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201910.10

이란성 쌍둥이 같은 두 개의 ‘핵에너지’ 어떻게 다를까?

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/1000

 

 

한날 한시에 한배에서 태어났지만, 전혀 다른 모습을 지닌 쌍둥이가 있지요. 보통 쌍둥이하면 떠오르는 똑 닮은 외모의 일란성 쌍둥이와 달리 외모뿐 아니라 성격, 성별까지 다르게 태어나는 이란성 쌍둥이입니다. 과학계에도 이처럼 탄생은 비슷하지만 많은 부분이 다른 두 가지 ‘핵에너지’가 있습니다. 바로 일반적으로 원자력 에너지로 알려져 있는 ‘핵분열에너지’ 와 태양에너지의 원리이기도 한 ‘핵융합에너지’입니다. ‘원자핵’이라는 한 어머니로부터 탄생한 이란성 쌍둥이인 것이지요. 그럼 같은 듯 전혀 다른 특성을 지닌 이 두 에너지에 대해 알아보겠습니다.

 

 

|아인슈타인의 ‘E=mc²’, 인류의 ‘핵’시대 열다

 

핵분열과 핵융합의 뿌리는 그 유명한 1905년 발표된 아인슈타인의 특수상대성이론의 질량-에너지 등가원리인 ‘E=mc²’ 에 두고 있습니다. 에너지(E)는 질량(m) 곱하기 빛의 속도(c)의 제곱으로, 이는 아주 작은 질량도 빛의 속도로 가속시키면 엄청난 크기의 에너지가 된다는 것입니다. 이 공식은 원자핵 반응에서 발생하는 질량의 차이가 곧 에너지로 바뀔 수 있음을 의미합니다. 그것을 처음 알아냈던 사람은 최초의 원자로를 개발한 이탈리아의 물리학자 엔리코 페르미였습니다.

 

엔리코 페르미는 우라늄에 중성자를 쏘는 실험에서 새로운 원소가 만들어졌다는 것을 알게 되었지만, 당시에는 이것이 핵분열이라는 것은 몰랐습니다. 1938년 독일과 오스트리아의 과학자 네 명이 페르미가 한 것이 실제로는 우라늄 원자핵을 대략 두 개로 쪼갠 것이라는 사실을 밝혀냈고, 이후 1942년 페르미는 미국 시카고대학교에서 공동연구자들과 함께 최초로 제어된 스스로 지속하는 핵분열 반응을 만들어내는데 성공했습니다.

 

  

엔리코 페르미 Enrico Fermi (좌)  한스 베테 Hans Bethe (우)

 

핵융합 역시 아인슈타인의 질량-에너지 등가 법칙에서 시작되었습니다. 앳킨슨(Atkinson)과 회터만(Houtermans)은 가벼운 원자핵들의 질량 차이를 적용하여 계산해 본 결과 엄청난 에너지가 발생하며 이것이 태양과 별의 에너지원일 것이라고 주장하였습니다. 이후 1939년 미국의 천문물리학자 한스 베테(Bethe)는 각 핵반응의 반응 확률을 예측하였으며 이로부터 별이 핵융합에서 에너지를 얻는 과정을 자세하게 규명할 수 있었습니다. 이후 1957년 영국의 핵물리학자인 로손(John D. Lawson)에 의해 핵융합을 달성하기 위한 조건이 제시되었고, 지구에서도 핵융합을 만들기 위한 연구들이 이루어지며 여러 핵융합 장치들이 개발되기 시작했습니다.

 

 

|핵융합과 핵분열은 사실, 이란성 쌍둥이?

 

아인슈타인으로부터 시작된 핵분열과 핵융합은 모두 원자핵 반응에서 나오는 엄청난 에너지를 인류의 에너지원으로 활용하고자 한다는 공통점이 있습니다. 하지만, 그 에너지를 만드는 방식과 특징에서는 여러 차이점이 있습니다.

 

먼저, ‘핵분열’의 원리는 이렇습니다. 우라늄과 같은 무거운 원자핵이 중성자와 충돌하여 가벼운 원자핵으로 쪼개질 때, 감소한 질량만큼 에너지를 발생시킵니다. 이때 방출되는 중성자가 다른 원자핵에 부딪치면 또 그 원자핵에서도 핵분열이 일어납니다. 이와 같이 핵분열이 잇달아 일어나는 것을 연쇄 반응이라 부릅니다. 이러한 연쇄 반응을 순간적으로 일으켜서 엄청난 에너지를 내게 하는 것이 바로 원자 폭탄이죠. 반면 이 연쇄 반응을 천천히 일어날 수 있도록 조절하여 에너지를 얻는 것이 원자력발전소입니다.

