핵융합
개요
Nuclear fusion, 核融合
고온에서 가벼운 원자핵들을 융합시켜 더 무거운 원자핵이 되는 과정에서 에너지가 생성되는 현상이다. 우주공간에서 빛나는 항성이 에너지를 만드는 원리다. 알베르트 아인슈타인이 내놓은 질량-에너지 등가 공식(E=mc2)에 따라 가벼운 원자 둘이 융합해서 무거운 원자가 되면서 질량 차이 만큼 (가벼운 원소 2개 질량의 합은 무거운 원소 하나보다 더 많다) 에너지로 변한다.
현재 헬지구를 구원할 미래의 에너지기술이다.
쉽게 설명하자면 핵분열의 반대라고 생각하셈.
상세
이 반응을 일으키려면 물리학의 4가지 기본 힘 중 가장 강도가 높은 강력을 무시할 정도로 주변온도가 높거나(가장 쉬운 중수소-삼중수소 과정이 최소 1억 3600만 켈빈을 넘겨야 한다) 강력한 압력(태양의 핵 온도는 핵융합이 일어나기에는 한참 모자란 1500만 켈빈이지만 내부 압력은 2600억 bar에 달한다)이 있어야 한다.
우주상에 존재하는 원소들 중 빅뱅으로 탄생한 수소, 헬륨을 제외한 철까지의 원소는 모두 항성 내부의 핵융합으로 만들어진다.
탄생했을 때의 질량이 충분하지 못하면 헬륨 핵융합을 못해서 백색왜성으로 주계열성의 삶을 마치게 되지만, 질량이 충분하다면 중력붕괴에 중심핵이 축퇴하면서 온도와 압력이 상승하여 헬륨 핵융합 반응을 일으킨다.
탄생시의 질량이 태양 질량의 12배가 넘었던 무거운 항성은 헬륨 이후에 탄소->산소->네온->규소 핵융합까지 거치게 된다. 이보자 질량이 작았을 경우에는 중간에 백색왜성이 된다.
항성 핵융합의 마지막 과정인 규소 핵융합은 규소 원자에 헬륨 원자(알파 입자)가 결합하면서 황->아르곤->칼슘->티타늄->크롬->철->니켈 순으로 원소를 뱉는다.
그런데 이 과정으로 탄생한 니켈-56은 핵융합을 할 수는 있지만 발열 반응이 약해서 중력붕괴에 저항할 복사압을 충분히 형성하지 못하는데다가, 규소 핵융합은 지속시간이 길어봐야 1일에 불과할 정도로 극히 짧고 중심핵의 온도가 28억~35억 켈빈에 달하는 극고온 상태라서 원자핵이 고에너지 감마선을 흡수해 양성자나 중성자를 배출하고 들뜬 상태가 되는 광붕괴(Photodisintegration) 현상이 발생해서 핵융합 과정을 방해한다.
이 때문에 중심핵은 자신을 짓누르는 중력붕괴에 버티지 못해 급속하게 축퇴되어 광속의 4분의 1 속도로 항성의 구성물질들이 전부 핵으로 쏟아지는 내파 현상이 발생해 철을 넘어서는 무거운 원소들이 형성된 후, 2형 초신성 현상을 일으켜 거대한 폭발을 일으켜 외피 부분을 우주로 날려보내고 중심핵 부분만 극히 밀도가 높은 중성자별로 남게 된다.
철보다 무거운 원소는 우주 전체에서도 희귀한데 초신성 폭발이나 밀집성(중성자별, 블랙홀)의 충돌, 주변 물질을 흡수하며 제트를 방출하는 블랙홀에서나 생성되고, 그나마도 원자번호 110번인 다름슈타튬이 한계다.
그 이후의 원소들은 불안정하여 자발적인 핵분열을 통해 더 가벼운 원소로 돌아가려는 성질이 매우 강하기 때문.
수소폭탄도 이걸 이용한거다. 물론 터뜨리기 위해서 기폭제가 따로 필요하지만....
많은 사람들(특히 환경 단체)이 핵분열과 핵융합을 구별 못하는 경우가 많은데 2016년에는 정부의 핵융합 예산을 전체 삭감시키는 만행도 저질렀다. 이유가 웃기는게, 별이 에너지를 만드는 과정은 재현할 수 없댄다.
항성의 핵융합 반응
다음과 같은 종류가 있으며, 주계열 영년(별이 탄생한 때)의 초기 질량이 무겁다면 끝까지 이어가지만 질량이 충분치 않으면 전부 백색왜성이 되어 오랜 세월에 걸쳐 식어가게 된다.
