핵발전

핵융합발전

핵융합제어

태양에서 핵융합이 일어나는 과정을 지구상에서 재현하고자 하는 것이 핵물리학자들의 오래된 꿈이었다. 수소의 동위원소인 중수소를 사용한 핵융합반응은 핵분열반응에 비하여 방사성 폐기물이 거의 생겨나지 않는 데다가 연료도 물에서 얼마든지 채취할 수 있기 때문에 핵분열을 천천히 일으킬 수 있다면 일거에 에너지 문제를 해결할 수 있을 것이다. 핵융합반응이 수소폭탄에서처럼 급격하게 일어나지 않고, 천천히 일어날 수 있는 방법을 오랫동안 연구하였으나 아직 성공하지 못했다. 성공하지 못한 근본적인 이유는 핵융합반응이 일어나기 위한 온도인 백만도 이상의 고온 상태를 유지하는 기술을 개발하지 못했기 때문이다. 백만 도 ~ 억 도의 물체를 가두어 둘 수 있는 물질로 만든 용기는 절대로 있을 수 없다!

그러나 자기장이나 레이저를 이용하여 고온의 상태를 공중에 뛰어 놓고 그 불덩어리 속에서 핵융합반응을 서서히 일어나게 하는 가능성이 있어서 이에 대한 연구가 활발하게 연구되어지고 있다.

D-T 반응로

핵융합반응을 제어할 수 있는 방법 중 그런대로 가장 가능성이 있다고 기대되는 것이 D-T 반응이다. 여기서 D는 중수소(deuteron)인 $^{2}_1\mathrm{H}$이고, T는 삼중수소(triton) $^{3}_1\mathrm{H}$이다. 둘 다 수소의 동위원소로서 지구상에 있는 물속에 함유되어 있다. 중수소는 수소 중에서 0.0156% 비로 존재하고 삼중수소는 10^-17%로 극미량이 존재하고 있다.

이 D와 T의 핵융합반응은 \[ ^2_1\mathrm{D} + {^3_1\mathrm{T}} ~\longrightarrow~ {^{4}_2\mathrm{He}} + {^1_0\mathrm{n}} \] 로서 이의 Q 값은 17.6 MeV 이다. 두 번째로 일어날 수 있는 반응은 D, T 혼합물 속에서 D 끼리 일어날 수 있는 \[ ^2_1\mathrm{D} + {^2_1\mathrm{D}} ~\longrightarrow~ {^{3}_2\mathrm{He}} + {^1_0\mathrm{n}} \] 반응으로서 4 MeV 의 에너지가 이 반응에서 방출된다. 이 두 반응의 방출에너지 값에서 알 수 있듯이 십만도 정도의 낮은 온도에서 D-T 간의 핵융합이 D-D 간의 핵융합에 비하여 10 배 정도로 쉽게 일어날 수 있어 비교적 저온에서 핵융합이 가능해진다. 이것은 T가 지구상에서 쉽게 구할 수 없는 약점을 극복하고도 남는 좋은 점이 된다.

만일에 십만도 정도의 고온을 생성시켜 이를 유지할 수만 있다면 이 핵반응은 순환적으로 일어나게 된다. 핵융합과정에서 만들어지는 중성자는 아주 큰 운동에너지를 가지고 있어 이것의 대부분을 발전에 이용한다고 해도 나머지로도 연료를 핵융합이 일어날 수 있을 정도의 온도로 유지하게 한다. 문제는 이 고온의 불덩어리를 가두어 두어야 하는 데 레이저 빔을 사용하는 시도를 하고 있다. 즉 시료인 D-T 연료봉의 사방에서 레이저를 비추어 공중에 떠 있게 하는 것이다.

위 그림은 레이저 빔으로 핵융합 연료인 D-T 연료봉을 붙잡아두어 핵융합반응을 제어하는 원리를 설명하고 있다. D-T연료봉에서 핵융합반응이 일어나고 있고, 이때 발생되는 중성자는 연료를 고온으로 유지할 수 있을 뿐만 아니라 주변을 감싸고 있는 리튬에 흡수되어 일부분을 삼중수소로 변환시킨다. 이는 삼중수소의 반감기가 12.32년으로 자연에서는 극미량 존재해서 리튬으로부터 다음 과정을 통해서 증식되도록 한다. \[ ^1_0\mathrm{n} + {^6_3\mathrm{Li}} ~\longrightarrow~ {^{3}_1\mathrm{T}} + {^4_2\mathrm{He}} \] \[ ^1_0\mathrm{n} + {^7_3\mathrm{Li}} ~\longrightarrow~ {^{3}_1\mathrm{T}} + {^4_2\mathrm{He}} + ~ {^1_0\mathrm{n}} \] 이렇게 생성된 삼중수소가 일부분 포함되어 있는 뜨거운 리튬은 열교환장치에서 식고, 증류법으로 리튬과 삼중수소가 분리된다.

한편 삼중수소와 중수소를 혼합하여 연료를 만들어 주어 일회의 순환이 마쳐지게 된다. 이 과정에서 삼중수소는 공급할 필요가 없이 오직 중수소가 연료로서 공급되면 된다.

[질문1] 레이저핵융합로의 연료 알갱이가 같은 수의 중수소와 삼중수소로 이루어졌다고 생각하자. 처음의 이들의 밀도 $250\mathrm{kg/m^3}$를 레이저의 압력으로 약 1,000배 정도로 증가시켰다. 압축된 상태에서 단위부피에 포함된 중수소와 삼중수소의 입자의 수를 계산하라.

[질문2] 인공적인 핵융합을 일으키는 방법으로 중수소나 삼중수소의 온도를 올리는 방법 외에도 가속기를 이용하여 이들을 직접 충돌시키는 방법도 가능하다. 이 경우 이들의 쿨롱 장벽을 극복하기 위해서 이들을 가속시키기 위해 걸어야 할 전압은 얼마일까? 이런 직접적인 방법이 가능하기는 하지만 이러한 방향으로 연구를 하지 않는 이유는 무엇일까?

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