핵융합

핵융합

CNO 순환과정

태양보다 더 뜨거운 별은 양성자-양성자 순환과정보다 더 효율적인 방법으로 수소에서 헬륨을 생성한다. 이는 C와 N, O의 원자핵을 매개로 하고 있어서 CNO 순환과정(CNO cycle)이라 한다. 아래 그림은 이 과정이 순환하여 계속해서 어떻게 수소를 헬륨으로 바꾸는지를 보여준다. 즉 1회전이 완성될 때마다 4개의 수소가 헬륨으로 바뀌면서 몇몇 부산물을 같이 만든다. 이 과정에서 $^{12}\mathrm{C}$ 핵이 일종의 화학에서의 촉매와 비슷한 역할을 하는 데 한 바퀴의 순환이 끝나면 다시 $^{12}\mathrm{C}$ 으로 되돌아온다. 이 과정으로부터 우주에서 수소와 헬륨 다음으로 많은 원소가 산소와 탄소, 질소인 것도 자연스럽게 이해된다. CNO 순환과정 태양보다 1.3배 이상 질량이 무거워서 수천만도( $\gt 1.5\times 10^{7} \text{K}$ )인 고온의 별에서 핵융합을 하는 주된 과정이다.

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CNO 순환과정_ C와 N, O의 핵을 매개로 하여 4개의 수소 핵이 헬륨 핵으로 변한다. 이 과정에서 3개의 감마, 2개의 양전자, 2개의 중성미자가 방출된다. 이는 (1) $^{12}\mathrm{C}$ 이 $^{13}\mathrm{N}$ 으로, (2) $^{13}\mathrm{N}$ 이 $^{13}\mathrm{C}$ 으로, (3) $^{13}\mathrm{C}$ 이 $^{14}\mathrm{N}$ 으로, (4) $^{14}\mathrm{N}$ 이 $^{15}\mathrm{O}$ 으로, (5) $^{15}\mathrm{O}$ 이 $^{15}\mathrm{N}$ 으로, (6) $^{15}\mathrm{N}$ 이 $^{12}\mathrm{C}$ 으로 되는 여섯의 개별 핵반응을 순차적으로 거쳐서 원래의 상태로 돌아간다. 전체 과정에서 4개의 수소를 받아들이고 한 개의 헬륨과 2개의 양전자. 2개의 중성미자, 3개의 감마선을 만든다. 여기서 만들어진 양전자는 즉각 전자와 쌍소멸해서 감마선을 방출한다.

_ 중성미자_ 핵반응_ 양전자_ 감마선

삼중알파과정

우주에 탄소와 산소가 많은 것으로 보면 양성자-양성자 순환과정이나 CNO 순환과정을 거쳐서 생성된 He이 이들로 변환될 수 있어야 한다. 세 알파입자, 즉 3개의 $^{4}_{2}\mathrm{He}$ 가 거의 동시에 충돌하여 $^{12}_{~~6}\mathrm{C}$ 를 만드는 과정이 이 중 하나로 이를 삼중알파과정(triple alpha process)이라 한다. 물론 알파입자 셋이 동시에 가까운 공간에 있을 확률은 아주 작겠지만 긴 시간, 고온의 환경이라면 가능할 수도 있다. 이 과정은 중간 단계로 $^{8}_{4}\mathrm{Be}$ 를 만드는 등 상당히 복잡할 수 있지만 그 핵심은

_{2}^{4} H e +_{2}^{4} H e +_{2}^{4} H e \to [_{4}^{8} B e] +_{2}^{4} H e \to_{6}^{12} C + γ

${^{4}_{2}\mathrm{He}} ~ + ~ {^{4}_{2}\mathrm{He}} ~ + {^{4}_{2}\mathrm{He}} ~ \rightarrow ~ [{^{8}_{4}\mathrm{Be}}] ~ + {^{4}_{2}\mathrm{He}} ~ \rightarrow ~ {^{12}_{~~6}\mathrm{C}} ~+~ \gamma$ 이다. 이 과정에서 방출되는 에너지는 7.27 MeV 이다.

마찬가지로 4개의 알파입자가 우선 3개가 $^{12}_{~~6}\mathrm{C}$ 를 만들고, 나머지 하나가 이와 결합하거나 4개의 알파입자가 거의 동시에 충돌하여 $^{16}_{~~8}\mathrm{O}$ 를 만드는 과정도 가능하다.

_{2}^{4} H e +_{6}^{12} C \to_{8}^{16} O + γ

${^{4}_{2}\mathrm{He}} ~ + {^{12}_{~~6}\mathrm{C}} ~ \rightarrow ~ {^{16}_{~~8}\mathrm{O}} ~+~ \gamma$

_{2}^{4} H e +_{2}^{4} H e +_{2}^{4} H e +_{2}^{4} H e \to_{8}^{16} O + γ

${^{4}_{2}\mathrm{He}} ~ + ~ {^{4}_{2}\mathrm{He}} ~ + {^{4}_{2}\mathrm{He}} ~ + {^{4}_{2}\mathrm{He}} ~ \rightarrow ~ {^{16}_{~~8}\mathrm{O}} ~+~ \gamma$

이렇게 초기 빅뱅에서 만들어진 H는 He로 되고, He는 다시 C, O 등으로 생성되면서 우주를 구성하는 원자의 종류가 점차 다양해진다. 이들이 중력에 의해 다시 응축되면 더 무거운 핵으로의 융합이 다시 일어날 수 있다. 핵자당 결합에너지 그래프에서 볼 수 있는 것과 같이 핵융합으로 합성되는 핵은 철(Fe)까지로 이보다 더 무거운 핵은 중성자를 포획하는 과정으로 만들어진다. 이제 핵융합의 마지막 단계에서 별이 초신성으로 폭발하게 된다면 이들 생성물들은 우주 공간에 흩어진다. 이렇게 다양한 핵으로 흩뿌려진 별의 잔해는 중력으로 다시 뭉치게 된다면 이제 스스로 융합이 일어날 수 없어서 에너지를 내지 못하는 별, 즉 지구와 같은 행성으로 될 수 있다.

_ 핵자당 결합에너지_ 중성자