우리 인류를 위한 미래에너지 – 핵융합

왜 썼는지 잘 모르는 핵융합 레포트. 2002년 4월 5일 작성으로 되어 있다.

하드디스크 정리중 발굴하여 올려둠.

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우리 인류를 위한 미래에너지 – 핵융합

각종 산업이 고도로 발전되고 있는 현대사회에서는 새로운 대체에너지의 개발이 필수불가결한 문제로 떠오르고 있다. 현재 우리가 가장 많이 사용하고 있는 에너지자원인 석유, 석탄, 천연가스 등은 모두 화석에너지로, 1990년을 기준으로 한 조사결과에 따르면 석유는 43년, 천연가스는 58년, 석탄은 230년간 더 사용할 수 있다고 한다. 이들은 모두 매장량이 한정되어 있는데 반해, 에너지자원의 소비량은 급속도로 증가하고 있다. 또한 이들을 이용한 에너지발전은 환경파괴를 일으키기 때문에, 미래에너지로는 부적합하므로 이를 대신할 대체에너지가 필요한 것이다.

최근 많이 사용되고 있는 발전방식인 원자력발전도 우라늄을 이용하는 것이기 때문에 자원고갈의 문제가 생기게 된다. 특히 원자력발전은 발전 후의 핵폐기물 처리문제가 심각한 문제로 제기되고 있으며, 그 안전성여부의 문제도 사실상 보장받지 못한 상태이다. 세계에서 가장 안전한 곳이라던 러시아의 체르노빌 원전 사고, 미국의 드리마일 원전 사고 등이 그 좋은 예이다.

미래에너지가 갖추어야 할 조건으로는 그 에너지가 재생에너지여야 한다는 점이다. 재생에너지는 말 그대로 고갈되지 않고, 계속해서 다시 쓸 수 있는 에너지자원을 말한다. 대표적인 재생에너지로는 태양에너지, 지열에너지, 조력, 풍력 등을 들 수 있다. 이들은 모두 깨끗하고 고갈될 염려가 없다는 큰 장점을 지니고 있다. 그러나 에너지가 많이 집약되어 있지 않아 개발비용이 많이 들고, 현대 문명사회와 같이 많은 양의 에너지를 필요로 하는 사회에서는 그 실용성이 적다는 점이 한계로 지적되고 있다.

그리고 태양열이나 풍력은 기후에 절대적인 영향을 받기 때문에, 보조발전설비를 갖추어야 하며, 아직은 경제성이 없고 대규모 발전에는 그리 유망하지 못하다는 점들 때문에 여러 제약을 받고 있다. 그밖의 재생에너지들도 비슷한 사정이며, 효율성이나 경제성 측면에서 해결해야 할 문제들이 아직은 많이 남아있다.

장기간에 걸쳐 대량으로 사용가능하고, 채취와 수송에 있어 환경과 인체에 주는 피해가 적고, 사용하는데 있어 깨끗하고 안전한 미래에너지의 개발에 우리는 힘을 쏟아야 할 것이다. 현재 이러한 조건을 만족시키는 미래 에너지로 관심을 모으고 있는 것이 바로 수소핵융합 에너지이다.

핵융합이란 가벼운 원자핵이 융합하여 보다 무거운 원자핵이 되는 과정에서 에너지를 창출해내는 방법이다. 보통 수소원자의 핵은 하나로 되어 있고, 헬륨 원자의 핵은 양성자 2개와 중성자 2개로 되어있으며, 중성자는 양성자와 전자를 합쳐서 만들 수 있다. 따라서 헬륨은 수소원자 4개를 합쳐 만들 수 있다는 말인데, 그것은 사실 일어나기 힘든 일이다. 좀 더 효율적인 면에서 수소 중에서도 “중수소”를 쓰는데, 중수소는 일반 수소보다 두 배가 무겁다. 그러나 중수소도 분명 수소는 수소이다. 수소와 성질은 똑같지만, 무겁기 때문에 느리기 움직이므로 다른 보통 수소들과 분리할 수 있는 것이다. 아무튼 중수소의 원자핵은 양성자 1개와 중성자 1개로 이루어져 있는데, 이 중수소 2개를 합쳐서 헬륨을 만들게 된다. 여기서의 반응식은 중수소 + 중수소 → 헬륨, 즉 원자핵으로 풀이해보자면 양성자, 중성자 + 양성자, 중성자 → 양성자 2개, 중성자 2개라는 식이 나오게 되는데, 분명 양쪽의 수는 똑같다. 그러나 양성자 2개, 중성자 2개, 이런 식으로 뭉치게 되면 좀 더 가벼워지게 된다. 매우 조금이지만 가벼워지게 되는 것이다. 그리고 바로 그만큼의 질량이 에너지로 나타나게 되는 것이다.

그런 식으로 합쳐서 만들 수 있는 것은 원자번호가 철, Fe가 될 때까지이다. 즉, 철 앞부분의 원소들은 양성자와 중성자의 질량이 철이 가진 양성자와 중성자의 질량보다 무겁다. 그리고 그 뒤, 철 뒷부분의 원소들은 핵융합이 아니라 핵분열을 하게 된다. 여기서는 핵분열 하기 전보다 핵분열 한 후의 질량이 조금 더 가벼운데, 이 경우에도 엄청난 에너지가 나오는 것으로 알고 있다.