양성자-양성자 연쇄 반응 : 양성자는 수소 원자와 동일하기 때문에 경수소 핵융합 반응이다. 항성으로 정의되려면 이 반응을 유지할 수 있어야 하며 갈색왜성이 항성 취급을 못 받는 이유이기도 하다. (경수소 핵융합 반응을 못한다)
탄소-산소-질소 순환(CNO 순환) : 수소에서 헬륨이 만들어지는 과정은 동일하나 탄소와 산소, 질소 원자가 촉매처럼 관여한다. 중원소가 필요하기 때문에 빅뱅 직후 태어난 1세대 항성은 이 반응을 할 수 없었다.
삼중알파과정 : 헬륨 원자 3개가 결합하여 탄소 원자를 생성한다. 태양 질량의 0.5배를 넘는 항성들이 이 반응을 일으킬 수 있고, 8배를 넘기지 못하는 항성들의 마지막 단계다.
탄소 핵융합 : 탄소 원자 2개가 결합하여 나트륨, 마그네슘, 네온을 형성하는 반응이다.
네온 핵융합 : 태양 질량의 12배를 넘는 항성이 탄소 핵융합을 마친 후 발생하는 핵융합 과정으로 네온 원자가 알파 입자(헬륨 원자)와 반응하여 마그네슘을 생성한다.
산소 핵융합 : 두 개의 산소 원자가 결합하여 규소, 인, 황을 생성하는 반응이다.
규소 핵융합 : 항성에서 발생할 수 있는 마지막 핵융합 반응으로 규소 원자에 알파 입자가 결합하여 황->아르곤->칼슘->티타늄->크롬->철->니켈 순으로 새로운 원소를 형성한다.
이 반응은 지속시간이 길어야 하루에 불과할 정도로 짧고, 니켈-56의 핵융합은 발열반응이 약해서 이 과정까지 온 항성의 결말은 초신성이 되어 밀도가 극히 높은 핵이 중성자별로 남고 나머지는 폭발로 우주로 날아가버린다.
인공 태양
그러하다. 핵융합 발전소가 극으로 발전하면 이게 쳐 튀어나온다. 프로토스도 써먹고 선조도 써먹는 거다.
핵융합 발전소
개요
핵융합을 이용한 발전소. 미래의 발전소이자 존나 쩌는 거다! 도시 건설 게임에서는 발전소 최종 테크라고 하더라.
헬지구를 구원할 유일한 존재.
상세
지금 연구하는 건 수소를 헬륨으로 융합하는 건데 태양도 에너지를 이런 식으로 만든다.
단, 태양은 경수소(양성자) 핵융합 반응으로 에너지를 만들지만 인류가 연구하는 방식은 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소를 원료로 쓰는 D-T반응이다.
중수소는 지구상에서도 쉽게 구할 수 있지만(지구상에 존재하는 수소 중 6400분의 1), 삼중수소는 자연에선 거의 발견되지 않아서 리튬-6에 중성자를 조사해서 인공적으로 제조해야 한다.
오랫동안 연구가 진행되었지만 도달해야 하는 최소 온도가 1억 3600만 켈빈에 이르고, 이 고온을 유지하면서 플라즈마 상태가 된 수소를 가두어두어야 핵융합 반응을 유도할 수 있는데 갈 길이 멀다.
그래서 일부 학자들은 예산낭비라고 주장하며 핵융합과 핵분열을 구별못하는 환경단체에서는 신재생에너지로 해결할 수 있다면서 반대하기도 한다.
그러나 인류의 문명이 발달할수록 에너지 소비는 필연적으로 증가할 수 밖에 없으며(카르다쇼프 척도에 따르면 현대의 인류는 1단계도 도달하지 못했다.) 계속 늘어나는 에너지 소비를 뒷받침 해줄 수 있는 방식은 핵융합 뿐이다.
화석연료들은 말할 것도 없고, 우라늄도 매장량이 한정되어 있기 때문이다.
신재생에너지는 비용 대비 효율이 너무 낮은데다가 기상상태의 영향을 많이 받아서 발전량이 일정하지 못하기 때문에 다른 발전소가 필요하다.
ITER라는 길드에서 주관한다.
놀랍게도 헬조선은 끼워주라고 해도 선진국들이 자기들끼리 다 해먹으려고 안 받아주니까 공돌이를 갈아넣어서 독자적 기술로 가입했다. 현재도 탑 순위권에 드는 개발국이 헬조선이다. 다만 개발되면 이리저리 뜯어먹으려고 끼워준 게 아닌가 싶다.
대전에 KSTAR라는 토카막 핵융합로가 있다.
