양전지를 때리는 햇빛으로부터든 다양한 방법을 통해 얻을 수 있습니다. 그러나 이 세 가지 방법 모두 문제가 존재합니다. 화석연료는 유해물질을 내놓고, 핵폐기물은 방사성을 띕니다. 그리고 흐린 날을 위해서 햇빛을 저장해두기에 아직 충분한 배터리가 없습니다. 그런데, 태양은 공짜 에너지를 거의 무제한으로 가지고 있는 것처럼 보입니다. 지구상에 이런 태양을 만들 방법은 없을까요? 별을 병에 담아둘 수는 없을까요?


핵융합이란?
핵융합의 모식도

태양은 핵융합으로부터 빛을 냅니다. 대강 설명하자면, 핵융합은 어떤 열핵반응입니다. 무슨 뜻인가 하면, 재료를 아주 뜨겁게 해주었을 때 전자가 원자로부터 떨어져 나와서 플라즈마를 형성하며 원자핵과 전자가 이리저리 튕겨다닌다는 말입니다. 원자핵은 (+)로 대전되어 있어서 서로 밀어내는데, 이 반발을 이겨내려면 입자들이 매우 빨라야 합니다. 여기에서 아주 빠르다는 말은 아주 뜨겁다는 의미를 갖습니다. 수백만도가 넘어야 하죠. 별들은 이 온도를 얻기 위해 조그만 속임수를 씁니다. 별은 질량이 너무 커서, 핵에 가해지는 압력이 원자핵끼리 들러붙게 할 만큼 큰 열을 만들어냅니다. 합해져서 융합할 때까지요. 그러면 더 무거운 원자핵이 만들어지면서 그 과정에서 에너지를 내놓습니다. 과학자들은 이때 나오는 이 에너지를 이용하고 싶어합니다. 신세대 발전소에 말이죠. 이것이 바로 핵융합 반응로입니다. 지구상에서는 이렇게 힘에 의존한 방법으로는 핵융합을 실현할 수 없습니다. 그래서 핵융합으로부터 에너지를 생산해내는 반응로를 만들기 위해서는 똑똑해져야 합니다. 현재까지 과학자들은 핵융합을 일으킬 만큼 뜨거운 플라즈마를 만드는 방법을 두 가지 개발했습니다.


핵융합의 두 가지 방법

하나는 자기장을 이용하는 타입의 반응으로써 도넛 모양의 챔버에서 플라즈마를 쥐어짜서 반응을 일으킵니다. 이런 자기밀폐형 반응로로는 프랑스의 ITER이 있는데 초전도체 전자석에 액체 헬륨을 사용해서 절대영도 부근까지 냉각시킵니다. 즉, 우리 우주에서 가장 큰 온도 차이를 만들어낸다는 뜻입니다.

절대영도에 근접한 온도를 만들어내는 프랑스의 ITER

두 번째로는 관성밀폐형이라고 불리는 반응로가 있는데 대출력 레이저 펄스를 이용해서 연료 펠릿의 표면을 가열하면 연료가 붕괴해서 금세 연료가 핵융합을 일으킬 만큼 뜨겁고 조밀하게 만듭니다.


장밋빛 꿈

사실 세계에서 가장 강력한 레이저는 미국의 국립 점화연구소 NIF에 있으며 핵융합 실험에 쓰이고 있습니다. 여기에서, 혹은 세계 다른 곳에서 이루어지는 비슷한 실험들은 아직까지 그저 실험에 불과합니다. 과학자들은 아직 기술 개발단계에 있으며 핵융합반응을 일으킨다고 해도 아직까지는 핵융합이 만들어내는 에너지보다 실험에 투입되는 에너지가 더 큽니다. 핵융합 기술은 아직 상업적으로 자립하기엔 갈 길이 멉니다. 아마 영영 안 될지도 모르고요. 어쩌면 지구상에서 동작하는 반응로를 만드는 것조차 불가능할지 모릅니다. 그러나 만약 거기까지 갈 수만 있다. 단 한잔의 바닷물로부터 기름 한 배럴을 태우는 것과 동등한 에너지를 효율적으로 만들 수 있으며 폐기물도 안 생길 겁니다. 왜냐하면, 핵융합 반응로는 수소나 헬륨을 연료로 하는데 바닷물에는 이런 수소가 가득 차 있기 때문입니다.