 

‘핵분열’ 원리를 이용하는 원자력 발전은 다른 발전 방식에 비해 초기 건설 비용이 많이 들지만 적은 양의 연료를 이용하여 대용량의 발전이 가능한 것이 큰 장점입니다. 우라늄 235 1kg은 핵분열을 통해 석탄 3000톤을 태운 열량만큼의 에너지를 만들 수 있습니다. 또한 기후변화의 주범으로 꼽히는 온실가스도 나오지 않는다는 장점도 있지요. 하지만 연료인 우라늄 역시 매장량에 한계가 있고, 우라늄의 핵분열 연쇄 과정에서 아주 강한 방사선이 발생해 이에 따른 고준위 방사성 폐기물을 처리하기가 어렵다는 문제점이 있습니다. 또 수명이 다한 원자로를 해체하기가 까다롭고, 임시저장 중인 사용후핵연료를 처분할 수 있는 대책이 시급한 실정이죠.

 

 

 

그렇다면 핵융합은 어떨까요? 핵분열이 무거운 원자핵을 필요로 한다면, 핵융합은 가벼운 원자핵들이 융합하여 무거운 원자핵으로 바뀌는 것으로 이때 줄어든 질량이 핵융합에너지로 나타납니다. 우라늄을 원료로 하는 핵분열과 달리 핵융합 발전은 가벼운 원소인 ‘수소’의 동위원소인 ‘중수소’와 ‘삼중수소’를 연료로 사용합니다. 중수소는 바닷물을 전기분해하여 얻을 수 있고, 삼중수소는 핵융합로 내에서 리튬과 중성자를 반응시켜 얻을 수 있습니다. 지구 표면의 70% 이상은 바닷물로 뒤덮여 있고, 리튬 또한 매장량이 풍부해 핵융합에너지 발전을 위한 연료는 거의 무한하다고 볼 수 있습니다. 에너지 효율 부분에서도 핵융합에너지는 어느 에너지원보다 뛰어난 고효율을 자랑합니다. 핵융합연료 1g 만으로도 석유 8톤에 해당하는 에너지를 낼 수 있으니까요. 무엇보다 핵융합 반응 과정에서 고준위 방사성 폐기물이 발생하지 않아 폐기물 처리를 위한 고민이 필요 없다는 것과 핵융합 발전소에 사고가 발생하더라도 심각한 방사능 노출 사고 등의 위험이 없다는 장점이 있습니다.

 

 핵분열과 핵융합의 원

 

핵융합은 아직 핵분열을 이용한 원자력 발전처럼 실제 상용화 단계에 이르지 못했다는 것 또한 핵분열과 핵융합의 차이점입니다. 원자력 발전은 이미 수십 년 전부터 일상생활에서 직접 사용할 수 있는 주요 전력 공급원으로 자리 잡았지만, 핵융합을 이용한 발전은 아직 상용화 연구단계에 있습니다. 핵융합이 일어날 수 있는 태양과 같은 극한 환경을 만들고 유지하기 위해서는 여전히 해결해야 하는 과학기술적인 난제들이 남아있기 때문이지요.

 

 

|머지 않은 ‘핵융합’ 시대, 무한 청정 에너지의 실현

 

 

 

이토록 서로 같은 듯 다른 특성을 띤 두 핵에너지는 그 효율이 여타 에너지원보다 탁월한 만큼, 세계적으로 주목받고 연구가 끊임없이 진행되고 있는 분야임은 분명합니다. 핵분열을 이용한 원자력 발전은 효율적인 에너지 공급을 통해 인류의 발전에 기여해왔고, 핵융합에너지 역시 수많은 연구진의 노력과 주변 기술들의 발달로 상용화가 점점 가까워져 오고 있습니다. 특히 무한으로 에너지를 생산할 수 있는 핵융합 발전이 상용화된다면 어마어마한 경제 효과와 에너지 절약 효과를 거둘 수 있는 데다 필() 환경 시대에 걸맞게 환경 오염의 문제 또한, 해결할 수 있어 더욱 주목받고 있습니다. 그간 인류가 고민해왔던 연료 고갈, 기후변화와 환경 오염, 고준위 폐기물 발생 등의 문제로부터 자유로워질 수 있게 되는 것이지요. 이란성 쌍둥이 중 동생에 해당하는 핵융합에너지의 상용화가 이뤄지는 그 날까지, 연구자들의 노력은 끊임없이 계속됩니다.

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