운동하지 않는 물체 또한 에너지를 가지고 있다.

E=mc²

에너지 질량 등가 공식입니다.

 

상대론적 운동에너지를 연구하다가 발견한 공식입니다.

 

 

기존 뉴턴역학체계에서는 상상하기 힘들었던

 

정지하고있는 물체가 에너지를 가지고있다는 사실이 수학적으로 유추되게 되는것 입니다.

 

이 공식을 좀 더 쉽게 들여다 보자면 

 

질량을가지고 있는 어떠한 입자가 자신의 형태를 유지하기위해서 아주커다란 에너지를 머금고 있다는 의미입니다.

 

 

 

이 공식에서 말하는 입자를 유지하는 에너지를 발현시켜서, 그 에너지를 활용 하는것이 바로

 

핵에너지를 이용하는 방법입니다.

 

 

 

 

그렇다면 대체 어떻게 mc²만큼의 에너지를 발현시킬수 있을까요?

 

우리가 자연에서 선택할수 있는 방법은 2가지가 있습니다.

 

하나는 큰 핵을 작게 쪼게는 핵분열과,

 

다른 하나는 작은핵을 크게만드는 핵융합입니다.

 

우선 핵분열을 통해 에너지를 얻는 과정을 알아보도록 하겠습니다.

 

1. 일단 아주 무거운 핵 하나를 준비합니다.

 

2. 그 다음 이 핵에 중성자를 때려박습니다.

 

3. 핵을 유지하고 있던 에너지의 벨런스가 깨지게 되면서 핵이 두동강으로 쪼개지게 됩니다.

 

4.기존의 핵을 유지하기 위해 사용되고 있던 정지에너지와 쪼개진 핵을 유지하기 위해 사용되는 각각의 정지에너지 간의 차이가 발생하게 되며,

 

바로 이 차이만큼! 핵 주변으로 에너지가 쏟아져나오게 됩니다.

 

이것이 바로 핵분열을 통해 핵 에너지를 얻는 방법입니다.

 

 

여기에서 지속적으로 핵에 중성자를 투입하는것은 기술적으로나 비용적으로나 매우 까다롭기 때문에

 

분열을 함과 동시에 중성자를 방출하는 물질을

 

핵 에너지를 연구하는 인류 최대의 연구

 

'맨해튼 프로젝트'가장 초기단계에서 발견해내기 위해 노력했던 것이며

 

그러한 노력을 통해 찾아낸 원소가 바로 ²³⁵U(우라늄 방사성 동위원소)인 것입니다!

 

 

핵분열반응을 하면서 나오는 여러개의 중성자 중 한개의 중성자만 다음반응에 참여하도록 만드는 과정이 바로 

 

원자력 발전에 사용되는 방법이며,

 

이 반응을 조절하지 않고 순식간에 연쇄반응을 일으키는것이 바로 원자폭탄의 원리가 되는 것입니다.

 

그런데 핵분열 에너지의 치명적인 약점이 나타나게 됩니다.

 

우라늄의 분열로 생성된 두개의 원자핵들은

 

상대적으로 자연에서 존재하는 원자핵의 상태보다 많은량의 중성자를 가지고 태어나게 됩니다.

 

이 때문에 생겨나는 과잉에너지를 뱉어내기 위해 주변으로 전자, 또는 α입자를 뱉어내는 방사성 붕괴를 일으키게 됩니다.

 

이러한 방사성 붕괴 때문에 만들어진 에너지를 우리는 Ionazing Radiation(이온화 방사선)이라고 부르며

 

바로 이 이온화 방사선이, 세포 속 DNA에 심각한 손상을 일으키는 주범으로 작용하게 되어

 

각종 암등 세포의 돌연변이를 일으키게 되고, 치사수치보다도 더 높은 방사선에 노출될 경우

 

심각하면 죽음에 이르게도 할 수 있는 매우 위험한 방사성 폐기물을 생산해내게 되는것이 바로 핵분열 과정이 되는것이죠.

 

반면 핵융합은 핵분열과는 다르게, 서로 다른 핵이 한데 뭉치게 되어 발생하는 에너지 입니다.

 

우리의 자연은 매우독특해서 아주 무거운 원소가 자신의 형태를 유지하는데 큰 정지애너지를 보유하고 있는 반면,

 

아주 가벼운 원소는 가벼움 그 자체만으로 커다란 정지애너지를 보유하고 있죠.

