1. 모두가 알고 있듯이, 핵융합 발전은 태양이 에너지를 생산하는 방법과 같음.
2. 수소 같이 가벼운 원자들의 핵이 서로 뭉치면서 새로운 원소인 헬륨과 같은 더 무거운 원자핵이 되면서 막대한 에너지를 방출하는 것임.
3.인간이 가진 기술력으로 가장 쉽게 만들어낼 수 있으며 가장 효율이 좋은 방식은 중수소-삼중수소의 반응으로 알려져 있음.
4. 사실 그 외에도 중수소-중수소 반응, 중수소-헬륨3의 반응이 있는데 차례로 알아보겠음.
5. 먼저 중수소-삼중수소의 반응은 중수소와 삼중수소가 만나 헬륨과 중성자 하나가 생성되는 반응임.
6. 이 반응이 일어나면서 엄청난 에너지가 나오게 되는데, 원자 하나 단위에서 약 17.6MeV가 나온다고 계산하고 있음.
7. 체감하기 쉽게 설명하자면, 핵융합 연료 1g(중수소 0.4g+삼중수소0.6g)에서 생성되는 에너지의 양은 석유로 치면 8톤, 석탄으로 치면 12톤과 맞먹는 에너지가 나옴.
8. 핵분열 반응으로 만들어내는 우라늄 1g이 분열할 때 만들어내는 에너지는 석유 2톤과 비슷한 정도임.
9. 이 반응의 핵융합 연료가 구하기 까다로운가 하면 그것은 아님. 오히려 장점으로 꼽힘.
10. 주원료인 중수소는 바닷물에 풍부하게 존재하고, 삼중 수소는 자연에 거의 없지만 핵융합로 내벽에 리튬을 둘러싸고 융합 시 발생하는 중성자를 충돌시켜 얻을 수 있는 방법이 존재함.
11. 두번째 장점으로 핵융합은 핵분열과는 달리 제어가 불가능한 연쇄 반응이 아님.
12. 연료 공급이 중단되거나, 무언가 문제가 생긴다면 바로 반응을 제어할 수 있음.
13. 즉, 핵융합은 가스밸브를 연 가스레인지와 같아 가스밸브를 잠그면 얼마든지 연소반응이 사라진다고 보면 됨.
14. 부가적으로 발전과정에서 이산화탄소를 전혀 배출하지 않고, 헬륨이라는 안정적인 물질이 주로 생성된다는 점도 이점으로 꼽힘.
15. 다만 발전과정에서 중성자 하나가 생성되는 만큼 핵융합 반응로 구조물이 방사능을 띠게 되지만, 핵분열에서 나오는 고준위 방사성 폐기물에 비하면 방사능 수치도 낮고 반감기도 짧아 관리가 용이함.
16. 그럼 어떤 문제가 핵융합 발전을 가로막고 있냐 하면 근본적인 문제는 온도에 있음.
17. 태양은 높은 온도(1500만 도)와 어마어마한 중력(태양표면의 중력은 지구의 약 28배, 핵분열이 발생하는 태양 내부 코어에서는 지구 대기압의 수천억 배)으로 핵을 짓눌러 핵융합을 발생시키고 있음.
18. 지구에서는 태양의 중력을 발생시킬 수 없기 때문에, 핵융합을 발전시키려면 태양의 높은 온도를 훨씬 넘어서는 초고온의 온도를 조성해야 함.
19. 그 조성 가능한 온도가 1억 도 이상으로, 이 온도에서는 모든 물질이 원자와 전자가 분리된 플라스마 상태가 됨.
20. 그런데 이 온도를 견뎌낼 수 있는 물질이 현재까지 인류가 밝혀낸 모든 물질 중에서는 없음. 모든 물질이 녹아버리는 것임.
21. 벽에 닿는 순간 녹아내린다면, 플라스마를 공중에 띄워 가두는 방법은 어떨까라는 아이디어를 과학자들은 연구했고, 여기에서 플라스마를 가두는 방법에 따라 크게 두가지로 나뉘게 됨.
22. 첫번째는 자기가둠핵융합방식(MCF)으로, 가장 주류가 되는 방식임.
