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핵융합

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목차

1. 개요

핵융합은 가벼운 원자핵들이 융합하여 더 무거운 원자핵을 생성하는 반응으로, 막대한 에너지를 방출한다. 1915년 윌리엄 하킨스에 의해 처음 개념이 제안되었으며, 1930년대 한스 베테에 의해 항성 핵융합의 주요 순환 이론이 정립되었다. 핵융합은 별의 에너지원이며, 수소-헬륨 융합 반응을 통해 에너지를 생성한다. 핵융합 반응은 매우 높은 온도와 압력 조건에서 일어나며, 핵융합 발전을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 핵융합은 높은 에너지 효율, 풍부한 연료, 안전성, 친환경성을 갖는 장점이 있으나, 기술적 과제와 경제성 확보가 필요하다.

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핵융합
핵융합
태양은 주계열성이며, 수소 핵융합을 통해 에너지를 방출한다.
태양은 주계열성이며, 수소 핵융합을 통해 에너지를 방출한다. 태양 중심부에서는 매초 약 6천억 kg의 수소가 융합된다.
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ITER는 33개국이 협력하여 핵융합 발전을 연구하고 있다. 2033년에 조립이 완료될 예정이다.
기본 개념
정의원자핵들이 결합하여 더 무거운 원자핵을 만드는 과정
관련 개념원자핵, 핵자, 양성자, 중성자, 핵력, 핵반응
핵융합 모델
핵 모델액체 방울 모형, 핵 껍질 모형, 상호작용 보손 모형, 제1원리 계산법
핵종 분류
핵종 분류동위 원소 (같은 Z)
핵종 분류동중 원소 (같은 A)
핵종 분류동중성자 원소 (같은 N)
핵종 분류이소디아페르 (같은 N − Z)
핵종 분류핵 이성질체 (위의 모든 값이 같음)
핵종 분류거울 핵 (Z ↔ N)
핵종 분류안정 동위 원소, 마법수, 짝수 및 홀수 원자핵, 핵 후광, 보로메오 핵
핵 안정성
핵 안정성핵 결합 에너지, 양성자-중성자 비율, 핵자 방출 한계, 안정성의 섬, 안정 계곡
방사성 붕괴
방사성 붕괴알파 붕괴, 베타 붕괴, 이중 베타 붕괴, 중성미자 없는 이중 베타 붕괴, 양전자 방출, 전자 포획, 핵 이성질체 전이, 감마선, 내부 전환, 자발적 핵분열, 클러스터 붕괴, 중성자 방출, 양성자 방출
방사성 붕괴붕괴 에너지, 붕괴 사슬, 붕괴 생성물, 방사성 생성 핵종
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관련 과학자
관련 과학자루이스 월터 알바레즈, 앙리 베크렐, 한스 베테, 오게 보어, 닐스 보어, 제임스 채드윅, 존 코크로프트, 이렌 졸리오퀴리, 프레데리크 졸리오퀴리, 피에르 퀴리, 마리 퀴리, 클린턴 데이비슨, 엔리코 페르미, 오토 한, J. 한스 D. 옌센, 어니스트 로렌스, 마리아 괴퍼트-메이어, 리제 마이트너, 마크 올리펀트, 로버트 오펜하이머, 알렉산드루 프로카, 에드워드 밀스 퍼셀, 이시도어 아이작 라비, 어니스트 러더퍼드, 프레더릭 소디, 프리츠 슈트라스만, 브와디스와프 시비옹테츠키, 레오 실라르드, 에드워드 텔러, 조지프 존 톰슨, 어니스트 월튼, 유진 위그너

2. 역사

태양의 핵융합 반응


1915년 미국의 화학자 윌리엄 하킨스가 처음으로 핵융합 개념을 제안했다.[2] 1920년대 아서 에딩턴은 수소-헬륨 융합이 항성 에너지의 주요 원천일 수 있다고 제안했다.[3] 1927년 프리드리히 훈트가 양자 터널링 현상을 발견했고,[4][5] 이후 로버트 애트킨슨과 프리츠 하우터만스는 가벼운 원자핵을 융합하여 많은 양의 에너지를 방출할 수 있음을 증명했다.[6]

1932년 마크 올리펀트는 수소 동위원소의 실험실 핵융합을 성공시켰다.[7] 1930년대 한스 베테는 항성에서 핵융합의 주요 순환 이론을 정립했다.

