지구상의 핵융합에 대한 이해

Nuclear fusion display at the Weiss Energy Hall. https://www.flickr.com/photos/kfellows/4908466769

태양의 핵융합

태양은 4개의 경수소가 하나의 헬륨이 되는 핵융합반응으로 막대한 에너지(26.2MeV. MeV는 에너지의 단위)가 만들어지고 있습니다. 그러나 갑자기 이 반응이 일어나는 것은 아닙니다. 먼저 2개의 경수소에서 하나의 중수소가 생성되고 그 후에 중수소와 다른 경수소에서 삼중수소가 생성되는 등의 반응시리즈(pp체인. P는 경수소의 원자핵 proton(양성자)의 머리글자)에 의해 헬륨이 만들어집니다.

Nuclear Fusion Proton–proton Chain Reaction. https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Fusion_dans_le_Soleil.svg

이 반응시리즈는 매우 천천히 진행됩니다. 특히 첫 번째 단계인 경수소 · 경수소 반응은 매우 일어나기 어려운데, 태양의 중심(온도 1600만도, 압력 2400억 기압)에서도 경수소 당 100억 년에 1회 정도밖에 반응하지 않습니다. 태양의 나이가 약 46억 년이므로 얼마나 느린 반응인지 알 수 있습니다. 그래도 태양은 매우 크고 경수소의 숫자도 엄청나기 때문에, 개별 반응은 적지만 전체적으로 보면 수많은 반응이 일어나 저렇게 빛나는 거대한 에너지를 생산할 수 있는 것입니다.

NASA's SOHO Sees Sun Popping Out All Over. https://www.flickr.com/photos/gsfc/4923566097

지구상의 핵융합

지구상에서 핵융합을 일으켜 에너지를 꺼내 사용하려고 시도하는데, 태양에서와 같은 경수소 · 경수소 반응이 거의 일어나지 않기 때문에 사용할 수 없습니다. 그래서 더 반응하기 쉽고 지구상에서 실현 가능한 다른 조합을 사용해야 합니다. 일부 후보가 있지만, 반응의 용이성 순으로 나열하면 다음과 같습니다.

1. 중수소와 삼중수소에서 헬륨과 중성자가 생성되는 반응(발생하는 에너지 17.6MeV).
2. 중수소와 중수소에서 삼중수소와 경수소(발생하는 에너지 4.03MeV) 또는 헬륨3(질량수 3의 헬륨의 동위원소)와 중성자가 생성되는 반응(발생하는 에너지 3.27MeV). 어느 쪽이 될지는 반반입니다.
3. 중수소와 헬륨3에서 헬륨과 경수소가 생성되는 반응(발생하는 에너지 18.3MeV).

그러나 이러한 반응을 일으키기 위해서는 초고온의 플라즈마를 만들 필요가 있습니다. 중수소와 삼중수소의 반응은 1억 도 정도, 중수소와 중수소의 반응 및 중수소와 헬륨3는 10억 도 정도여야 합니다. 태양의 중심부가 1600만 도이므로 요구되는 초고온을 갖추는 것만으로도 상당한 고생입니다. 그래서 가장 낮은 온도에서 일어나고 반응 확률도 높으며(경수소와 경수소의 반응에 비해 1조 배의 1조 배 정도) 발생하는 에너지도 큰 중수소와 삼중수소의 반응에 의한 핵융합이 가장 실현 가능성이 커 연구개발을 진행하고 있습니다.

deuterium-tritium fusion diagram. https://sk.m.wikipedia.org/wiki/S%C3%BAbor:Deuterium-tritium_fusion.svg

Animated D-T fusion. https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Animated_D-T_fusion.gif

중수소와 삼중수소는 반응에서 발생하는 에너지의 80%를 중성자가 가지고 튀어나옵니다. 핵융합로에서는 이 중성자를 플라즈마로 둘러싼 특수한 벽으로 잡아내어 열로 변환하고 전기를 발생시키는 구조로 되어 있습니다. 중성자 자체는 특수 벽과 차폐벽으로 쉽게 막을 수 있으며, 핵융합반응은 핵분열과 같은 연쇄반응이 아니므로, 만일의 경우 반응이 즉시 정지하는 등 핵융합로의 안전성은 우수합니다. 그러나 중성자를 막는 부분에서는 중성자에 의한 방사화나 재질의 변화 등이 발생할 수 있으므로 그 영향이 적은 재료의 연구개발이 활발하게 진행되고 있습니다.

Nuclear Fusion Reactor. https://www.flickr.com/photos/jurvetson/4844626925

중수소와 삼중수소의 반응에 의한 핵융합을 첫 세대 핵융합으로 본다면, 중수소와 중수소의 반응에 의한 핵융합은 2세대 핵융합으로 간주할 수 있습니다. 그 이유는 중수소와 삼중수소의 반응에 비해 더 높은 온도가 필요하므로 더욱 진보된 기술이 필요하게 되어 수십 배 어렵고, 첫 세대 핵융합을 실현한 후 플라즈마 기술이 더욱 진보되어야 실현이 가능하다고 예상되기 때문입니다. JT-60은 플라즈마 온도 5.2억 도를 달성해 세계기록을 가지고 있습니다만, 아직도 격차가 큰 것이 현실입니다. 그러나 리튬을 원료로 인공적으로 만들어야 하는 삼중수소와 달리 중수소는 바닷물 속에 풍부하게 포함되어 있어 쉽게 채취할 수 있으므로, 중수소만으로 가능한 반응은 매력적입니다.

Verifying nuclear fusion concept. https://www.flickr.com/photos/sandialabs/7996524606

한편, 중성자가 가지는 에너지가 반응에서 발생하는 전체 에너지의 30% 정도까지 감소하지만, 중성자를 다루는 관점에서는 중수소와 삼중수소의 반응과 본질적인 차이는 없습니다.

참고로 중수소와 헬륨3의 반응은 중성자가 나오지 않는 것이 특징입니다. 반응에서 발생하는 것은 하 전입자(전기를 띤 입자 = 헬륨4와 경수소의 이온)뿐인데, 이 하전입자에서 직접 효율적으로 전기를 생성할 수 있을 가능성이 있습니다. 그러나 중수소와 삼중수소의 반응과 비교하면 역시 고온이 필요하고 헬륨3이 지구상에 존재하지 않는다는 것이 문제입니다. 즉, 현시점에서는 실현될 수 없습니다. 그러나 헬륨3가 달의 지표면에 풍부하게 묻혀있다는 것을 알고 있으므로, 언젠가 우주개발이 진행되어 달에서 헬륨3를 체굴한다면 미래에는 실현가능성이 커집니다.

Apollo 11 Mission image

어쨌든, 우선은 중수소와 삼중수소에 의한 핵융합을 실현이 모든 것의 시작입니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 地球上の核融合
https://www.qst.go.jp/site/jt60/5248.html