 

핵 융합에너지에 사용되는 대표주자, 수소를 예로 들어

 

수소는 양성자 하나 주위에 확률적으로 1개의 전자가 확률적으로 존재하는 모습을 하고 있습니다.

 

 

놀라운 것은 이 수소하나를 유지하는 에너지 보다,

 

수소보다 묵직한 핵을 가지고있는 헬륨을 유지하는 에너지가 더 적게 든다는 사실이에요.

 

 

그렇기 때문에 수소(²H)와 수소(³H)가 결합하게 되면 우라늄이 붕괴 했을때 처럼

 

에너지를 바깥으로 방출하게되는것이죠.

 

그렇다면 수소(²H)와 수소(³H)를 충돌시켜 어떻게 헬륨(⁴H)으로 만들어 낼 수 있을까요?

 

해답은 비교적 간단합니다!

 

수소 핵끼리 서로 밀어내는 반발력,

 

즉 전기력의 반발력을 뚫고 들어가 10^-15m만큼의 아주 짧은거리, 1fm(페르미) 거리 만큼 근접하게 만들면 됩니다.

 

이렇게 근접한 거리의 핵자들 즉 양성자끼리 마주보게 되면, 전기적 반발력 보다 훨씬 큰 힘이

 

이 둘을 꽉 붙들어 묶어버립니다.

 

 

이 힘이 바로, 지구(전 우주)상에 존재하는 가장 큰 힘. '강한 핵력'입니다.

 

'강력', '강한 상호작용'이라고도 불리는 이 힘에 속박된 양성자들은 자신들의 형태를 유지하기 위한 정지에너지가 줄어들게 되며

 

바로 이 순간 에너지가 방출되는 것이 핵융합 에너지랍니다.

 

하지만 무턱대고 충돌시킨다고 해서 핵융합이 일어나는 것은 아닙니다.

 

여기에는 반드시 필요한 3가지의 조건이 있죠.

 

1. 충분히 묵직하게 충돌시키기위해서 질량이 큰 수소인 중수소와 삼중수소를 충돌 시켜야한다.

 

2. 수소 주변의 반발력을 최소화하기 위해서 전자를 떼어 놓은 상태인 플라즈마 상태를 유지해야된다.

 

3. 10^-10m인 1fm까지 접근하면서 생겨나는 수소의 반발력을 가뿐이 이겨낼 만큼의 가속이 충분히 이루어져야한다.

 

이러한 조건이 상시적으로 충족되면서 지금도 우주공간 속에서 찬란하게 빛나며

 

핵융합 에너지를 사방으로 방출 하고 있는 천체를 우리는 '별' 또는 '항성'이라고 부릅니다.

 

우리에게 가장 친밀하면서, 다이렉트로 에너지를 공급해주는 '항성'이 바로 태양인데요.

 

태양 속은 막대한 중력 영향 덕분에 압력과 온도가 아주 높은 환경이 자연스레 조성되면서 

 

고온 플라즈마 상태의 수소원자들이 사방으로 튀어다니며 충돌하게 됩니다.

 

이때 자연스레 핵융합이 일어나면서 계속해서 주변에 핵융합에너지를 방출하기 때문에

 

연소 할 것이 아무것도 없는 우주공간 속에서도 태양은 찬란하게 빛날수 있는 것이랍니다.

 

하지만 태양과 같은 조건을 우리가 살고 있는 지구상에서 만들기란 쉽지 않습니다.

 

아주 극단적인 방법을 제외하면 말이죠.

 

예를들면 원자폭탄을 터뜨려서 그 속에 수소를 꽉 우겨넣는 형태라던가요.

 

하지만 전기에너지 고작 조금 만들자고 지구를 작살낼수는 없겠죠?ㅎㅎ

 

어떻게 하면 될까요? 어떻게하면 태양에서 이루어지고 있는 핵융합을 안전한 방법으로 이용할수 있을까요?

 

그에 대한 연구가 3가지 방향으로 연구되고 있습니다.

 

1. 첫번째 방법은 'NIF'라는 약칭으로 불리는, 국립점화시설(national ignition facility)에서 고안된 방법입니다.  

 

손톱만한 크기의 금속 원통 속에 중수소와 삼중수소를 넣어둔 뒤 ,

 

이 안에 엄청난 고에너지의 레이저를 방출시키면 레이저의 에너지를 흡수한 원통의 내부에

 

강력한 X선이 원통 중심을 향해 방사되게되며 이때 수소의 핵이 빠르게 가속하여 핵융합이 일어나게 되는 방식입니다.

