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핵융합

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201905.16

인공태양의 퍼즐을 맞추는 사람들

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/936

 

"우린 답을 찾을 것이다. 늘 그랬듯이"

 

 유명 SF 영화의 명대사처럼 인류의 역사는 항상 불가능해 보이는 것에 도전하고 결국엔 해답을 찾아가는 과정이었다고 해도 과언이 아닌데요. 태양처럼 무한하고 청정한 에너지를 만들기 위해 지구에 인공태양을 만들기로 결심한 인류의 도전도 결코 예외는 아니었습니다.

 

 

 100조각인지, 1000조각인지 모르는 퍼즐을 맞추는 것처럼 시작된 인류의 도전은 때로는 정확하게 맞는 퍼즐이 아예 사라진 것처럼 길을 잃기도 하고, 때로는 짝이 맞는 조각을 차례차례 찾아내는 것처럼 순식간에 완성될 듯 빠르게 진행되기도 하였는데요. 그럼에도 불구하고 우리가 꿈꾸는 그림을 완성하기 위해 그동안 수많은 과학자들은 크고 작은 퍼즐 조각들을 발견하고, 맞추기 위해 멈추지 않았습니다.

 지금의 인공태양 연구가 진행되어 오기까지 어떤 과학자가 발견한 퍼즐이 핵융합에너지 상용화라는 큰 그림 위에 놓여졌는지 궁금하지 않으신가요? 인공태양의 퍼즐을 맞추는 과학자들의 이야기를 모아보았습니다.


퍼즐 한 조각,

엄청난 에너지 발생의 원리를 밝히다. - 아인슈타인

 

 


  무한한 빛과 열에너지를 내뿜어내는 태양 에너지의 근원은 ‘핵융합’입니다. 태양을 구성하는 수소의 원자핵과 원자핵이 충돌하여 헬륨 원자핵으로 바뀌는 핵융합 과정에서 약간의 질량이 줄어드는데, 이 줄어든 질량이 바로 태양 에너지로 변하는 것이죠. 이처럼 질량이 곧 에너지임을 명쾌하게 식으로 풀어낸 과학자가 있으니, 그 이름도 유명한 ‘아인슈타인’입니다.

 아인슈타인은 1905년 ‘특수상대성이론’을 세상에 발표하였습니다. 빛의 속도는 불변하며 시간과 공간은 관찰자에 따라 정의된다는 내용을 다룬 이 이론은 인류에게 시간과 공간에 대한 새로운 관점을 제시했는데요.

 이 이론을 통해 새롭게 정의된 것은 그뿐만이 아니었습니다.

"E=mc2"

(E는 에너지, m은 질량, c는 빛의 속도)

 어떤 물질이 갖는 에너지는 그 물질의 질량에 빛의 속도의 제곱을 곱한 값과 같다. 즉 질량과 에너지가 사실상 동등하며 상호 교환될 수 있음을 보여주는 이 식을 통해 아인슈타인은 단번에 물질과 에너지의 경계도 허물어버렸던 것이죠.

 하지만 재미있는 것은 아인슈타인이 특수상대성이론을 발표하던 당시 과학자들은 태양이 어떻게 스스로 에너지를 만들어내는지 알지 못했다는 사실입니다. 당시 과학자들이 아인슈타인의 이론에 주목한 것은 아주 작은 질량이라도 어마어마한 양의 에너지로 변환될 수 있다는 가능성이었죠.

 이를 이용해 ‘무한하고 청정한 에너지를 만들 수 있지 않을까?’라는 상상을 하기까지 인류에게는 또 다른 퍼즐의 조각이 필요했습니다.


퍼즐 한 조각,

핵융합의 과정을 명쾌히 밝혀내다. - 한스 베테

 

 
  태양은 어떻게 스스로 에너지를 만들어 낼 수 있을까? 이 해답을 찾은 것은 특수상대성이론이 발표된지 무려 30여 년이 흐른 1939년이었습니다. ‘별이 빛나는 이유’를 밝혀낸 최초의 인류는 바로 30대의 젊은 과학자 한스 베테였습니다.

 19세기 말 전자의 존재가 발견되면서 활발히 진행되온 원자핵에 대한 연구는 20세기에 들어서며 비약적으로 발전하기 시작했습니다. 원자 구조가 변할 수 있다는 가능성을 확인한 과학자들은 핵분열, 핵융합 등의 실험을 시도했고 마침내 1934년 최초로 인공 핵융합 반응을 일으키는 데 성공했습니다. 하지만 직접 실험을 진행한 물리학자 ‘러더퍼드’ 조차도 ‘핵융합 반응이 일어날 확률은 매우 낮아서 핵융합으로 에너지를 생산하는 것은 망상’이라고 단정 짓기까지 했죠.