수소에도 급이 있다!

그러나 수소라고 해서 다 쓸 수 있는 건 아닙니다. 우리가 원하는 반응을 이끌어내기 위해서는 중수소나 삼중수소처럼 중성자를 몇 개 더 가진 특별한 동위원소가 필요합니다. 중수소는 안정적이며 바닷물에 풍부하게 들어있습니다. 그러나 삼중수소는 좀 까다롭습니다. 삼중수소는 방사성 물질이며 지구에 고작 20kg 밖에 없습니다. 그나마도 대부분 핵탄두에 들어있죠. 그래서 말도 안되게 비쌉니다.

수소의 동위원소, 중수소와 삼중수소

그래서 삼중수소 대신 중수소와 융합시킬 다른 물질이 필요합니다. 헬륨의 동위원소 He-3이 이 역할을 훌륭하게 대신할 수 있습니다. 안타깝지만 He-3도 지구에 아주 적은 양밖에 없습니다. 그러나, 달에 답이 있을지도 모릅니다. 수십억 년의 세월 동안 태양풍에 의해서 달에는 엄청난 양의 He-3이 쌓여 있을지도 모릅니다. 우리는 헬륨-3을 만들어내는 대신 채굴할 수 있죠. 달의 먼지에서 헬륨을 걸러낼 수 있다면 수천년 동안 전 세계에 에너지를 공급할 만큼 충분한 연료를 얻을 수 있을 겁니다.


핵융합은 안전한가?

미니 태양을 만들어내는 것은 좀 위험하다고 생각할지도 모릅니다. 그러나 사실 핵융합 반응로는 다른 어떤 발전소보다도 훨씬 안전할 겁니다. 핵융합 반응로는 노심용융이라는 재앙을 일으킬 수도 있는 원자력 발전소와는 다릅니다. 밀폐 과정에 실패한다면 플라즈마는 그냥 팽창해서 식어버리고 반응은 멈춥니다. 간단히 말해서, 핵융합은 폭탄이 아닙니다. 삼중수소 같은 방사성 연료가 누출되면 환경에 위협을 미칠 수도 있습니다. 삼중수소는 산소와 결합해 방사성 물을 만들어내고 이 물이 환경에 스며들어 위험해질 수도 있지만, 다행히도 한 번에 사용되는 삼중수소는 수 그램에 불과합니다. 따라서 누출이 일어나도 금방 희석될 겁니다. 지금까지 말씀드린 바로는 환경에 아무런 영향도 주지 않으면서도 거의 무한정의 에너지를 물 같은 단순한 것으로부터 얻을 수 있다고 했는데요 그러면 발목을 잡고있는 것은 무엇일까요? 바로 비용입니다.


돈과 생존이 걸린 도박

우리는 핵융합이 상업적으로 자립 가능할지 아직 모릅니다. 만약 가능하다고 해도 짓기가 너무 비쌀 수도 있습니다. 이 기술의 가장 큰 결점은 아직 증명되지 않았다는 점입니다. 이 문제는 10억 달러짜리 도박과도 같습니다. 이 돈은 이미 입증된 다른 청정에너지에 투자하는 것이 더 나을 수도 있습니다. 빠르게 포기할 수도 있지만, 혹시 모두를 위한 깨끗한 에너지를 무제한 얻을 수 있다면 위험을 감수할 만한 가치가 있을지도 모릅니다.


<참고자료>

[1] https://interestingengineering.com/how-exactly-does-nuclear-power-work

[2]https://www.sandiegouniontribune.com/business/energy-green/story/2019-11-12/creating-a-star-on-earth-nuclear-fusion-program-at-general-atomics-gets-5-year-extension

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion


<이미지>

[1] https://www.bbc.com/news/business-46219656

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Inertial_confinement_fusion

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/ITER

[4]https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Introductory_Chemistry/Book%3A_Introductory_Chemistry_(CK-12)/04%3A_Atomic_Structure/4.17%3A_Isotopes


Chemi 학생기자 박준혁

2019년 겨울호

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핵화학, 화학과 에너지

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