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1. 개요
核融合 ｜ nuclear fusion핵융합은 고에너지의 플라즈마 상태에서 원자핵들이 융합되어 더 무거운 원자핵이 되는 반응을 말한다. 이때 질량이 손실되면서 발생하는 막대한 에너지 또한 그 부산물이다. 핵융합 보다 더 큰 의미로 핵합성이라는 단어도 있다.
2. 원리
원자는 양성자, 중성자로 이루어진 원자핵과 그 주위에 구속된 전자로 이루어진다. 원자에 종속된 전자는 외부의 에너지를 받으면 가장자리에서부터 차례로 떨어져 나가는데, 이렇게 떨어져 나간 전자를 자유전자라고 한다. 원자에 가해지는 에너지의 양이 충분히 막대하여, 원자에 종속된 모든 전자가 떨어져 나갈 수 있을 정도가 된다면, 원자는 전자를 방출하고 양전하를 띠는 원자핵이 홀로 존재하게 된다. 이렇게 원자핵과 전자가 분리된 상태를 플라즈마라 한다.에너지가 낮다면 이 원자핵들 사이에 전자기력에 의한 척력(Coulomb barrier, 쿨롱 장벽)이 작용해 서로 결합할 수가 없다. 하지만 원자핵이 입자가속기와 같은 수단으로 엄청난 속도로 가속된 뒤 다른 입자에 충돌하거나[1] 초고온으로 가열되어 원자핵들의 에너지가 매우 높아지면[2] 원자핵들 사이의 거리가 좁혀지게 되고, 이렇게 원자가 충분히 가까워지면 그 이후부터는 강한 상호작용이 작용해 원자핵이 서로 결합하게 된다. 이때, 원자핵들의 평균 에너지가 쿨롱 장벽을 뛰어넘을 만큼 충분히 높지 못한 경우에도, 맥스웰-볼츠만 분포에 의해 소수나마 존재하는 고에너지의 원자핵들이나 낮은 확률로 일어나는 양자 터널링을 통해서도 핵융합 반응이 일어날 수 있다. 항성에서도 이 때문에 이를 몰랐을 때 예상했던 것보다 핵융합이 더 쉽게, 많이 일어난다.
이런 결합 반응을 핵융합이라 하는데, 이때 일부 원자핵은 핵자당 결합에너지가 커져 핵자당 질량이 작아지고, 충돌하기 전 두 원자핵을 합친 질량보다 생성된 원자핵의 질량이 더 작은데, 그 질량의 차만큼 질량-에너지 동등성에 따라 에너지가 발생한다. 보통 이 에너지는 핵융합 반응의 부산물이 가진다.[3]
항성은 플라즈마가 구 모양으로 뭉친 덩어리라고 할 수 있다. 중력은 전자기력이나 핵력에 비해 매우 약한, 가장 약한 힘이지만 막대한 질량으로 이를 이겨낸다. 때문에 엄청난 무게에 짓눌린 태양의 핵은 매우 높은 압력을 받게 되어 밀도가 높아지고 그에 따라 온도도 높아져 핵융합이 일어날 수 있다. 사실 태양 핵의 온도는 지구에서 핵융합이 일어나는 데 필요한 수억 도에 비해 훨씬 낮은 온도인 1,500만 K 정도에 불과하다. 그러나 2,600억 기압이라는 높은 압력 덕분에 온도가 높지 않더라도 원자핵들끼리의 충돌이 잦고 양자 터널링도 잦아 안정적으로 핵융합이 일어날 수 있다. 이를 중력 가둠 핵융합이라고 하며 항성의 종류와 나이에 따라 양성자-양성자 체인 반응, CNO 사이클, 삼중 알파 과정 등의 다양한 핵융합 반응이 일어난다. 대부분 항성의 핵융합은 가장 가벼운 연료인 양성자(수소)부터 시작해 Fe-56이 만들어질 때까지 일어나게 된다. 이후부턴 핵자당 질량이 늘어나 에너지를 흡수해야 핵융합되어 일어나기 때문에 매우 어렵다. 하지만 질량이 극단적으로 크다면, S-과정이 일어나 Bi-209 원자핵까지 만들어낼 수 있다.
