영화 아이언맨에서 주인공 토니 스타크는 가슴에 소형 원자로를 장착해 수트를 작동시킵니다. 이 소형 원자로는 핵융합을 이용해 발전소 역할을 하는데요. 영화에 등장한 핵융합 발전은 사실 몇십 년 후 우리 삶을 받쳐줄 미래 에너지원입니다. 지금도 마이크로소프트, 아마존 등 빅테크 기업은 물론 세계 각국 정부가 나서 핵융합 발전을 연구하죠. 작은 태양을 만드는 것에 비유되는 차세대 발전 방식, 핵융합 발전에 대해 알아보겠습니다.
핵융합에 대해 알아보자
🌞 핵융합의 원리: 핵융합의 원리는 태양이 에너지를 만들어내는 방법과 비슷합니다. 태양에서는 수소 원자들이 합쳐져 헬륨이 되는 과정에서 에너지가 만들어지는데요. 이때 원료가 되는 수소 원자의 질량 총합보다 결과물로 만들어진 헬륨의 질량이 조금 작습니다. 질량이 줄어드는 만큼 에너지가 발생하는데요. 아인슈타인의 상대성이론에 따르면 핵융합이 일어날 때 발생하는 질량의 차이에 빛의 속도의 제곱을 곱한 만큼의 에너지(E=mc²)가 발생합니다. 즉, 핵융합은 수소와 같은 가벼운 원자의 원자핵을 합쳐 무거운 원자의 원자핵으로 바꾸는 과정이며, 이때 발생하는 에너지를 이용해 전기를 만드는 걸 핵융합 발전이라 부릅니다.
⚛️ 핵융합에 필요한 준비물: 핵융합에는 그냥 수소가 아니라, 중수소와 삼중수소가 필요합니다. 보통의 수소는 원자핵이 양성자 하나로 구성됩니다. 그런데 중수소의 원자핵은 양성자 하나와 중성자 하나로 구성되며, 삼중수소의 원자핵은 양성자 하나와 중성자 두 개로 이루어져 있습니다. 중성자의 무게만큼 무겁기 때문에 무거울 중(重)자를 붙여 중수소, 삼중수소라 부르죠. 중수소는 바닷물을 전기분해해 얻을 수 있고, 삼중수소는 리튬에 특수한 반응을 일으켜 얻을 수 있습니다. 중수소와 삼중수소를 준비했다면, 이제 이 둘을 합치기 위한 ‘플라스마’ 환경을 만들어야 합니다. 플라스마는 강력한 자기장 또는 1억 도가 넘는 초고온에서 구현 가능한 상태로 기체 상태를 넘어 전자, 중성자, 이온 등의 입자가 혼재하는 제4의 물질 상태입니다. 플라스마 상태에서 핵융합이 일어나기 때문에 플라스마 상태를 얼마나 오래 유지할 수 있는지가 핵융합의 핵심입니다.