핵융합 발전소에서는 온도가 좆나 높아야 되는데(가장 일으키기 쉬운 D-T 반응이 1억 3600만 켈빈, 실용화에는 5억 켈빈까진 온도를 올려야 한다) 태양의 핵 온도는 1500만 켈빈에 불과하지만 엄청난 질량으로 발생하는 2600만 기압 덕분에 원자핵을 더 빈번하게 충돌시키고 양자 터널링 현상까지 쉽게 일어나서 에너지를 만드는 것이다.
핵분열을 이용한 발전소보다 오염이 존나 적다. 그러면서 나오는 에너지는 존나 많다. 사실 없다. 누출되더라도 발전에서 사용되는 방사선 물질 수그람에 불과하다.
거기다가 그 수그람이 얼마 못 가고 바로 자연에 희석된다.
인류의 기술이 더 발전하면 중성자가 나오지 않는 핵융합도 가능하다. 대표적인 게 중수소-헬륨3 반응으로 더 높은 온도(최소 5억 8천만 켈빈, 실용화 10억 켈빈 이상)을 요구하지만 중성자가 거의 안 나오기 때문에 차폐에 신경을 덜 써도 되고, 하전입자의 형태로 배출된 에너지를 직접 전환한다면 엄청난 효율을 자랑한다. 헬륨-3는 지구상에선 드물지만 우주로 나간하면 넘쳐나기 때문에(달만 가도 태양에서 날아온 헬륨-3가 많이 매장되어 있다) 연료 문제가 없다.
원전사고 터지는 게 빠르냐 이거 상용화가 빠르냐 치킨 게임 중이다. 전자는 벌써 세 번이나 터졌다. 스리마일(미국), 체르노빌(소련), 후쿠시마(일본).
언젠가 반드시 개발해서 사용해야 한다. 왜냐하면 미래에는 뭔가 이용하는데 원자력보다 더한 에너지가 필요할지도 모른다. 예로 들어 워프 엔진 같은 거...
기술이 발전해 상용화 된다면 가성비 ㅆㅅㅌㅊ
카가미네 린은 이곳에 들어가보고 싶다고 했다.
KSTAR
대전에 위치한 국가 핵융합 연구소이다. 미국,중국,닛본,한국중에서 우리나라가 초전도채와 토카막으로 핵융합 기술이 가장 좋은기술이 우리나라이다.
페이스북,네버블로그등 홍보를한다. 아무튼 드라마 용팔이에도나오고 나름 엄청난곳이다.
언재든 견학을 ok한다. 가보면 으리으리한크기의 토카막을 볼 수 있다. 또한 엄청난 진공펌프와 액체헬륨도...
의문점
발전 방식
그나저나 핵융합 발전소는 어떤씩으로 전기를 생산할려나 또 물 끓이기인가..?
증기 터빈 돌리는 건 같다.
단, 미래에 핵융합 기술이 더 발전해서 중수소-헬륨3나 경수소-붕소11 반응으로 발전을 하게 될 경우에는 에너지가 하전입자의 형태로 배출되는데, 하전입자의 위치에너지를 전기에너지로 직접 전환할 수 있다.
If
일단 상용화가 된다면?
첫가동.
일단 기존의 발전소로 만들어진 전기를 이용해 바닷물의 산소와 수소를 분리해 기초 재료를 얻는다. → 돌린다. → 전기 생성 → 이 전기를 이용해 가정으로 보내고 공장으로 보내고 재료를 얻기 위해
다시 산소와 수소를 분리해 기초 재료를 얻는다. → 돌린다. → 전기 생성... 무한루프
핵분열 발전소와 비교
핵분열 발전소가 통제 불능인 불을 어떻게든지 제어하는 거라면 핵융합은 불 피우고 그걸 어떻게든 유지하는 것과 비슷하다.
전자는 유지를 잘못하면 주변이 좆되고 돈도 같이 깨지는 반면에 후자는 돈만 깨진다. 초전도를 유지한 전자석이 비싸서 그런 듯...
다만 핵융합을 위해 보관하던 수소가 펑 터지는게 문제라더라. 다른 발전소에서 연료 보관 시설이 있는 것을 보면 십중팔구 LPG 까스통 마냥 보관할 건데 그 까스통 만지작 거리다가 뭐 잘못 건드려서 터지면 폭발...
문재앙 정권에서
핵융합 개발이 완료되어도 핵심 장치 외 나머지 기술은 원전에서 사용하던 기술들을 상당 부분 적용해야 하고 핵심 인재, 자금 등이 필요하다.
