핵융합 (Nuclear Fusion)

한 줄 정의: 가벼운 원자핵 두 개 이상이 결합하여 더 무거운 하나의 핵을 이루면서 에너지를 방출하는 핵반응입니다.

쉽게 풀면

작은 물방울 두 개가 합쳐져 하나의 큰 물방울이 될 때 표면이 줄어들며 에너지가 방출되는 모습을 떠올려볼 수 있습니다. 핵융합도 수소와 같이 가벼운 원자핵들이 매우 높은 온도와 압력 속에서 서로 부딪혀 결합해 더 무거운 핵을 만드는 과정이며, 이때 큰 에너지가 방출됩니다. 태양이 빛과 열을 내는 근본 원리가 바로 이 핵융합입니다. 다만 두 핵이 서로 밀어내는 힘을 이겨내고 가까워지려면 매우 극한의 조건이 필요합니다.

왜 중요한가

핵융합은 핵분열보다 훨씬 많은 에너지를 단위 질량당 방출할 잠재력을 가지고 있어 미래 에너지원으로 활발히 연구되고 있습니다. 원자력공학에서는 플라즈마 가둠, 고온 초전도 자석, 노심 재료 등 핵융합로 실현을 위한 다양한 기술적 과제가 다뤄집니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"The deuterium-tritium fusion reaction was chosen for its relatively high cross section at achievable plasma temperatures."

중수소-삼중수소 핵융합 반응이 달성 가능한 플라즈마 온도에서 상대적으로 높은 반응단면적을 갖기 때문에 선택되었다는 설명입니다.

"Magnetic confinement is used to sustain the plasma density and temperature required for sustained fusion reactions."

지속적인 핵융합 반응에 필요한 플라즈마 밀도와 온도를 유지하기 위해 자기장 가둠 방식이 사용된다는 서술입니다.

조금 더 깊게 보면

핵융합이 일어나려면 핵들이 정전기적 반발력(쿨롱 장벽)을 이겨낼 만큼 높은 운동에너지를 가져야 하므로 매우 높은 온도가 요구됩니다. 지구상에서는 자기장 가둠 방식(토카막 등)이나 관성 가둠 방식 등을 통해 이러한 조건을 인공적으로 만들려는 연구가 진행되고 있습니다. 가벼운 핵일수록 핵자당 결합에너지가 작기 때문에 융합을 통해 더 안정적인 핵으로 바뀌면서 에너지를 방출하게 됩니다.

주의할 점

핵융합은 현재 상용 발전 단계에는 도달하지 못했으며, 핵분열발전과는 원리와 기술적 성숙도가 다르다는 점을 구분해야 합니다. 핵융합이 방사성폐기물을 전혀 발생시키지 않는다고 단정하기보다는, 발생하는 방사화 문제의 성격이 핵분열과 다르다고 이해하는 것이 정확합니다.