핵융합과 핵융합로

미래의 에너지 원으로 촉망받는 인재인 핵융합로에 대해서 알아보자.

일반적으로 핵반응은 핵분열과 핵융합으로 나뉨.

핵분열은 원자번호가 큰 핵을 중성자로 때리면서 다른 핵종으로 분열을 유도하는 반응임.

이에 반해 핵융합은 원자번호가 작은 두개의 핵을 하나로 합치는 반응임.

두 반응모두 반응과정중에 질량결손이 일어나고, 질량결손에서 발생하는 에너지를 인류는 열에너지로 전환하여 목적에 맞게 사용함.

두 반응을 그림으로 살펴보면 아래와 같음.

핵분열이야 모두 익숙할테니 이번엔 핵 융합에 중점을 맞춰서 이야기 해보겠음.

핵분열에서 우라늄 말고 플루토늄을 깨서 에너지를 얻어낼 수 있는것과 같이, 핵융합의 경우에도 다양한 핵종을 이용한 방법이 있음.

대표적인 반응이 중수소-삼중수소, 중수소-중수소, 중수소-헬륨 이 세가지 반응임.

위 세개 반응중 현재 많이들 관심을 갖고 있는 반응은, 중수소-삼중수소 반응임.

이유는 간단히 말하면 우리가 가진 기술을 통해 반응이 잘 일어나는 조건을 쉽게 만들 수 있기 때문임.

조금 더 복잡하게 말하면 핵반응은, 반응의 종류, 핵종의 종류, 주변온도에 따라 반응에 참가하는 정도가 크게 달라짐. 이를 Cross-section이라고 하는데 말한것 처럼 우리가 반응을 가장 잘 유도할 수 있는 온도를 만들기에 D-T반응이 가장 쉽기 때문임.

보통 이제 여기까지만 알고 있는 사람들이 많음. 그렇게 반응시켜서 에너지 얻어내는게 핵융합이구나 하고.

하지만 모든 반응로의 가장 중요한 포인트는 Sustainable하게 반응이 나오는지, 가만 냅둬도 지속적으로 원하는 반응을 하는지가 매우 중요함.

분열로의 경우, 우라늄을 깨면서 발생한 중성자가 인근의 다른 우라늄을 깨는식으로 지속적이고 꾸준한 반응이 일어남.

그럼 핵융합로에서는 어떻게 그런 꾸준한 반응을 일으키는지 살펴보겠음.

핵융합로를 굴릴 때 자연에 있는 중수소, 삼중수소를 모아다가 융합로를 가동시켜야 하면 사실상 이를 모으는데 쓰는 에너지가 더 클것임.

융합로 역시 핵분열로의 우라늄 같은 원료를 사용하는데, 이게 바로 현재 높은 전기자동차 수요로 인해 나날이 가격이 오르고 있는 하얀소금 리튬임.

이게 기본적인 융합로에서 유도되는 사이클임.

핵분열로에서처럼 리튬이 연료로 존재하고 리튬을 중성자가 박살내서 트리튬을 생산하게 됨.

근데 핵융합반응에 필요한게 삼중수소 말고 중수소도 있다고 위에서 언급하였음. 위 사이클에서는 중수소가 생성되지는 않음.

그러면 중수소는 어디서 얻게 되는 것인가?

중수소는 해수에서 취득하는 방법도 있고, 다양한 방법이 있지만, 현재 가장 값싸게 얻는 방법은 작은 핵분열로를 핵융합로 옆에 지어서 중수소를 생산하게 하는 것임. 막대한 열에너지를 생산할 필요도 없으니, 정말 작은 규모로 중수 생산가능한 핵분열로를 놔두고 이를 이용해서 중수소를 만드는 것이 가장 저렴한 방법중 하나임.

즉 핵융합로가 건설된다고 핵분열로의 종말이 아니라 다양한 목적을 위한 핵분열로들이 등장할 것으로 생각됨.