핵연료자원 2장 : 핵융합 에너지(nuclear fusion)의 발전과 미래

핵연료자원 2장 : 핵융합 에너지(nuclear fusion)의 발전과 미래 [핵융합에네르기]

핵융합 (nuclear fusion)은 무한에 가까운 에너지를 공급할 수 있다. 핵융합이란 초고온·초고압 상태에서 가벼운 원자핵을 융합시켜, 보다 무거운 원자핵을 만드는 것이다. 이러한 융합과정에서 가벼운 원자들의 결합에너지는 방출된다. 핵융합의 한 예로 수소폭탄의 경우 2개의 중수소 (deutrium)가 결합하여 1개의 삼중수소 (tritium)를 만들며, 이때 하나의 중성자가 방출되면서 1 MeV에 해당하는 에너지를 발생시킨다.

 

핵융합은 플라즈마 (plasma) 상태에서 이루어지는데, 플라즈마는 고온에서 전자와 핵이 분리된 채 섞여있는 상태이다. 핵융합은 고온플라즈마를 고밀도로 가두는 토카막 (Tokamak)을 이용하는데 (그림 5-9), 토카막형은 반지 (ring) 모양의 장치에 감은 코일 (coil)에 의해 생성된 자기장에 유도된 플라즈마 자신에 전류를 흐르게 하여 전리된 입자를 플라즈마 속에 가두어 충돌시키는 방식이다. 이러한 상태에서 핵들은 쿨롱 반발력을 이기고 서로 융합을 하게 되는데, 반응조건은 온도가 4,000만 ℃ 이상으로 이러한 고온을 발생시키는데 많은 어려움이 있다. 이외에 헬리컬 (helical)형과 레이저 (laser)형이 있는데, 전자는 나선 모양으로 감은 코일에 전류를 흐르게 하여 생성된 자기장으로 플라즈마를 가두는 방식이다. 레이저형은 중수소와 삼중수소 덩어리 (pellet)에 레이저를 쏘아 플라즈마를 가열하여 순간적으로 핵융합 반응을 일으키는 것이다. 또 다른 핵융합 방법은 중력을 이용하여 융합물질을 감금하는 것이다. 이 경우, 중수소와 삼중수소가 들어 있는 작은 입자에 강한 레이저광선을 여러 방향에서 쏘이면, 고온에 의해 입자가 폭발하려고 할 때 폭발을 내부 쪽으로 유도함으로써 핵융합 조건을 만족시키는 것이다.

그림 5-9. 토카막 JT60.(일본)

중수소는 바닷물에 매우 풍부하게 용해되어 있어 원료가 매우 풍부하므로 값이 저렴하며 유해한 방사능이 거의 없고 불의의 사고 시 위험을 적게 할 수 있다는 장점이 있다. 삼중수소는 바닷물에 대량으로 들어있는 리튬으로 만들 수 있다. 따라서, 핵융합에 필요한 자원은 거의 무한하다 할 수 있다. 또 다른 핵융합연료로써 달에 He3이 매장되어 있는 것으로 확인되었다. 미국지질조사연구소 (USGS)의 연구팀은 He3이 달에 매장되어있는 것을 확인하였으며 21세기 핵융합에너지 원천이 될 가능성이 있을 것으로 예상하고 있다. 이 연구에 따르면 He3의 농축에 영향을 미치는 요인은 달 암석의 연령, 암석의 형태, 그리고 태양풍의 세기 등이다. He3의 추정 매장량은 약 100만 톤이며, 매장지는 '고요의 바다'와 '프로셀라륨 대해', '치올코브스키 분화구' 및 '오리엔탈 바다' 등이다. He3과 중수소를 활용하는 핵융합원자로는 극히 적은 양의 중성자를 발생시켜 재래식 삼중수소-중수소 융합원자로와 달리 방사능을 생성시키지 않는다는 이점이 있다.

1980년대 말에 발표된 상온핵융합 연구는 현재까지 정확한 실험과정에 대한 검증이 되지 않고 있다. 그러나, 만약 이러한 현상이 실제상온에서 일어난다면 바닷물 속에 있는 중수소를 모두 에너지로 전환할 경우 지구전체에너지수요를 수 십억 년 이상 충족시킬 수 있는 양으로, 인류의 숙제인 에너지문제는 완전한 해결을 보게될 수 있다. 이에 따라, 핵융합에너지 발생원자로는 '꿈의 원자로'가 될 수 있다. 이러한 원자로가 인류를 에너지위기로부터 구출할 수 있는 현실성 있는 방법인지, 아니면 과학자의 한낮 꿈에 불과할지는 앞으로 많은 시간이 지나야 해답을 얻을 수 있을 것이다


2009/05/08 - [유익한자료] - 핵연료자원 1장 : 핵분열에너지 원리와 원자력발전