 하지만 전환점을 마련한 것이 바로 한스 베테였습니다. 항성에서 에너지 생성(Energy Production in Stars)’이라는 제목의 논문은 ‘어떻게 오랜 시간 태양이 계속 빛과 열을 방출할 수 있는가’에 대한 해답을 제시했습니다. 인류가 아주 오래전부터 하늘을 바라보며 품어왔던 궁금증을 마침내 풀어낸 것입니다.

 베테의 계산을 통해 핵융합의 구체적인 조건과 반응경로가 알려지고 지구에서 핵융합을 일으키기 위해서는 수소를 원자핵과 전자가 분리된 플라즈마 상태에서 1억도 이상으로 가열하여 유지해야 한다는 것도 밝혀졌습니다.

 또한, 핵융합 반응이 일어나는 과정에서 발생하는 엄청난 에너지는 아인슈타인이 이미 30년 전에 발표한 특수상대성 이론을 통해 설명이 가능했습니다. 특수상대성 이론이라는 퍼즐 조각과 핵융합 과정이라는 퍼즐 조각이 만나 그림의 한 귀퉁이가 완성된 것이었죠. 인류는 이제 태양이 에너지를 만드는 원리도, 이를 통해 얼마나 막대한 에너지가 발생하는지도 알게 되었습니다.

 마침내 태양처럼 핵융합 반응을 통해 무한하고 청정한 에너지를 만들 수 있다는 야심찬 상상을 시작한 것입니다.

 


퍼즐 한 조각,

지구에서 인공태양을 만드는 조건을 찾아내다. – 존 로손

 

 
  지구에서 태양처럼 핵융합 반응을 일으키는 원리를 안다고해도 공학적으로 실현시키는 것은 결코 쉬운 일이 아니었습니다. 1억도 이상의 플라즈마를 가두기 위해 자기장을 이용할 수 있다는 과정까지는 접근했으나, 플라즈마를 오랫동안 유지하는 안정성 문제가 쉽사리 해결되지 않아 핵융합 연구는 오랫동안 답보 상태를 거듭했습니다.

 이때 분위기를 환기한 것은 영국 출신 과학자인 존 데이비드 로손이었습니다. 로손은 가열장치를 이용하여 플라즈마를 가열해주지 않아도 스스로 핵융합 반응이 일어나는 ‘점화 조건’을 발표하면서 플라즈마 안정성 문제 해결을 위한 단서를 제공했는데요. 로손이 제시한 세 가지 점화 조건은 이것이었습니다.

첫째, 대기압의 30만분의 1의 입자 밀도

둘째, 1억도 이상의 온도

셋째, 1.5초 이상의 가둠시간

 밀도를 제외하고 나머지 조건들을 충족시킨다는 것이 결코 쉽지 않았지만, 이 세 가지 조건을 충족시키면 안정적인 핵융합 발전이 가능하다는 이야기는 과학자들에게 새로운 희망을 불어넣어주기에 충분했습니다.

 하지만 로손의 점화조건이 지닌 영향력은 단순히 난제 해결을 위한 단서 제공에 끝나지 않았습니다. 과학자들은 기존에 각각 해오던 연구 환경에서는 이 난제를 해결하기 어렵다는 사실을 깨달았고, 국적에 상관없이 서로 도와야 한다는 필요성을 절감하게 된 것이었습니다.

 인류의 눈앞에 닥친 새로운 과제가 기존에 핵물리학의 비밀주의를 깨고 화합과 협동이라는 새길을 제시한 것입니다. 핵융합에너지라는 큰 퍼즐을 이제는 한 사람이 아닌 여러 사람, 한 국가가 아닌 여러 국가가 함께 모여 맞추기 시작한 것이었죠.

 


퍼즐은 완성될 수 있을까?

 

 무한하고 청정한 핵융합에너지 상용화라는 퍼즐을 맞춰가는 인류의 도전은 여전히 계속되고 있습니다. 현재도 국가 간의 경쟁보다는 인류의 미래라는 공통의 목표를 향해 국제핵융합실험로 공동 건설 및 운영 등을 통해 협동의 가치는 여전히 이어지고 있죠. 그리고 처음에는 윤곽이 드러나지 않던 퍼즐 조각이 이제는 차츰 어떤 그림이 완성될지 모습을 드러내고 있고요.

 퍼즐을 완성하기까지는 맞추어야 하는 조각이 많이 남아있는 것도 사실입니다. 하지만 아인슈타인, 한스 베테, 로손을 비롯하여 그동안 많은 과학자들이 크고 작은 조각들을 맞춰온 것처럼 여전히 전 세계의 많은 과학자들이 퍼즐 조각을 맞춰 나가고 있습니다.

 그러나 이 퍼즐에서는 과학자들의 노력 뿐 아니라 국가의 지원, 역량있는 인재들의 참여, 그리고 핵융합에너지 시대를 함께 기대하고 응원하는 많은 사람들의 응원과 관심도 하나의 퍼즐 조각이 될 수 있습니다.

 무한하고 청정한 에너지를 얻기 위한 인류의 대담한 도전을 담은 퍼즐이 완성되는 날을 함께 기대해주세요~!

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