가벼운 원자핵이 합쳐져 더 안정한 무거운 원자핵이 될 때 핵자당 결합에너지가 증가하는데, 결합에너지는 질량의 일부가 사용되어 핵자당 질량이 감소하게 된다. 똑같이 무거운 원자핵이 핵분열하여 더 안정한 가벼운 원자핵이 될 때, 핵자당 질량이 감소한다. 이렇게 핵반응에서 질량결손이 생겨 에너지가 방출되는 것이다. 가벼운 원자핵이 핵융합할 때 에너지를 방출하고 핵분열하려면 에너지를 흡수해야 하며, 무거운 원자핵이 핵융합하려면 에너지를 흡수해야 하고 핵분열하면 에너지를 방출하는 이유이기도 하다.
핵자당 결합에너지가 가장 높아 가장 안정적인 원자핵인 Fe-56은 핵자당 질량이 가장 작다. 때문에 Fe-56이 핵융합하거나 핵분열하려면 에너지를 흡수해야 하고, Fe-56으로 핵융합하거나 핵분열하면 에너지를 방출하는데, 상대적으로 주변 원소들에 비해 존재비가 높은 이유이기도 하다. 핵자당 결합에너지 그래프 참조
우주 탄생 초기 우주의 온도는 아주 높았다. 수소 원자가 생성된 후 평균 온도가 핵융합할 수 없을 정도로 되었을 때까지 핵융합을 계속해 왔다. 때문에 우주 원소들의 성분비도 여기에 맞춰서 수소가 가장 많고 그 다음은 헬륨, 탄소, 산소 순이 되었다. 이유는 항성의 핵융합 반응 문단을 보면 알 수 있을 것이다. [4]
2.1. 예시
존재하는 원소들의 대부분은 핵융합 과정으로 형성된다. 주계열성은 수소 핵융합 반응을 통해 에너지를 만든다. 별이 늙어가며 내부의 수소를 거의 다 쓰고 내부 온도가 1억 K에 도달하게 되면, 헬륨 핵융합 반응을 일으키며 베릴륨-8을 거쳐 탄소를 만들어낸다. 이후에는 탄소, 네온, 마그네슘, 산소 반응을 거치며 별의 중심 온도가 27억~35억 켈빈에 도달하게 되고, 최후의 핵융합 반응인 규소 핵융합 반응을 시작한다. 이 과정에서 황, 아르곤, 칼슘, 타이타늄, 크로뮴, 철, 니켈 원자핵이 만들어진다. 이렇게 생성된 니켈-56은 방사성 붕괴를 일으켜 철-56으로 변한다. 철-56 이후로는 핵융합 반응을 하면 에너지를 소모하게 되어(흡열 반응), 별의 중력이 외부를 끌어당겨 수축하는데 이때 엄청난 열이 발생하여 중심핵의 외피 부근에 폭발적 핵반응이 일어나면서 별 전체가 폭발한다. 이것이 초신성이다.태양과 비슷하거나 그보다 작은 항성에서 이루어지는 수소와 수소의 핵융합을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
- 수소 원자가 두 개 있다. 수소 원자는 양성자 하나와 전자 하나로 구성되었으니, 양성자 두 개와 전자 두 개라는 재료가 주어진 셈이다.
- 수소 원자를 이온화시켜 전자와 원자핵을 분리한다.
- 주어진 재료를 있는 힘껏 충돌시킨다(여기에 필요한 에너지는 항성을 구성하는 물질을 압축하고 가열하는 중력이나 양자터널링에서 얻는다).