1940년대 초 맨해튼 계획의 일환으로 군사적 목적의 핵융합 연구가 시작되었다. 1951년 그린하우스 아이템 실험에서 최초의 인공 열핵융합 반응이 발생했고, 1952년 아이비 마이크 실험에서 최초의 열핵 무기 폭발이 일어났다.

1930년대부터 핵융합로 내부에서 제어된 핵융합을 개발하기 위한 연구가 진행되어 왔으며, 1958년 로스앨러모스 국립 연구소의 Scylla I 장치는 최초의 실험실 열핵융합을 생성했지만, 이 기술은 아직 개발 단계에 머물러 있었다.[8]

레이저 구동 관성 가둠 핵융합을 사용하는 미국의 국립 점화 시설은 손익분기점 핵융합을 목표로 설계되었으며, 2011년 초에 점화 실험이 시작되었다.[9][10] 2022년 12월 13일, 미국 에너지부는 2022년 12월 5일에 핵융합 점화에 성공하여 투입된 에너지보다 더 많은 에너지를 생성했다고 발표했다.[11]

ITER는 자기 가둠 방식을 사용하는 실험로로, 2025년에 건설 단계를 완료하고, 2035년에 중수소-삼중수소 핵융합 실험을 시작할 예정이다.[13]

2021년에는 핵융합의 상업화를 추구하는 민간 기업들이 많은 자금을 유치했다.[14] 최근에는 프랑스의 WEST 핵융합로에서 9천만 도의 플라스마를 6분 동안 유지하는 기록을 세웠다.[15]

1920년대와 30년대에 존 코크크로프트를 비롯한 물리학자들은 양성자(수소 원자핵)이나 다른 가벼운 핵에 높은 에너지를 가하여 가속시키고, 표적이 되는 가벼운 핵에 충돌시키면 핵융합 반응으로 큰 에너지가 방출되는 것을 발견하였다. 그러나 실용적인 핵융합 반응을 일으키려면 섭씨 수억 도의 고온이 필요했기 때문에, 핵분열 반응만큼 주목받지 못했다.

삼중수소와 중수소와 같은 수소의 무거운 동위원소는 열핵 반응의 이상적인 연료로 여겨진다.[74] 핵융합은 수소폭탄과 같은 대량살상무기에 사용된다.[75] 핵융합로를 이용한 에너지 이용도 연구되고 있으며, 최근에는 민간 부문의 핵융합로 개발도 활발해지고 있다.[76][77]

3. 핵융합의 원리

핵융합은 가벼운 원자핵들이 결합하여 더 무거운 원자핵으로 변환되는 과정이다. 이 과정에서 엄청난 양의 에너지가 방출되는데, 이는 질량-에너지 등가 원리(E=mc²)에 따라 질량의 일부가 에너지로 변환되기 때문이다.

핵융합이 일어나려면 원자핵들이 서로 강하게 밀어내는 힘(쿨롱 장벽)을 극복해야 한다. 원자핵은 양전하를 띠고 있어 서로 밀어내지만, 충분히 가까워지면 강한 핵력(강력)이 작용하여 핵융합이 일어난다. 가까운 거리에서는 강력>전자기력>약력>중력 순으로 힘의 크기가 크다.

핵자(양성자 또는 중성자)가 원자핵에 결합하면, 강한 핵력은 핵자를 다른 핵자로 끌어당기게 되며, 가까운 거리에 있는 핵자에 더욱 밀착시킨다. 원자핵이 작을수록 강한 핵력으로 인한 핵자 당 결합 에너지는 일반적으로 원자핵의 크기에 비례하여 증가한다. 하지만 정전기력은 거리가 멀어질수록 약해지기 때문에, 원자핵이 커질수록 정전기력으로 인한 핵자당 정전기 에너지는 계속 증가하게 된다.

