물리학 고3 양자와 미시세계 심화

핵융합

가벼운 핵(수소 동위원소)이 합쳐져 더 안정한 핵이 되며 막대한 에너지를 방출하는 핵융합의 원리와 태양 에너지를 이해한다.

수소처럼 가벼운 원자핵들이 합쳐져 더 무거운 핵이 되면서, 줄어든 질량만큼의 에너지를 내놓는 반응입니다.

태양이 46억 년째 하고 있는 일이 이것입니다. 문제는 (+)전하끼리 정면으로 밀어내는 벽을 뚫어야 한다는 것이고, 그래서 태양은 되는데 지구에서는 아직 어렵습니다.

쉽게 말하면

질량 결손과 핵결합 에너지의 곡선에서 수소는 봉우리(철)의 왼쪽 가파른 오르막에 있습니다. 그래서 가벼운 핵끼리 합쳐지면 핵자당 결합 에너지가 크게 올라가고, 그 차이가 에너지로 나옵니다. 오르막이 가파른 만큼 핵자 하나당 나오는 에너지는 핵분열보다도 큽니다.

그런데 합치기가 어렵습니다. 두 핵 모두 (+)전하라 가까워질수록 전기적 반발이 급격히 커집니다. 강한 핵력이 붙잡을 만큼 가까워지려면 이 반발 장벽을 통과해야 하고, 그러려면 어마어마한 속도, 즉 수천만 도 이상의 온도가 필요합니다. 그 온도에서는 원자가 전자와 핵으로 분리된 플라스마 상태가 됩니다.

놀랍게도 태양 중심의 온도조차 이 장벽을 정면으로 넘기에는 부족합니다. 그럼에도 융합이 일어나는 것은 터널 효과 덕분입니다 — 양성자가 확률적으로 장벽을 뚫습니다. 확률이 낮기 때문에 태양은 천천히 탑니다. 이 '느림'이 오히려 다행입니다. 태양이 단숨에 다 타 버렸다면 생명이 진화할 시간이 없었을 것입니다. 자세한 과정은 별의 에너지원(핵융합)과 별의 핵합성에서 다룹니다.

지구에서 핵융합 발전을 실현하려면 초고온 플라스마를 충분한 밀도로, 충분히 긴 시간 동안 가둬야 합니다. 어떤 그릇도 이 온도를 견디지 못하므로 강한 자기장으로 플라스마를 공중에 띄워 가두는 방식을 연구합니다. 아직 상업 발전 단계에는 이르지 못했습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

태양이 하는 일

태양 중심에서는 수소 원자핵(양성자) 4개가 여러 단계를 거쳐 헬륨 원자핵 1개로 바뀝니다. 이때 만들어진 헬륨 핵의 질량이 양성자 4개의 질량 합보다 작고, 그 줄어든 질량이 $E = Δ m c^{2}$ 에 따라 빛과 열로 나옵니다. 우리가 쬐는 햇빛은 결국 사라진 질량입니다.
예시 2

지구에서 노리는 반응 — 중수소와 삼중수소

수소의 동위 원소인 중수소와 삼중수소를 합쳐 헬륨과 중성자를 만드는 반응이 가장 낮은 온도에서 일어나기 때문에, 핵융합 발전 연구가 이 조합에 집중되어 있습니다. 중수소는 바닷물에서 얻을 수 있어 연료가 사실상 무한에 가깝다는 점이 큰 매력입니다.
예시 3

왜 철에서 멈추는가

융합으로 에너지를 얻으려면 반응 후 핵자당 결합 에너지가 올라가야 합니다. 철은 그 곡선의 봉우리라서, 철보다 무거운 핵을 만드는 융합은 오히려 에너지를 넣어야 합니다. 그래서 별의 중심에 철이 쌓이면 에너지 생산이 멈추고 별이 붕괴합니다.