현실
2017년 10월 10일 오후 8시 서울대 공과대학 36동 학생회실. 공대 소속 학과 학부 대표와 단과대 학생회장 등 학생회 대표들이 모였다. 정부의 탈(脫)원전 정책 관련 공대 학생회 입장을 정리하는 자리였다. 이들은 회의 후 '문재인 정부의 독단적인 탈원전 정책 추진 과정에 대한 공과대학 학생회 입장서'를 발표했다. "정부의 독단적인 결정으로 학문이 존폐의 위협에 시달리고 있다"는 것이었다.
서울대 공대 학생회가 이날 성명서를 낸 것은 신고리 5·6호기 원전 건설 중단 여부를 결정할 공론화위원회(공론화위)의 정부 권고안 제출이 임박했기 때문이다. 공론화위는 13일부터 2박 3일간 478명의 시민참여단이 참석한 가운데 합숙 종합토론을 진행하고, 보고서 형태의 최종 권고안을 작성해 20일 정부에 제출할 예정이다.
공론화위 결정을 앞두고 서울대 공대 학생들과 해외 환경·에너지 전문가들이 잇따라 탈(脫)원전 반대 성명을 발표했다. 서울대 공대 성명은 원자핵공학 전공자뿐 아니라 기계항공공학부, 화학생물공학부 등 공대 11개 학과의 대표가 모두 참여하는 공대 운영위원회에서 만장일치로 통과됐다. 이들은 "정부의 급작스러운 탈원전 정책 추진으로 차세대 원전 개발 사업 등이 위기에 처했다"며 "수십 년간 진행된 중장기 연구 과제가 정부에 의해 곧바로 중단되는 현실에 공학도들은 불안에 떨고 있다. 탈원전 정책의 추진 과정을 지켜보다 보면 공학을 공부하고 연구할 의욕이 떨어진다"고 했다. 또 "탈원전 정책은 원자력 공학에 대한 위협이 아닌 공학 전반에 대한 위협이다. 학문이 국가에 버림받는 선례를 남기도록 좌시하지 않겠다"는 내용도 담았다. 재료공학부 부학생회장 정정아(20)씨는 "탈원전으로 가면 경제도, 안보도, 환경도 모두 득 될 게 없다는 건 현재의 과학으로 보면 자명하다"며 "그럼에도 현 정부는 과학계의 목소리를 듣지 않으려 한다"고 말했다.
조선해양공학과 학생회장인 김다민(21)씨는 "안전하고 깨끗한 원자력 에너지를 만들겠다는 꿈을 꾸던 원자핵공학과 친구들이 이젠 공부할 맛이 안 난다고 한다. 공대가 앞으로 어떻게 될지 생각하면 힘이 쑥 빠진다"고 했다. 올해 후기 원자력공학과 박사 과정 모집 때 5명 정원에 1명이 지원했다. 한 공대생은 "일본이 한때 탈원전을 선언했다가 도쿄대 원자핵공학관리학부 연구실이 초토화됐듯, 서울대에서도 연구의 맥이 끊기고 있는 것"이라고 말했다. 공대 학과별 회장·부회장·학년별 대표들은 지난달 29일에도 모여 탈원전 졸속 추진 반대에 대해 논의했다.
해외 석학들도 나섰다. 마이클 셸렌버거 환경진보 대표와 케리 이매뉴얼 매사추세츠공대(MIT) 교수, 스티븐 핑커 하버드대 교수 등 미국의 에너지·환경 관련 전문가와 석학 21명은 지난 6일 "한국의 원전과 관련한 사실(fact)을 알리겠다"며 성명서를 발표했다. 10일 한국에 들어온 셸렌버거 대표는 "공론화위 시민참여단에게 정확한 정보를 제공하기 위한 것"이라고 했다. 그는 2008년 미국 타임지 선정 '환경 영웅'으로 뽑힌 인물이다. 이들은 성명서에서 "현재 한국의 전력 생산량을 태양광으로 충당하려면 서울의 7배나 되는 땅이 필요하고, 원전을 천연가스로 대체하면 최대 2700만대의 차가 더 다니는 것만큼의 탄소가 추가 배출될 것"이라고 주장했다. 또 "천연가스 구입비만 한 해 11조원에 달할 것"이라며 "한국인의 1인당 평균 연봉(약 3200만원)을 감안하면, 일자리 34만3000개를 만들 수 있는 돈"이라고 했다. 이들은 "그린피스 등 원전에 반대하는 시민단체들이 거짓 정보를 제공해 한국 내 여론을 선동하고 있다. 과학자와 환경운동가로서 묵과할 수 없었다"고 밝혔다.
11조면 일자리 50만개 만들수있다고 누가 그러던데?
앞서 지난 7월엔 60개 대학 과학기술 전공 교수 417명이 "전문가 의견 수렴과 합리적인 공론화 과정을 통해 장기 전력 계획을 수립하라"며 탈원전 정책 중단을 촉구했다.