철과 니켈에 이르는 원소까지는 핵자 당 결합 에너지가 크기에 비례하여 계속 증가하며, 이후로는 감소하게 된다. 가장 강하게 결합된 원자핵을 결합 에너지가 높은 순으로 4개 나열해보면 62Ni, 58Fe, 56Fe, 60Ni과 같다.[81]

헬륨-4 원자핵은 예외적으로 높은 결합 에너지를 가지는데, 이는 파울리 배타 원리에 따라 양성자와 중성자가 같은 에너지 상태에 놓일 수 없기 때문이다. 헬륨-4는 두 개의 양성자와 두 개의 중성자를 가지고 있어, 각 핵자가 모두 바닥 상태에 놓일 수 있어 안정적이다.

핵융합 반응이 시작되기 위해서는 쿨롱 장벽이라고 하는 에너지 장벽을 넘어야 한다. 쿨롱 장벽은 수소의 동위원소에서 가장 낮다. 중수소-삼중수소 연료에서 에너지 장벽은 0.1 MeV이다.

핵융합 반응률은 반응단면적과 반응 원자핵의 상대 속도에 따라 결정된다. 열핵융합의 경우, 반응률은 반응 물질 밀도의 곱에 단면적과 속도의 곱을 곱한 값으로 주어진다.

:f = n_1 n_2 \langle \sigma v \rangle

핵융합 반응은 항성의 에너지원이며, 항성 핵합성 과정을 통해 다양한 원소를 생성한다. 태양은 수소 핵융합을 통해 에너지를 생성하며, 매초 6억 2천만 톤의 수소가 융합되어 6억 1천 6백만 톤의 헬륨이 생성된다.

3. 1. 핵융합 반응 조건

핵융합 반응은 양(+)전하를 띤 원자핵들이 서로 밀어내는 힘(쿨롱 장벽)을 이겨내고 아주 가까이 접근해야 일어난다. 마치 자석의 같은 극끼리 밀어내는 것처럼 생각하면 쉽다. 이 쿨롱 장벽을 넘기 위해서는 매우 높은 온도와 압력이 필요하다. 온도는 수천만에서 수억 켈빈(K)에 달하는데, 이는 태양 중심부보다도 훨씬 뜨거운 온도이다.

이렇게 높은 온도에서는 물질이 플라스마 상태가 된다. 플라스마는 원자핵과 전자가 분리되어 자유롭게 움직이는 상태로, 고체, 액체, 기체와는 다른 '제4의 물질 상태'라고 불린다. 플라스마 속에서 원자핵들은 엄청난 속도로 움직이며 서로 충돌하고, 이 과정에서 핵융합 반응이 일어난다.

중수소-삼중수소 핵융합 반응은 70keV (800,000,000,000)에 이르기까지 지속적으로 빠르게 증가한 뒤, 차츰 감소한다.


하지만, 양자 터널링 효과 덕분에 이보다 낮은 온도에서도 핵융합 반응이 일어날 수 있다. 양자 터널링은 아주 작은 입자들이 눈에 보이지 않는 벽을 통과하는 것처럼, 원자핵이 쿨롱 장벽을 '뚫고' 지나갈 수 있는 현상이다.

핵융합 반응이 일어나기 위한 조건은 다음과 같이 정리할 수 있다.

  • 높은 온도: 원자핵들이 쿨롱 장벽을 극복하고 서로 충돌할 수 있도록 충분한 운동 에너지를 제공한다.
  • 높은 압력: 원자핵들이 서로 가까이 접근할 확률을 높여 핵융합 반응이 더 자주 일어나도록 한다.
  • 플라스마 상태: 원자핵과 전자가 분리되어 자유롭게 움직이는 상태에서 핵융합 반응이 효율적으로 일어난다.


이러한 조건들은 로슨 기준이라는 값으로 표현되는데, 이는 핵융합 발전의 가능성을 판단하는 중요한 기준이 된다.

핵융합 반응의 종류는 다양하며, 그중 몇 가지는 다음과 같다.

반응식설명
중수소(D) + 삼중수소(T) → 4He + 중성자가장 낮은 온도에서 반응이 가능하여 핵융합 발전에서 가장 유망한 반응이다.
중수소(D) + 중수소(D) → 삼중수소(T) + 양성자 또는 3He + 중성자중수소끼리의 반응으로, 삼중수소-중수소 반응보다는 높은 온도 조건이 필요하다.
중수소(D) + 3He → 4He + 양성자중성자가 발생하지 않아 방사능 문제가 적지만, 매우 높은 온도가 필요하다.



이 외에도 다양한 핵융합 반응이 존재하며, 각각의 반응은 고유한 특징과 장단점을 가지고 있다.

