핵분열과 핵융합 (Nuclear Fission and Fusion)
쉽게 풀면
우라늄처럼 무거운 원자핵에 중성자를 하나 던져 넣으면, 핵이 불안정해지면서 두 개의 가벼운 핵으로 쪼개지고 이 과정에서 엄청난 에너지가 튀어나옵니다. 이것이 핵분열이며, 원자력발전소는 이 에너지로 물을 끓여 터빈을 돌립니다. 반대로 핵융합은 수소처럼 아주 가벼운 원자핵 두 개를 억지로 붙여 하나의 무거운 핵으로 만드는 과정입니다. 두 개를 붙이려면 원자핵끼리 서로 밀어내는 반발력을 이겨내야 하므로 태양처럼 엄청난 온도와 압력이 필요한데, 그 대가로 핵분열보다 훨씬 많은 에너지가 나옵니다. 즉 핵분열은 "큰 것을 쪼개서", 핵융합은 "작은 것을 합쳐서" 에너지를 얻는다는 점이 핵심적인 차이입니다.
왜 중요한가
핵분열과 핵융합은 각각 원자력발전과 차세대 핵융합에너지 개발이라는 인류의 핵심 에너지원 연구를 뒷받침하는 물리적 원리이기 때문에 에너지공학 논문에서 지속적으로 다루어집니다. 또한 핵융합은 별이 스스로 빛과 열을 만들어내는 원리이자, 우주에 존재하는 무거운 원소들이 어떻게 합성되었는지를 설명하는 원소합성 이론의 근간이기도 해서 천체물리학 연구에서도 필수적으로 등장합니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
이 문장은 중수소(D)와 삼중수소(T)를 융합시킬 때 나오는 중성자의 양을 컴퓨터 모델로 미리 계산했다는 뜻입니다. 핵융합 발전 연구에서 자주 등장하는 표현입니다.
원자력발전 공학 연구에서 핵분열 연쇄반응을 안전하게 제어하는 과정을 설명한 예문입니다.
천체물리학 연구에서 별의 질량에 따라 핵융합 경로가 달라짐을 설명하는 예문입니다.
조금 더 깊게 보면
핵분열은 우라늄이나 플루토늄 같은 무거운 원자핵이 중성자를 흡수해 두 개 이상의 핵분열 생성물과 여분의 중성자를 방출하는 과정으로, 이 중성자가 다시 다른 원자핵을 분열시키는 연쇄반응을 일으킬 수 있어 원자로에서는 이를 임계 상태로 제어하는 것이 핵심 기술입니다. 반면 핵융합은 원자핵 사이의 정전기적 반발력(쿨롱 장벽)을 극복해야 하므로 태양 내부와 같은 초고온·초고압 환경이나, 지상에서는 토카막 같은 자기장 가둠 장치 또는 관성 가둠 방식이 필요합니다. 두 과정 모두 앞서 설명한 핵결합에너지 곡선에서 반응 전후 핵자당 결합에너지가 더 큰 방향으로 이동하기 때문에 에너지가 방출된다는 공통된 물리적 원리를 따릅니다.
주의할 점
핵분열과 핵융합은 둘 다 "핵에너지"를 이용하지만 정반대 과정이라는 점을 헷갈리면 안 됩니다. 원자폭탄과 원자력발전은 핵분열을, 수소폭탄과 태양은 핵융합을 이용합니다. 핵분열로 생겨나는 파편 원소들은 대부분 불안정한 방사성 동위원소입니다.