핵융합

태양의 핵융합

대폭발 이후 중성자와 양성자 등의 입자가 생성되고 이들이 덩어리진다.

우주는 약 137억 년 전 대폭발(big bang)로부터 팽창하여 지금 현재의 모습을 하고 있는 것이 확실해 보인다. 지금 현재 우리가 인지할 수 있는 우주는 양성자보다 더 작은 크기에 응축되어 있다가 점점 팽창함에 따라서 기본입자로 믿어지는 쿼크들이 결합하여 중성자가 되고, 이 중성자들은 다음의 과정을 오가며 중성자, 양성자, 전자, 양전자 등이 열적평형을 이루고 있으리라 믿어진다.

그러나 우주가 더욱 팽창하여 온도가 식어감에 따라 물질들은 부분적으로 밀도가 높은 지점을 중심으로 중력에 의해 덩어리로 된 원시 별이 생겨난다. 각각의 별은 각각 다양한 크기를 가지게 되어 이들이 나중에 핵융합으로 에너지를 방출하면서 나름대로의 방식대로 변화되어 간다. 그중에서 우리 태양계의 중심을 이루는 태양은 처음에 응축된 중성자와 양성자 등의 구성물질이 상호작용하여 137억 년이 흐른 후 지금의 모습을 이루게 되었다. 현재 관찰된 태양의 구성물질과 활동상황으로부터 시간을 거슬러서 추적하면 태양이 어떤 과정을 밟아 왔는지를 거의 정확하게 추정할 수 있다. 처음의 태양은 주로 수소로 이루어져 있으며 수소는 핵융합 과정을 거쳐서 헬륨이 되면서 이 과정에서 계속해서 에너지를 방출하는 단계에 있다.

양성자-양성자 순환과정

다음 그림은 양성자-양성자 순환과정(proton-proton cycle)이라 부르는 일련의 과정이다. 이 반응에서 4개의 양성자가 하나의 헬륨으로 바뀌면서 1 과정당 약 26.72 MeV의 에너지와 더불어 두 개의 중성미자가 방출된다. 실제로 이 과정은 매우 드물게 일어나서 10²⁶개의 양성자-양성자 충돌에서 하나 정도의 중양성자가 생성되므로 지구상에서는 이 반응을 실현시키기가 불가능하다. 그러나 태양의 중심부에는 매우 많은 양성자가 고밀도로 존재하므로 태양 전체에서 1 초에 10¹² kg 정도의 중양성자가 만들어진다.

[질문1] 지표면에 수직으로 비추어지는 태양 빛은 단위면적당 일률이 약 1.4 x 10³ W/m² 이다. 지구와 태양 사이의 거리 1.5 x 10¹¹ m 를 이용해서 태양에서 1초 동안 만들어지는 전체 에너지를 계산하라. 이 에너지가 전적으로 위에서 설명한 핵융합과정에 의한 것이라 할 때, 1초 동안 몇 순환과정이 이루어지는 것일까? 1초 동안 소모되는 양성자(수소)의 양은 몇 kg인가? 또한 이 과정에서 방출되는 중성미자의 일부분이 지구로 도달한다. 1 m²의 면적에 1초 동안 도달하는 중성미자의 수는 얼마인가?

[질문2] 태양이 같은 질량의 순수한 석탄과 이의 연소에 필요한 산소로 이루어져 있다고 하자. 지금의 태양과 같은 비율로 석탄이 연소해서 에너지를 방출하는 경우 얼마나 오랫동안 빛날 수 있을까? 단 태양의 질량은 약 2.0 x 10³⁰ kg 이다. 같은 조건으로 태양빛이 $^{235}_{~~92}\mathrm{U}$의 핵분열에 의한다면 결과는 어떠한가?

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