3. 2. 핵융합 반응의 종류

D-T 반응 설명도


핵융합 반응 중에서 가장 반응시키기 쉬운 것은 중수소(듀테리움, D)와 삼중수소(트리튬, T)를 이용한 반응이다. 이것은 수소폭탄에도 이용되고 있다. 이 반응에 의해 방출되는 에너지는 같은 질량의 우라늄에 의한 핵분열 반응의 약 4.5배, 같은 질량의 석유를 태워서 얻을 수 있는 에너지의 800만 배에 달한다.[80] 또한 초기 핵융합로에 사용되는 핵융합 반응으로서, 실용화를 위한 연구가 세계 각국에서 진행되고 있다.

:\ce{D + T -> ^4He + n} \ \mathrm{(14\,MeV)}

항성이 만들어내는 다양한 에너지는 대부분 중심 부근의 초고온, 초고압 상태에서 일어나는 핵융합 반응에 의한 것이다.

:D + D -> T + p

:D + D -> ³He + n

수축하고 있는 원시성의 중심 온도가 약 250만 K을 넘으면 처음으로 핵융합이 일어난다. 가장 먼저 일어나는 것은 비교적 일어나기 쉬운 두 개의 중수소(D)가 반응하는 중수소 핵융합(공학에서는 D-D 반응이라고 부르는 경우가 많다)이다. 중수소 핵융합을 일으킨 천체를 갈색왜성이라고 부른다.

중심 온도가 약 1000만 K를 넘으면 (참고로 태양의 중심은 1500만 K) 수소 핵융합을 일으켜 항성이라고 불린다.

경수소(양성자, p)끼리 직접 반응하는 수소 핵융합을 양성자-양성자 연쇄 반응(p-p chain)이라고 부른다. 일반적으로 우주 분야에서의 핵융합이란 이 반응을 가리키는 경우가 많으며, 태양의 중심핵에서 주로 일어나는 핵융합 반응이다. 4개의 수소 원자에서 1개의 헬륨-4가 생성되는 반응에서는 다음 과정을 거친다.

#p{} + p -> ^2_1H{} + \mathit{e+}{} + \nu_e

#: 2개의 양성자가 융합하여 중수소가 되고 양전자와 중성미자가 방출된다.

# ^2_1H{} + \mathit{p} -> ^3_2He{} + \gamma

#: 중수소와 양성자가 융합하여 헬륨-3이 생성되고, 감마선으로 에너지가 방출된다.

# ^3_2He{} + ^3_2He -> ^4_2He{} + \mathit{p}{} + \mathit{p}

#: 헬륨-3과 헬륨-3이 융합하여 헬륨-4가 생성되고, 양성자가 방출된다.

탄소(C)·질소(N)·산소(O)를 촉매로 한 수소 핵융합을 CNO 순환이라고 한다. 별의 중심 온도가 약 1,400만~3,000만 K에서 작동하며, 약 2,000만 K를 넘으면 pp 연쇄보다 CNO 순환이 우세해지고, 그 반응이 활발해진다.

:(a-1) ^{12}C{} + 4\mathit{p} -> ^{12}C{} + \alpha

:(b-1) ^{12}C{} + \mathit{p} -> ^{13}N

:(b-2) ^{13}N{} + 3\mathit{p} -> ^{12}C{} + \alpha

:(c-1) ^{12}C{} + \mathit{p} -> ^{13}N

:(c-2) ^{13}N{} + \mathit{p} -> ^{14}O

:(c-3) ^{14}O{} + 2\mathit{p} -> ^{12}C{} + \alpha

계의 온도가 높으면 a \rightarrow b \rightarrow c 순으로 반응 경로가 변화하고 반응 속도가 빨라지지만, 기본적으로는 탄소 하나와 양성자 네 개가 탄소 하나와 알파 입자가 되는 반응이다.

또한 b 및 c에서는 13N이나 14O가 각각 베타 붕괴, 감마 붕괴하기 전에 다음 단계로 진행된다.

3. 3. 핵융합 연료 가둠 방식

핵융합 연료를 가두는 방식에는 다음과 같은 여러 가지 방법이 있다.