 

그러나 아직 이 INF는 핵융합을 일으킬만한 에너지 수준에는 도달하지 못했다는 문제점을 가지고 있어서 좀더 많은 연구가 필요하다고 합니다.

 

 

2. 두번째 방법은 'MagLIF프로젝트'라고 불리는 자기화(Mag) 선형(Linear) 관성(Inertia) 핵융합(Fusion) 프로젝트 입니다.

 

아이디어는 다음과 같습니다. 핵융합원료로 채워진 냉각된 원통을 준비한 뒤 강력한 레이저를 통해 핵융합연료를 폭발시킵니다.

 

매우 뜨거워진 연료가 원통에서 벗어나기 전에 엄청나게 큰 축전기를 이용해 아주 강력한 전기방전을 일으켜 막대한 자기장을 방출시킵니다.

 

이 자기장이 원통을 찌부러뜨리면서 내부에 있는 수소들의 핵융합을 이끌어 내는 것이 바로 이 실험의 구동방식입니다.

 

이 연구는 많이 이루어졌고 큰 성공 가능성을 보였다고 합니다.

 

다만 에너지 투입대비 뽑아낼 수 있는 에너지의량, 즉 에너지 효율이 아직까지는 마이너스라고 합니다. 연구가 순조롭게 진행된다면

 

2020년에는 투입하는 에너지보다 산출되는 에너지가 더 많아질것이라고 하니 기대해볼만 하죠? 

 

3.마지막 방법이자 우리가 가장 잘 알고 있는 방법, 그래서 아이언맨의 아크 리액터의 모티브가 된 바로 그 방법인,

 

ITER, 국제(International) 열핵융합(Thermonuclear) 실험(Experimental) 원자로(Reactor)의 방식을 알아보도록 할까요?

 

ITER은 토카막이라는 장치를 이용하는 핵융합 원자로 입니다.

 

토카막은 자기장 코일을 이용한 도넛형 가둠장치라는 의미의 러시아어 단어들의 첫글자를 모아 만든 줄임말로서,

 

뻑뻑한 밀가루 대신 플라즈마가 가득 차 있는 아주 거대한 도넛을 생각하면 이 구조를 쉽게 이해할 수 있답니다.

 

이 도넛 안에, 핵융합에 필요한 수소플라즈마를 가득 담아둡니다.

 

그 다음 도넛에 전기충격, 또는 전자기파 조사(쬐어주기), 중성자빔 조사(쬐어주기) 등으로 도넛의 에너지를 점점 높이면서

 

플라즈마의 활동성, 즉 온도를 점점 상승시킵니다.

 

이렇게 되면 도넛 전체에 가해지는 자기장 속박에 의해 항상 수소원자는 도넛의 중심부에서만 움직이게 되며,

 

충분히 충돌에너지에 가까워진 수소들이 서로 핵융합되면서 에너지를 방출하는 형태가 이 실험장치의 구현 형태인 것입니다.

 

ITER 방식은 오늘날 가장 큰 규모를 가지고 있고 가장 막대한 자금이 투입되고 있는 핵융합발전 방식입니다.

 

우리나라도 KSTAR라고 불리는 원자로를 이용해서 한국형 핵융합 프로젝트를 진행하고 있습니다.

 

불행하게도 ITER프로젝트 또한 다른 많은 거대한 과학 프로젝트들 처럼 연구결과가 지연되고 있으며

 

연구에 투입되는 비용 또한 나날이 증가하고 있어서 여러 어려움을 겪고 있다고 합니다.

 

하지만 그럼에도 불구하고 우리 인류가 핵융합에너지 개발을 위해 노력하는 이유는 너무나 자명합니다.

 

만약에 이 에너지가 상용화 되게된다면 우리는 기존의 석탄, 석유등의 소비로 발생하는 온실가스를 확연하게 줄일수 있으며

 

석유와 석탄 그리고 천연가스를 통해 생산 할 수 있는 공산품들의 전반적인 비용의 절감을 누릴수 있으며

 

무엇보다도 핵에너지를 이용할때 기존에 발생하던 핵폐기물, 방사능 오염으로부터 아주 자유로워질 수 있게 될것입니다.

 

상상만해도 두근거리지 않나요?