그런데 핵융합은 1억˚이상 2억~3억˚정도 되는 온도에서 일어나는 현상이다. 이정도 온도를 견딜 수 있는 재료는 아직까지 발견되지 않았으며, 견딜 수 있는 유일한 방법은 전자기력을 이용해서 전기를 띤 입자를 가두는 것인데, 예컨대 1초 이상만 가둘 수만 있다면 핵융합 반응을 일으킬 수 있다. 하지만 이 과정에서 효과적으로 에너지를 생산하기 위해서는 막대한 비용과 뛰어난 기술이 필요하기 때문에, 아직 수소핵융합을 이용한 발전이 보편화되지 못한 것이다.

그런데 최근 상온핵융합이라고 해서 20˚C정도(즉, 실온상태)에서 핵융합현상이 일어난다는 이론이 있는데, 그 연구에 우리나라 연구원이 관련되어 있다. 그 연구나 실험을 직접 한 것은 아니지만, 상온핵융합을 연구하는 미국 연구원이 쓴 결정적인 논문에 우리나라 연구원의 논문이 인용되었다는 것이다. 논문 인용은 매우 중요한 문제이다. 그런데 상온핵융합에 대한 실험장치는 의외로 간단하다. 비커에 물을 붓고, 니크롬선 하나를 넣어놓는다. 그리고 그 니크롬선을 순간적으로 가열하여 기포를 딱 하나만 만든다.(딱 한 개만 만드는 게 중요하다고 하다.) 이 기포에 초음파를 발사하면 기포가 빛을 내게 되는데, 이 현상을 초음파발광이라고 한다. 바로 여기에 주장이 제기된 것이다. 그 안에서 핵융합이 일어난 게 아니냐하고… 그래서 핵융합이 일어났느냐, 일어나지 않았느냐, 실험을 했는데, 핵융합이 일어나면 반드시 2.5MeV의 에너지를 가지는 중성자가 튀어나온다. 이 중성자를 검출했느냐, 다른 입자인데 착각한거냐. 이 문제로 논란이 제기되고 있는 것이다. 아무튼 핵융합이 일어났다는 확실한 증거만 잡으면 노벨상 수상감이니, 잘만 하면 노벨상 수상자가 논문을 이용한 연구원이 우리나라 연구원이 될 수도 있다는 것이다.

어쨌든 수소핵융합은 핵분열을 비롯한 다른 에너지 발전방식에 비해 장점이 많다. 원료가 풍부하고, 지구상의 분포율이 풍부하다는 점, 이산화탄소를 배출하지 않기 때문에 환경오염과 지구온난화문제를 일으키지 않는다는 점, 유해한 방사능이 적고 사고시의 위험성이 적다는 점, 연료가 비싸지 않다는 점(중요한 융합원료인 중수소의 가격은 같은 열량을 가지는 석탄가격보다 월등히 낮다), 핵융합에 쓰이는 중수소와 삼중수소는 보통의 바닷물에도 무한정 들어있어, 전기분해를 통해 언제나 얻을 수 있기 때문에 계속해서 다시 쓸 수 있는, 고갈될 염려가 없는 재생가능에너지라는 점이 그것이다.

그러나 현재, 한국에서 소위 ‘미래 에너지’가 차지하는 비중은 0.71%에 불과하며, 2006년까지 2%로 확대할 계획을 가지고 있다고 한다. 이러한 계획의 소극성도 문제지만 현재의 대체에너지 중에는 폐기물 에너지가 90%를 차지하고 있어, 실제 재생가능에너지의 역할은 거의 없다고 볼 수 있다. 그러나 재생가능에너지는 장기적인 에너지 대안의 핵심적인 요소로, 훨씬 적극적인 역할이 부여되어야한다. 현재 세계적으로 재생가능에너지의 생산비용은 계속 낮아지고 있으며, 가까운 시일 내에 완전한 가격 경쟁력을 갖게 될 것으로 기대되고 있다. 더구나 현재 많이 쓰이는 화력발전소와 핵발전소의 비용이 환경적 이유 때문에 계속 상승한다는 점을 고려해야 할 것이다. 최근 UN에 의해 지원된 한 연구에 따르면 2050년경에는 재생가능에너지가 전세계 전력생산의 60%를 담당하게 될 것이라고 한다.

우리나라의 경우도 이 미래에너지에 대한 적극적인 정책추진이 필요하다. 특히 수소핵융합에 대한 연구를 더욱 더 지원하게 된다면, 어쩌면 우리는 예상외의 또 다른 결과를 발견해 낼 수도 있을 것이다. (상온핵융합의 예처럼)

태양은 엄청난 규모의 핵융합로라고 할 수 있다. 우리 지구에서도 수소핵융합을 이용한 발전을 효과적으로 실현시킬 수 있다면 더욱 더 발전한 미래사회를 기대할 수 있을 것이다. 깨끗하고 엄청난 힘을 가지고 있는 수소핵융합발전. 가까운 시일 내에 수소핵융합을 이용한 발전이 보편화되기를 기대해 본다.

4 thoughts on “우리 인류를 위한 미래에너지 – 핵융합

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  1. 기포발광학 원 실험물리학자는 핵융합 이야기를 한 적이 없고, 그 것을 지켜본 사람들이 이야기를 만든 것이라더군요. 아무튼 기포발광학 재미있는 이야기예요. (근데 기포 한 개만 만드는 것이 중요하다는 것은 아니던데요.)

    오래간만에 이 이야기 나와서 재미있게 봤어요. ^^

  2. 안녕하세요 ^^*

    이제 막 티스토리 시작하게 되었는데, 같은주제 블로그 찾다 들리게 되었습니다.

    좋은 글 보고 가요~

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