수소 핵융합, 태양의 에너지원
수소 폭탄의 원리, 초창기 무기사용
[문화뉴스 MHN 권성준기자] 태양은 매 순간 엄청난 에너지를 빛의 형태로 뿜어내고 있다. 태양 에너지는 기상현상, 계절변화와 같은 거대한 규모의 현상뿐만 아니라 광합성과 같은 화학반응이 일어나는 이유로 여겨지며 우리가 사용하는 대부분의 에너지는 태양 에너지에서 기원한 것이다.
많은 SF 영화에서는 인공 태양을 사용해 거대한 에너지를 얻는 내용이 나온다. 만약 현실에서 인공 태양을 만들 수 있다면 많은 에너지 문제를 해결해 줄 수 있다. 정말로 소형 태양을 지구에서 만들 수 있을까?
이에 대한 전망은 긍정적으로 보인다. 특히 대한민국은 이 분야에서 선도적인 역할을 하고 있는 국가로 손꼽히며 지난 20년 3월에는 국가 핵융합연구소의 KSTAR가 1억 도의 플라스마를 8초간 유지시키는데 성공하기도 하였다.
플라스마란 중성인 원자에서 높은 에너지로 인해 전자와 핵 등이 분리되어 이온화된 물질의 상태로 태양과 같은 항성들은 모두 플라스마 상태로 존재한다.
항성은 대부분 수소로 이루어져 있다. 항성과 같이 높은 온도에서 수소는 전부 이온화되어 양성자 1개인 수소 원자핵과 전자로 분리된다. 이 양성자는 플라스마 가스 내부에서 자유롭게 돌아다닐 수 있다.
양성자는 +전하를 띠고 있어 서로 밀어내기 때문에 평소에는 서로 충돌할 일이 없다. 하지만 플라스마의 온도가 충분히 높아 양성자의 운동에너지가 전기적인 반발력을 익낼 수 있다면 양성자끼리 충돌하는 경우도 충분히 나타날 수 있다.
양성자 두 개가 충돌하면, 즉 서로 간의 거리가 충분히 가까워진다면 그 순간부턴 전기적인 반발력보다 훨씬 강한 힘인 강한 핵력이 작용하기 시작한다. 강한 핵력은 원자핵이 붕괴되지 못하도록 양성자와 중성자를 붙잡아 두는 힘이다. 이렇게 양성자 두 개가 강력에 의해 하나로 합쳐지는 현상을 핵융합이라 부른다.
양성자 2개가 충돌해서 하나의 핵을 만들면 이 핵은 상당히 불안정한 상태를 가진다. 그래서 융합하는 과정에서 양성자 1개가 양전자 한 개를 만들고 전하량이 0인 중성자가 되는 베타 붕괴를 일으킨다.
양성자 1개와 중성자 1개인 원자는 중수소라고 부르며 핵융합으로 인해 탄생한 중수소핵은 또다시 양성자와 충돌할 수 있으며 이 과정에서 양성자 2개, 중성자 1개인 헬륨-3의 원자핵이 만들어진다. 헬륨-3는 또 다른 헬륨-3와 충돌해 결국 헬륨 원자핵 만든다.
항성에서는 이와 같은 반응이 연쇄적으로 일어난다. 이를 밝혀낸 과학자는 한스 베테(Hans Bethe, 1906~2005)다.
핵융합 과정에서 핵끼리 합쳐져 새로운 원자핵을 만들 때 충돌하기 전 핵들의 질량의 합과 핵융합으로 합성된 핵의 질량이 다르다. 베테는 이 질량 차이는 아인슈타인의 질량-에너지 동등성 공식에 의해 에너지로 방출되며 이 에너지가 항성이 내뿜는 에너지라고 설명했다.
베테는 핵융합에 대한 이론을 확립하였으며 수소 핵융합의 에너지가 항성 에너지의 기원임을 밝혀낸 공로로 1967년 노벨 물리학상을 수상한다.
핵융합의 원리를 이용해 KSTAR와 같이 핵융합 발전에 유용하게 사용될 수 있지만 역사적으로 핵융합이 먼저 사용된 곳은 무기 분야였다.
실제로 베테는 2차 세계대전 당시 원자 폭탄을 만든 '맨해튼 프로젝트'의 일원으로 상당히 주요한 역할을 하였으며 원자 폭탄의 효율성을 계산하는 '베테-파인만 방정식'을 만들기도 하였다. '맨해튼 프로젝트'는 결국 원자 폭탄을 만드는데 성공하였고 원자폭탄은 히로시마와 나가사키에 떨어져 2차 세계대전을 종식시켰다.
2차 세계대전 이후 베테는 핵융합 이론을 만들었는데 이는 수소 폭탄의 개발로 이어졌다.
핵융합 과정은 현재에도 인간이 실제로 응용 가능한 에너지 발전 방법 중 사용되는 연료 대비 가장 효율이 좋은 방법이다. 이를 무기로 활용한다면 역사상 가장 강력한 무기가 될 것이며 실제로 수소 폭탄을 능가하는 무기는 아직까지 만들어지지 않았다.
그래서 베테는 처음에는 수소 폭탄 개발에 반대하였으나 한국 전쟁이 발발하자 결국 계획에 참가해 수소 폭탄을 만드는데 기여하였다.
마침내 만들어진 수소 폭탄은 다행히 한 번도 전쟁에 사용되지 않았고 성능 테스트 용도로만 기폭 되었는데 실험한 폭탄 중 가장 강력했던 '차르 봄바'는 서울을 지도에서 지워버릴 수 있을 정도로 강력한 위력을 자랑했었다.
현대에는 핵융합을 잘 조절하여 일어나는 연료를 필요한 만큼만 투입해 에너지를 얻는 핵융합 발전에 사용하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다.
수소 폭탄은 높은 밀도를 가진 고체 리튬에서 핵융합 반응을 일어나게 하여 거대한 폭발을 일으켰지만 핵융합 발전은 밀도가 낮은 플라스마에서 핵융합을 일으키기 때문에 폭발의 위험성이 없다. 따라서 핵융합 발전은 매우 안전하고 효율적인 에너지 발전 방법으로 각광을 받고 있다.
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[MHN 과학] 태양을 만들 수 있을까? 1967 노벨 물리학상 : 핵융합
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