여러분들은 혹시 핵융합발전에 대해 들어보신 적 있으신가요? 영화나 드라마 속에서나 보던 이야기인데 말이죠. 하지만 실제로 우리나라에서는 2040년대 상용화를 목표로 연구 개발 사업이 진행되고 있다고 합니다. 현재 미국, 중국, 일본도 정부 차원에서 지원을 아끼지 않고 있고요. 미국의 주요 핵무기 연구 기관인 ‘로렌스 리버모어 국립 연구소’가 최근 2주 사이 실시한 핵융합 실험에서, 투입한 에너지보다 19% 많은 에너지를 만들어내는 데 성공했습니다. 꿈의 에너지인 핵융합발전의 새 지평을 열었다고 평가되고 있습니다. 여러분은 이 실험이 궁금하지 않으신가요? 궁금하시다면 계속해서 스크롤을 내려주세요!
핵융합 에너지란 무엇인가?
물질을 구성하는 원자는 중심에 양성자와 중성자로 구성된 핵을 가지고 있고, 전자는 그 주위를 돈다. 그러나 매우 높은 온도에서는 원자핵과 전자가 분리된 플라스마 상태가 된다. 플라스마 상태의 가벼운 원자핵은 빠른 속도로 움직이며 서로 충돌하여 무거운 원자핵으로 결합하는데, 이를 핵융합이라고 한다.
생성된 핵의 질량은 충돌 전 두 핵의 질량을 합친 것보다 작다. 이때 질량과 에너지의 관계를 표현한 아인슈타인의 특수상대성이론의 공식 'E=mc²(E는 에너지, m은 질량, c는 빛의 속도)'에 따라 손실된 질량이 에너지로 변환되어 엄청난 에너지가 생성된다.
빛의 속도는 대략 3억 m/s이므로 50원짜리 동전의 질량인 4g을 모두 에너지로 환산하면 E=0.004kg×(3억 m/s) 2가 된다. 생성되는 에너지는 36 × 1010kJ이다. 이 에너지는 인구 8만 명 도시가 가구당 평균 전력 소비량이 5000㎾h일 때 1년간 쓸 수 있는 전기에너지와 맞먹는 양이다.
핵융합 발전은 어떻게 이루어지나?
태양에서 일어나는 핵융합 반응이 지구에서 일어나려면 태양보다 훨씬 높은 온도인 1억도가 필요하다. 태양의 중심은 강한 중력에 의해 압축돼 원자의 밀도가 높아 1500만 도의 온도에서도 원자가 쉽게 충돌하지만 지구는 그런 환경이 아니다.
결국 발전소를 건설하기 위해서는 지구상에 존재하지 않는 1억도가 넘는 초고온 플라스마를 만들어야 하고, 이 플라스마를 담을 그릇도 필요하다. 하지만, 지구상에 1억 도의 온도를 견딜 수 있는 물질은 없습니다. 그래서 초고온 플라스마를 진공용기에 넣어 자력으로 띄우고 벽에 닿지 않도록 고정하는 기술이 개발됐다.
공장에서 핵융합이 일어나는 곳은 거대한 전자석으로 둘러싸인 도넛 모양의 장치다. 이 장치에 연료인 중수소와 삼중수소를 진공 상태로 넣고 온도를 올리면 플라즈마 상태가 된다.
전자석에 의해 생성된 자력선 덕분에 플라즈마는 용기의 벽에 직접 닿지 않고 장치를 통해 순환한다. 플라스마 상태의 중수소와 삼중수소는 온도가 1억 도에 이르면 서로 충돌해 핵융합 반응을 일으킨다. 그러고 나서, 반응에서 생성된 에너지는 물을 끓여서 증기로 만들고, 이것은 발전기를 전기를 생산하도록 바꾼다.
핵융합발전 획기적인 돌파구 마련
미국의 대표적인 핵무기 연구기관인 로렌스 리버모어 국립연구소는 지난 2주간 진행된 핵융합 실험에서 입력 에너지보다 19% 더 많은 에너지를 발생시키는 데 성공했다. 연구소 과학자들은 수소 원자가 들어 있는 캡슐 모양의 실험 장치를 향해 강력한 레이저를 발사해 고온의 기체 상태(플라스마)를 만들었다. 이후 파장이 매우 짧은 X선이 발생해 캡슐 내부를 가열하고 핵융합을 위한 조건을 만들었다.
핵융합이 일어나기 위해서는 섭씨 1억도 이상의 고온이 필요하고, 이 고온을 유지하기 위해서는 엄청난 에너지가 필요하다. 이 때문에 핵융합을 상용화하기 위해서는 자동적으로 핵반응이 계속되도록 유도하여 생성된 에너지가 입력에너지를 초과하는 상태를 유지할 필요가 있다. 이러한 어려움 때문에, 많은 과학자들은 핵융합 발전소가 상업적으로 이용 가능하게 되기까지는 수십 년이 걸릴 것이라고 믿는다. 그러나 현재 핵무기나 원자력 발전에 사용되는 핵분열 기술보다 방사능 오염의 위험성이 없다는 점에서 훨씬 안전한 것으로 평가받고 있다. 핵융합의 또 다른 큰 장점은 탄소 배출 없이 많은 에너지를 생산할 수 있다는 것이다. 이론적으로, 수소 연료의 작은 컵은 수백 년 동안 한 가정에 충분한 에너지를 생산할 수 있다.
지금까지 핵융합발전에 대해서 알아봤습니다.
지금 우리나라 연구진도 사활을 걸고 있는걸로 알고 있습니다.
앞으로도 좋은 성과 있길 바라며, 또 좋은 소식 있으면 찾아뵙겠습니다.
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꿈의에너지 핵융합발전 돌파구 마련!! (tistory.com)
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