꿈의 에너지 핵융합 발전

가벼운 원자핵 둘이 합쳐져 무거운 핵이 되면 에너지가 나온다. 이것이 핵융합이다.

질량이 줄어든다

융합 전후의 질량을 정밀하게 재면 결과물이 조금 가볍다. 이 차이를 질량 결손이라 한다.

줄어든 질량이 에너지로 바뀐다. 질량과 에너지의 관계식에 따르면 작은 질량도 큰 에너지에 해당한다. 빛의 속도의 제곱이 곱해지기 때문이다.

같은 원리가 핵분열에도 적용된다. 차이는 방향이다. 철보다 가벼운 핵은 합칠 때, 무거운 핵은 쪼갤 때 질량이 줄어든다. 철 부근이 가장 안정한 상태다.

왜 어려운가

원자핵은 모두 양전하를 띤다. 같은 전하끼리는 밀어낸다. 가까워질수록 반발력이 커진다.

충분히 가까워지면 강한 핵력이 작용해 결합한다. 그러나 그 거리까지 도달하려면 반발을 이겨야 한다.

방법은 속도다. 원자핵을 아주 빠르게 움직이게 하면 반발을 뚫고 충돌할 수 있다. 빠르게 움직인다는 것은 곧 온도가 높다는 뜻이다. 필요한 온도가 1억 도 수준인 이유다.

양자역학적 터널링 덕분에 고전역학이 요구하는 것보다는 낮은 온도에서도 일부 반응이 일어난다. 태양 내부에서 융합이 가능한 것도 이 효과가 관여한다.

세 가지 조건

발전이 성립하려면 세 값의 곱이 일정 수준을 넘어야 한다. 온도, 밀도, 그리고 에너지가 유지되는 시간이다. 이 조건을 로슨 기준이라 한다.

온도만 높아서는 안 된다. 입자가 충분히 많아야 충돌이 일어나고, 그 상태가 충분히 오래 유지돼야 한다.

세 값 사이에는 맞바꿈이 있다. 밀도가 낮으면 시간을 길게, 시간이 짧으면 밀도를 높게 가야 한다. 자기 가둠 방식은 낮은 밀도를 긴 시간으로, 관성 가둠 방식은 짧은 시간을 극도로 높은 밀도로 보완한다.

핵분열과의 비교

핵융합이 주목받는 이유는 몇 가지다.

연료를 구하기 쉽다. 중수소는 바닷물에서 얻는다.

연쇄 반응이 아니다. 조건이 조금만 흐트러져도 반응이 멈춘다. 폭주할 수 없는 구조라는 점이 안전상의 이점으로 설명된다.

고준위 방사성 폐기물이 나오지 않는다. 다만 방사성 물질이 전혀 없는 것은 아니다. 중성자를 맞은 구조 재료가 방사화되며, 삼중수소 자체도 방사성 물질이다. 다만 반감기가 상대적으로 짧아 관리 기간이 다르다는 점이 차이로 꼽힌다.

시점에 대한 전망

핵융합 발전은 오랫동안 수십 년 뒤의 기술로 이야기돼 왔다.

최근 상황이 달라진 부분이 있다. 고온초전도체로 더 강한 자기장을 만들 수 있게 되면서 장치를 작게 만들 여지가 생겼고, 민간 투자가 늘었다.

다만 실증로에서 전력을 생산하고 상업 발전소가 운영되기까지는 여러 단계가 남아 있다. 재료 문제와 연료 순환 문제가 아직 해결되지 않았다는 점에서, 구체적인 시점을 말하기는 어렵다는 견해가 일반적이다.