  • 관성 가둠: 핵융합 연료에 빠른 에너지 펄스를 주입하여 "폭발"을 유도해 초고온, 초고압 상태를 만드는 방식이다. 수소폭탄에서 사용되며, 레이저, 이온, 전자 광선 등으로 핵융합을 촉발한다.[82]

  • 뮤온 촉매 핵융합: 뮤온 입자가 촉매 역할을 하여 상온에서 핵융합을 일으키는 방식이다. 하지만, 순에너지 생산은 어렵다.[82]


이 외에도 Farnsworth-Hirsch fusor(관성 정전기 가둠), bubble fusion 등 여러 가둠 방식이 연구되고 있다.

4. 핵융합 발전



핵융합 발전은 핵융합 반응을 이용하여 에너지를 생산하는 방식이다. 1920년대와 30년대에 존 코크크로프트를 비롯한 물리학자들은 양성자(수소 원자핵)나 다른 가벼운 핵에 높은 에너지를 가하여 가속시키고, 이를 표적이 되는 가벼운 핵에 충돌시키면 핵융합 반응이 일어나 큰 에너지가 방출되는 것을 발견하였다.[74] 이 에너지는 E = mc² 공식에 따라 질량이 에너지로 변환되면서 발생한다.

열핵 반응은 섭씨 수억 도의 고온을 이용하는 핵융합 방식으로, 삼중수소와 중수소와 같은 수소의 무거운 동위원소가 연료로 사용된다.[74] 핵융합은 수소폭탄과 같은 대량살상무기에 사용되기도 하지만,[75] 평화적 이용을 위한 핵융합로 연구도 활발하게 진행되고 있다. 핵융합로는 핵분열 반응에 비해 기술적 장벽이 높아 세계 각국에서 다양한 실험 장치가 건설되고 있으며, 최근에는 민간 부문의 핵융합로 개발도 활발해지고 있다.[76][77]

핵융합 반응 중 가장 반응시키기 쉬운 것은 중수소(D)와 삼중수소(T)를 이용한 반응(D-T 반응)이다.[80]

:\ce{D + T -> ^4He + n} \ \mathrm{(14\,MeV)}

이 반응은 수소폭탄에도 이용되며, 같은 질량의 우라늄 핵분열 반응보다 약 4.5배, 석유 연소 에너지의 800만 배에 달하는 에너지를 방출한다.[80]

미국의 화학자 윌리엄 하킨스가 1915년에 처음으로 핵융합 개념을 제안했고,[2] 1932년 마크 올리펀트가 수소 동위원소의 실험실 융합을 달성했다.[7] 1951년 그린하우스 아이템 실험에서 최초의 인공 열핵융합 반응이 발생했고, 1952년 아이비 마이크 실험에서 최초의 열핵 무기 폭발이 일어났다.

제어되고 지속적인 핵융합 반응을 위한 연구는 1930년대부터 진행되어 왔으며,[8] 로스앨러모스 국립 연구소의 Scylla I 장치는 1958년 최초의 실험실 열핵융합을 생성했다.[8] 국립 점화 시설은 손익분기점 핵융합을 목표로 설계되었으며, 2022년 12월에는 핵융합 에너지 출력이 투입 에너지보다 큰 실험 결과를 발표했다.[11]

자기 가둠(토로이드 설계)과 관성 가둠(레이저 설계) 방식이 주로 연구되고 있으며, ITER는 토로이드형 원자로의 실용적인 설계를 목표로 건설 중이다. ITER는 2025년에 건설 단계를 마치고 2035년부터 중수소-삼중수소 핵융합 실험을 시작할 예정이다.[13]

핵융합의 상업화를 추구하는 민간 기업들은 2021년에 26억달러의 민간 자금을 유치했으며,[14] 프랑스의 WEST 핵융합로는 9천만 도의 플라스마를 6분 동안 유지하는 기록을 세웠다.[15]

입자 가속기를 사용한 경이온 핵융합 기술도 연구되고 있으며,[24] Migma, 역장 배열(FRC), Helion Energy 등에서 다양한 방식이 시도되고 있다.[25][26]

관성 정전 핵융합 장치 중 가장 잘 알려진 것은 퓨저이며,[41] 1999년부터 많은 아마추어들이 수제 장치를 이용해 핵융합을 시도하고 있다.[44][45][46][47]

4. 1. 핵융합 발전의 장점

핵융합 발전은 다음과 같은 여러 장점을 가지고 있다.

