2.1.4 핵융합 [원자력기사]

2.1.4    핵융합

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태양과 같이 스스로 빛을 내는 하늘의 별들은 핵융합 반응을 통해 에너지를 발생한다. 

태양의 중심은 높은 온도와 중력 상태에서 핵융합 반응이 활발히 일어난다. 

하지만 지구에서 핵융합 반응을 만들기 위해서는 태양과 같은 초고온의 환경을 인공적으로 만들어야 한다. 

이는 매우 어렵고 힘든 기술이다. 

따라서 아직 핵융합을 이용하여 상업적인 원자로는 사용되지 않고 연구로를 이용한 연구가 활발히 진행중이다.

 

핵융합이란 핵분열과 반대의 개념으로, 그림 2.1.4-1과 같이 가벼운 두 개의 원자핵들이 부딪혀 새로운 하나의 무거운 원자핵으로 변환되는 반응이다. 

이는 작은 인공 태양을 만드는 작업으로 볼 수 있다.

그림 2.1.4-1 핵분열과 핵융합 반응

모든 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있다. 

원자에 종속된 전자는 외부의 에너지를 받으면 가장자리에서부터 차례로 떨어져 나가는데, 이렇게 떨어져 나간 전자를 자유전자라고 한다. 

원자에 가해지는 에너지의 양이 충분히 커서 원자에 종속된 모든 전자가 떨어져 나갈 수 있을 정도가 된다면, 원자는 원자번호만큼의 자유전자를 방출하고 양성자에 의해 양전하를 띠는 원자핵만이 존재하는 입자가 된다. 

이러한 상태를 플라즈마라고 한다.

 

본래라면 이 원자핵은 서로 충돌하기 전에 전자기력에 의한 척력이 작용해 서로 결합할 수가 없다. 

하지만 초고온으로 가열되어 원자핵의 운동 에너지가 매우 높아지면 이 척력을 이겨내고 원자핵이 충돌하며, 원자가 가까워지면 그 이후부터는 강한 핵력이 작용해 원자핵이 서로 결합하게 된다. 

이 결합 과정을 핵융합이라 한다. 

그리고 원자핵이 융합하는 과정에서 줄어든 질량은 에너지로 변환되는데 이를 핵융합에너지라고 한다.

 

핵융합을 만들기 위해서는 다음의 3가지 조건이 필요하다.

 

① 핵융합 반응을 위한 연료

핵융합연료는 중수소와 삼중수소가 쓰인다. 중수소는 바닷물에서 추출하고, 삼중수소는 리튬을 핵융합로에서 변환하여 얻는다.

② 초고온의 플라즈마 상태

원자핵들이 서로 밀어내는 핵력을 융합하기 위해서는 1억도 이상의 초고온의 플라즈마 상태가 필요하다. 

가장 유리한 조건인 중수소(Deuterium)-삼중수소(Tritium)[D-T] 반응의 경우만 해도 최소 반응온도는 1억 3600만K이지만, 실용화를 하기 위해서는 대략 5억K 이상의 이온 온도가 필요하며, 이 외에 중수소-중수소(D-D, 최소 1억 5천만K, 실용화 50억K), 중수소-헬륨(D-He3, 최소 5억 8천만K, 실용화는 10억K 이상), 양성자-붕소(p-B11, 최소 12억 3천만K, 실용화 30억K 이상) 등의 경우는 핵융합이 일어나기 위한 조건이 훨씬 까다롭다. 

따라서 현재까지는 D-T 반응이 핵융합 발전의 가장 이상적인 모델로써 가장 핵심적으로 연구개발 중이다.

③ 초고온의 플라즈마를 유지할수 있는 핵융합장치

플라즈마는 전기적 성질이 있어 자기장의 영향을 받는다. 

핵융합장치는 강력한 자기장을 이용해 초고온의 플라즈마를 유지한다. 

우리나라의 초전도 핵융합 연구 장치는 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor)이다. 

1995년 12월 시작된 KSTAR 사업은 2007년 8월 주 장치를 건설하며 운용 단계에 들어섰고, 2008년 6월에는 플라스마(Plasma) 생산에 성공하였다.

그림 2.1.4-2 KSTAR 한국형핵융합연구로

자기장 가둠 방식의 발전이 이뤄지는 핵융합 장치의 기본 구조 자체는 간단하며, 다음과 같은 순서로 발전이 진행된다.

 

① 핵융합로에 중수소와 삼중수소를 넣는다.

② 융합로에 자기장을 걸어 중수소와 삼중수소로 이뤄진 플라즈마를 가둔다.

③ 플라즈마를 초고온으로 가열한다.

④ 자발적으로 핵융합 반응이 일어난다.

⑤ 핵융합 반응으로 얻은 에너지로 증기를 발생시킨다.

⑥ 증기로 터빈을 돌린다.

 

다른 나머지 과정은 화력 발전이나 핵분열 발전과 거의 일치하며, 핵융합 반응 단계를 좀 더 자세히 살펴보면, 중수소와 삼중수소가 융합되어 고에너지의 알파선과 중성자선이 발생한다. 

먼저, 알파선은 전하를 가지고 있으므로 자기장에 영향을 받기 때문에 플라즈마를 벗어날 수 없고, 알파선이 가진 에너지는 열로 전환되어 플라즈마를 가열하는 데 소모되며, 에너지를 잃은 알파선은 평범한 헬륨핵으로 변해 융합로 밖으로 배출된다. 

다음으로, 중성자선은 전하가 없으므로 전자기장의 영향을 받지 않고 플라즈마 밖으로 빠져나와 외부의 리튬 블랭킷에 충돌되고 새로운 삼중수소를 발생시킨다. 

또한 중성자선이 가진 에너지는 리튬 블랭킷에 전달되어 블랭킷을 가열하며 이 에너지를 통해 터빈을 돌려 전기를 생산하게 된다.

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예제 1 (2017년 원자력기사 기출)

다음 중 D-T 핵융합로 내의 삼중수소 증식을 위해 블랑켓(Blanket) 물질로 널리 사용되는 원소는?

① 중수소(D)

② 리튬(Li)

③ 헬륜(He)

④ 지르코늄(Zr)

 

정답) ②

이 문제는 핵융합로에 관련한 문제이다. D-T에서 D는 중수소(Deuterium)이며, T는 삼중수소(Tritium)을 말한다. 즉, 중수소-삼중수소 핵융합로 내에 사용되는 블랑켓의 물질의 구성물질을 물어보고 있다. 중수소-삼중수소 핵융합로 내에 사용되는 블랑켓은 리튬이 사용된다.

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