베오베 가있는 핵융합 글을 보고 많은 사람들이 핵융합에 대해 막연하게 알고 있는 것 같아서 글 써 봅니다.
이 글은 일반인들을 대상으로 한 것으로 전문용어를 최대한 배제하고 알아듣기 쉽게 썼으므로, 전문가느님들이 보시기에는 많이 부족할 겁니다. 이 점 양해 부탁드립니다.
1. 핵융합이란 무엇인가!
핵융합은 아주 쉽게 누구나 볼 수 있습니다. 낮에 고개를 들기만 하면 말이죠. (그렇다고 태양을 직접 보지 마세요. 눈 상합니다.)
그렇다면 태양이 어떻게 빛을 내는지 알아 볼 필요가 있겠군요.
태양은 전체 질량 중 74%가 수소, 24~25%가 헬륨, 1~2%의 기타 물질로 이루어져 있습니다.
그리고 여기서 74%에 해당하는 수소 2개가 융합하여 헬륨 하나를 형성하면서 에너지를 방출합니다.
그런데 과학자들이 이 과학자들이 이 과정을 직접 실험하다보니 이상한 현상이 발견되었습니다.
질량이 각각 2인 수소를 합치면 질량 4인 헬륨이 나와야 하는데 합성되서 나오는 헬륨은 질량이 3.9라는 거죠.
어찌된 일일까요?
키워드는 수소와 수소가 결합하면서 내는 에너지에 있습니다.
옛날 과학자들은 이런 사실을 몰랐겠지만, 우리는 알고 있습니다. 천재 과학자 아인슈타인에 의해서 말이죠.
질량은 에너지로 변환될 수 있습니다. 그리고 핵융합 과정에서는 에너지가 방출되죠.
때문에 과학자들은 수소 2개를 결합해 헬륨을 만드는 과정에서 손실되는 질량은 에너지로 변환되었을 것이다! 라는 추측을 내놓았습니다.
그리고 실험 결과 손실된 질량과 핵융합시 나오는 에너지가 일치함을 보였고 우리는 이것을 이용해 핵융합 발전 가능성을 열었습니다!
2. 그렇다면 핵융합을 어떻게 일으키느냐!
핵융합 하시면 생각나는게 2가지가 있으실 겁니다.
하나는 핵융합 폭탄, 즉 수소폭탄과 핵융합 발전이죠.
많은 사람들이 수소폭탄의 위력을 보고 핵융합 발전소가 잘못되어 후쿠시마 원전때와 같이 터졌을 때의 상황을 두려워 하실 겁니다.
하지만 근본적으로 수소폭탄과 핵융합 발전은 기본 메커니즘이 달라 핵융합 발전은 결코 터질일이 없습니다.
그럼 그 차이를 살펴보죠.
일단 수소와 수소가 서로 합쳐저서 헬륨을 이루려면 원자핵이 합쳐져야 합니다. 하지만 여러분들도 아시다 시피 원자핵은 +전하를 가지고 있는 양성자가 있습니다. 그런데 +전하는 서로 밀어내려는 성질을 가지고 있습니다.
때문에 두 양성자를 합성시키려면 억지로 힘을 줘서 붙여줘야 합니다. 근데 얘네들이 츤데레라 또 어느정도 서로 가까이 가기만 하면 또 서로 좋다고 달라 붙어요. 때문에 우리는 사랑의 큐피트가 되어 이 두 츤데레들을 어느정도 가까이 붙여 서로 사랑하게 만들어야 할 의무가 있습니다.
그리고 그 방법에는 대표적으로 관성 가둠과 자장 가둠이라는 2가지 방법이 있습니다!
(1) 관성가둠
관성가둠은 쉽게 말하면 원자에 큰 충격을 줘서 두 원자를 합치는 방법으로, 커플에 비유하자면 그냥 남녀의 등을 발로 차서 서로 가까이 다가가게 만드는 방법입니다.
실제 원자에서는 이 충격을 핵분열 폭발을 이용합니다. 그렇게 되면 +전하들이 서로 밀어내는 힘보다 더 큰 힘이 들어가 두 원자핵은 달라붙어 융합을 하게 되고 에너지를 방출하게 됩니다.
그리고 이것이 우리가 흔히 아는 수소폭탄을 만드는 원리죠. 이 부분은 여기까지만 하고 중요한 자장가둠으로 넘어가겠습니다.
(2) 자장 가둠
원자는 임계치의 열을 받으면 우리가 아는 원자 구조가 분해되어 플라즈마를 이룹니다.
그리고 이때 자기장을 걸어주면 입자들이 가속하기 시작합니다.
강력한 자기장을 걸어줄 수록 매우 빠르게 움직이죠.
그렇다면 매우 빠르게 움직이는 상태에서 입자가 서로 충돌하면 어떻게 될까요?
만약 속도가 매우 작다면 서로 그냥 튕겨낼 것이고, 어느정도 적당하다면 서로 붙어서 핵융합을 이루고, 매우 빠르다면(거의 빛의 속도에 가깝게) 부셔집니다.
그리고 이 어느정도 적당하게 가속을 시켜서 서로 핵을 붙이는 것이 대표적인 핵융합 발전에 사용되는 메커니즘이죠.
실제로 보면 이렇습니다.
이 동영상에서 파란색 구름이 플라즈마입니다.
그리고 중간에 계속 반짝 반짝 거리는거 보이시죠?
네. 그게 바로 핵융합입니다. 수소폭탄을 생각했는데 생각보다 초라하죠?
이 기술은 매우 높은 안정도를 필요로 합니다.
때문에 오래 유지하기가 어렵죠. 때문에 현재 최고 기록인 우리나라에서도 70초 동안 유지하는게 한계입니다. 하지만 차차 나아지겠죠.
이러한 이유로 만약 외부에 큰 충격 (지진 같은 자연 재해 등)이 가해지게 되면 이 핵융합 과정의 안정도가 굉장히 낮아지게 되고, 이로 인해 플라즈마가 전부 흩어지게 되며, 핵융합 역시 중단됩니다.
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