'''높은 에너지 효율:''' 핵융합은 핵분열보다 단위 질량 당 더 많은 에너지를 방출한다. 예를 들어, 중수소(D)-삼중수소(T) 핵융합 반응은 같은 질량의 우라늄 핵분열 반응보다 약 4.5배 더 많은 에너지를 방출한다.[80]

'''연료의 풍부함:''' 핵융합 연료인 중수소는 바닷물에서 쉽게 추출할 수 있고, 삼중수소는 리튬으로부터 생산할 수 있다. 리튬은 지각에 풍부하게 존재하며, 바닷물에도 상당량 녹아있어 자원 고갈의 우려가 적다.

'''안전성:''' 핵융합은 핵분열과 달리 연쇄 반응을 일으키지 않아 원자로 폭주 위험이 없다. 또한, 핵융합 발전은 방사성 폐기물 발생량이 핵분열 발전에 비해 현저히 적다.

'''친환경성:''' 핵융합 발전은 온실가스를 배출하지 않아 기후 변화 대응에 기여할 수 있다.

:\ce{D + T -> ^4He + n} \ \mathrm{(14\,MeV)}

핵융합 반응 중에서 가장 반응시키기 쉬운 것이 중수소(D)와 삼중수소(T)를 이용한 반응이다.[80]

4. 2. 핵융합 발전의 과제

핵융합 발전을 실현하기 위해서는 여러 가지 어려운 과제들을 해결해야 한다.

우선, 핵융합 반응을 지속적으로 유지하기 위한 기술이 필요하다. 핵융합 반응은 매우 높은 온도와 압력의 플라스마 상태에서 일어나는데, 이 플라스마를 안정적으로 제어하는 것은 매우 어렵다.[74] 플라스마는 불안정한 성질을 가지고 있어서 핵융합 반응을 방해하는 요인이 되기도 한다.[74]

또한, 핵융합로의 재료 개발도 중요한 과제이다. 핵융합로는 고온, 고에너지 중성자 환경에 노출되기 때문에, 이러한 극한 환경을 견딜 수 있는 내구성 높은 재료가 필요하다.[74]

경제성 확보 역시 중요한 문제이다. 핵융합 발전소 건설 및 운영 비용은 매우 높기 때문에, 경제성을 확보하는 것이 핵융합 발전 상용화의 핵심 과제 중 하나이다.

이러한 기술적, 경제적 어려움 때문에 핵융합 발전의 실현은 쉽지 않지만, 세계 각국에서는 다양한 실험 장치를 건설하고 실용화를 위한 연구 개발을 진행하고 있다.[76][77] 최근에는 민간 기업들도 핵융합로 개발에 참여하면서 핵융합 발전 연구가 더욱 활발해지고 있다.[76][77]

4. 3. 한국의 핵융합 연구 현황

한국은 KSTAR를 통해 핵융합 연구를 선도하고 있다. 또한, 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트에 참여하여 핵융합 기술 개발에 기여하고 있다. 한국 정부는 핵융합 에너지 개발을 위한 장기적인 투자와 지원을 지속하고 있다.

5. 기타 핵융합

뮤온 촉매 핵융합은 뮤온(음뮤온)을 이용해 핵융합 반응을 일으키는 방식이다. 음뮤온은 전자와 같이 마이너스 전하를 띠지만, 질량은 전자의 약 200배에 달해 속박 궤도 반지름이 약 200분의 1로 줄어든다. 이로 인해 전자가 음뮤온으로 치환되면 원자핵 간 거리가 가까워져 핵융합이 쉽게 일어난다. 음뮤온은 소멸 전까지 여러 번 반응에 관여하여 촉매와 같은 역할을 한다.[78]

상온 핵융합은 섭씨 수백 도 정도의 낮은 온도에서 핵융합이 일어나는 현상이다. 1989년 3월 미국 유타 대학교 연구진이 처음 발표했으나, 당시에는 재현성 문제로 인정받지 못했다. 그러나 2010년경부터 나노 금속 가공 기술과 전자 현미경의 발달로 재현성이 높아지면서, 열핵 반응과는 다른 원리로 열이 발생하는 것이 확인되어 재평가받고 있다.[78][79]

참조

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