23. 플라스마의 가장 큰 특징은 전기를 띤 입자(이온과 전자)로 이루어져 있어서 자성을 띤다는 점임. 따라서 강력한 자기장을 이용하면 플라스마를 띄워 가둘수 있음.
24. 이 방식에서는 토카막이라는 도넛 모양의 진공용기에 코일을 감아 D자 형태의 강력한 자기장을 만들고, 동시에 플라스마 자체에 전류를 흘려보내 플라스마다 도넛을 따라 안정적으로 돌도록 가두게 됨.
25. 현재 상용화가 가장 유력한 후보로 프랑스에 짓고 있는 ITER(국제핵융합실험로)이 현재 지어지고 있으며 한국도 참여해 미국, 인도, EU, 일본, 중국, 러시아가 현재 공동으로 짓고 있는 중이고, 목표는 투입한 에너지 대비 10배의 핵융합 에너지를 생산하는 것임.
26. 4번으로 다시 돌아가서, 중수소-중수소 반응은 앞서 언급한 바닷물에서만 원료를 얻어낼 수 있으므로 사실상 무한한 자원이라는 장점이 있음.
27. 그리고 중수소-삼중수소 반응보다 훨씬 저 준위의 방사능 에너지를 뿜어냄.(약 1/6정도의 에너지)
28. 따라서 반응로가 받는 손상과 방사능화가 삼중수소에 비해 상당히 적다는 장점도 있음.
29. 하지만 가장 큰 문제는 역시 온도에서 발생함.
30. 현재 인간의 과학기술로는 1억도의 온도도 수십초를 유지하는 것도 간신히 하는 데에 반해, 이 반응을 이끌어내려면 10억도에 가까운 온도를 만들어내야 하는 치명적인 단점이 있기 때문임.
31. 게다가, 중수소-중수소 반응이 일어나는 과정을 살펴보면 완전히 해결할 수 없는 과제를 안고 있음.
32. 바로 중수소-중수소 반응이 일어나는 과정에서 스스로 삼중수소가 만들어진다는 점임. 이런 과정에서 삼중수소는 중수소와 중수소가 결합하는 것보다 먼저 삼중수소-중수소 반응을 일으키기 때문에 장점으로 꼽혔던 저준위의 방사능 에너지마저 고준위의 방사능 에너지와 섞여서 나오게 된다는 것.
33. 이 때문에 1세대 핵융합 반응이 삼중수소-중수소 반응이라면 1.5세대 핵융합 반응이 중수소-중수소 반응이라고 불리고 있는 이유임.
34. 2세대 핵융합에 이르러서야 완전한 청정에너지가 나오게 됨.
35. 2세대 핵융합 반응은 바로 앞서 언급한 삼중수소-헬륨(He3) 반응임.
36. 삼중수소-헬륨 반응은 삼중수소-중수소 반응과는 다르게 양성자가 에너지를 싣고 나옴.
37. 양성자가 에너지를 싣고 나온다는 것의 장점은 두가지가 있음.
38. 첫번째는 방사능을 뿜어내지 않는다는 것과, 두번째는 양전하 그 자체가 전류이기 때문에 1세대 핵융합 반응이 그러한 것처럼 에너지를 가진 입자(중성자)로 터빈을 돌려 에너지를 생산하는 과정 자체를 생략할 수 있음. 이는 곧 높은 효율로 이어짐.
39. 하지만 이 방식의 한계는 두가지가 있음. 첫번째는 마찬가지로 온도임.
40. 1.5세대의 핵융합 반응(중수소-중수소)보다 요구온도가 더 높음. 10억 도 이상일 것이라고 예상하고 있음.
41. 두번째는 연료 수급의 문제임.
42. 지구상에 헬륨-3는 거의 존재하지 않음. 지구의 대기권과 자기장이 헬륨-3를 거의 다 튕겨내고 있기 때문임.
43. 따라서 태양풍을 수십억년 동안 맞아온 달의 표면토(월면토)를 채취해 오는 과정이 필수적으로 요구됨. 즉, 이 반응을 성공시키려면 우선적으로 달기지를 건설하거나 월면토를 채굴하는 과정이 안정적으로 이루어져야 가능하다는 것임.
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