핵분열과 핵융합

구분	핵분열	핵융합
재료	무거운 핵(우라늄 등)	가벼운 핵(수소 동위 원소)
과정	쪼개짐	합쳐짐
에너지가 나오는 이유	핵자당 결합 에너지가 철 쪽으로 올라감	핵자당 결합 에너지가 철 쪽으로 올라감
일으키기	느린 중성자 하나면 시작됨	초고온 플라스마가 필요
주된 부산물	오래가는 방사성 분열 조각	헬륨(중성자에 의한 구조물의 방사화는 남음)
현재 상태	상용 발전 중	연구·실증 단계

자주 하는 오해

핵융합이 핵분열보다 쉬울 것이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움합치는 것이 쪼개는 것보다 간단하다

실제로는핵융합은 훨씬 어렵습니다. 두 핵을 강한 핵력이 작동하는 거리까지 밀어붙이려면 전기적 반발을 이겨야 하고, 그래서 수천만 도가 필요합니다.

핵분열은 전하가 없는 중성자 하나만 다가가면 시작됩니다. 반발할 것이 없으니 상온에서도 걸어 들어갈 수 있습니다. 반면 융합은 (+)와 (+)를 정면으로 부딪혀야 합니다. '시작하는 문턱'이 정반대라서, 에너지가 더 많이 나오는 쪽이 오히려 훨씬 하기 어렵습니다.

핵융합은 방사성 물질이 전혀 없는 반응이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움융합 생성물이 헬륨이니 방사능 걱정이 아예 없다

실제로는융합 자체의 주 생성물은 헬륨이지만, 반응에서 나오는 고속 중성자가 장치의 구조물에 흡수되어 그 구조물이 방사성을 띠게 됩니다. 삼중수소도 방사성입니다.

핵분열보다 폐기물 부담이 작은 것은 사실이지만 '0'은 아닙니다. 다만 결정적 차이가 있습니다 — 융합은 연료를 계속 공급해야만 유지되므로, 문제가 생기면 반응이 스스로 꺼집니다. 연쇄 반응처럼 폭주할 구조가 아닙니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

질량 결손과 핵결합 에너지고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

별의 에너지원(핵융합)고2 별의 핵합성고3

같은 단원의 개념 — 양자와 미시세계

반감기고3 방사성 붕괴고3 불확정성 원리고3 슈뢰딩거 방정식 (개념)고3 스핀고3 양자 기술 응용고3 양자 얽힘고3 양자역학 기초고3 원자핵 구조고3 중첩 (양자 중첩)고3 질량 결손과 핵결합 에너지고3 초전도고3 터널 효과고3 파동함수와 확률 해석고3 핵물리와 방사능고3 핵분열고3

자주 묻는 질문

Q1태양 중심 온도로도 부족한데 어떻게 융합이 일어나나요?

터널 효과 덕분입니다. 양성자가 전기적 반발 장벽을 확률적으로 뚫습니다. 확률이 아주 낮지만 태양 중심에는 양성자가 어마어마하게 많아 전체적으로는 충분한 반응이 일어납니다.

Q2왜 자기장으로 플라스마를 가두나요?

수천만 도를 견디는 물질이 없기 때문입니다. 플라스마는 전하를 띤 입자들의 집단이라 자기장 속에서 자기력선을 따라 휘어져 돌게 됩니다. 이 성질을 이용해 벽에 닿지 않도록 공중에 띄우는 것입니다.

Q3핵융합 발전은 언제쯤 가능한가요?

언제 상용화될지는 아직 확실히 말할 수 없습니다. 넣은 에너지보다 많은 에너지를 얻고, 그 상태를 오래 안정적으로 유지하는 것이 핵심 과제이며, 국제 협력 실증로가 이를 목표로 건설되고 있습니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 물리학 · 양자와 미시세계 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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핵융합이 우주에서 원소를 어떻게 만들어 냈는지는 별의 핵합성으로 이어집니다.

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