- 전자기력에 의해 척력만 받는(중력, 약한 상호작용은 일단 논외) 전자와는 달리, 양성자들은 강한 힘으로 억지로 붙이면 강한 상호작용으로 서로 끌어당긴다. 하지만 양성자 두 개는 불안정하다. 고로 안정화되어야 한다.
- 이들이 서로 충돌할 때, 일정량의 에너지를 가진다(두 양성자가 충돌 전에 가지고 있던 운동에너지). 그 중 일부를 양성자 하나가 흡수한다. 이제 고에너지상태로 불안정해진 양성자는 약한 상호작용으로 인한 베타붕괴로 인해서 양전자와 중성미자를 뱉어내면서[5] 더 무거운 중성자가 된다.[6]
- 중성미자는 거의 상호작용을 하지 않으므로 대부분 즉시 태양 밖으로 날아간다. 전체 태양 에너지의 2% 정도가 중성미자로 방출되지만 당연히 지구도 그냥 뚫고 지나가 버리므로 우리 입장에서는 태양 중성미자 연구 이외의 용도로는 의미가 없다.[7]
- +전하를 띤 양전자는 주어진 두 개의 전자 중 하나와 합쳐진다. 그런데 양전자는 반물질이다. 고로 전자와 양전자가 충돌하여 쌍소멸하면서 전자 두 개 분량의 에너지를 감마선[8]의 형태로 방출한다.
- 결국 양성자 하나와 중성자 하나와 전자 하나가 나온다. 그리고 어느 정도 에너지를 갖고 튀어 나간 전자와 양전자가 충돌하면서 에너지를 방출한다.
| [math( {}_{1}^{1}\mathrm{H} + {}_{1}^{1}\mathrm{H} = {}_{1}^{2}\mathrm{H})][9] [math(+ e^{+} + ν_{e} )] [math( {}_{1}^{2}\mathrm{H} + {}_{1}^{1}\mathrm{H} = {}_{2}^{3}\mathrm{He} + \gamma + {\sf energy} )] [math( {}_{2}^{3}\mathrm{He} + {}_{2}^{3}\mathrm{He} = {}_{2}^{4}\mathrm{He} + {}_{1}^{1}\mathrm{H} + {}_{1}^{1}\mathrm{H} + {\sf energy} )] [math( e^{-} + e^{+} = 2\gamma + {\sf energy} )] |
반대로 철보다 무거운 원자핵들은 척력을 이길 뿐만 아니라 융합 과정에서 소모하는 에너지까지 공급해줘야 한다. 그러므로 더더욱 많은 에너지를 투입해야만 하기 때문에 무거운 방사성 동위원소를 만들 때는 입자가속기나 초신성과 비슷한 환경하에 막대한 에너지를 가해줘야 한다.[10] 무거운 원자핵들은 융합할 때보다 분열할 때 에너지를 더 많이 방출하며 우라늄이 분열하면서 방출하는 에너지가 그 예시다. 이게 핵분열이다. 우주에서도 일반적인 항성에서는 철보다 무거운 입자는 융합하지 못한다. 융합되면 일반적이지 않은 항성의 S-과정이나 초신성이라고 파악되는 편.
3. 항성의 핵융합 반응
항성에서 일어나는 실제 순서에 따른 것이며, 다음 과정으로 넘어갈수록 반응이 짧게 일어난다. (양성자-양성자 연쇄반응은 항성 질량에 따라 수억~17조 5000억 년, 규소 연소 과정은 수십분 정도)
3.1. 양성자-양성자 연쇄 반응
원시별과 주계열성의 중심핵, 적색거성과 청색왜성의 중심부 바깥에서 일어나며, 양성자 6개가 참여해 He-4 원자핵이 만들어진다.- 양성자가 베타붕괴로 중성자로 바뀌고 양전자가 방출된다.
- 중성자와 양성자가 융합되어 중수소 원자핵이 만들어진다.
- 중수소 원자핵이 양성자와 융합되어 He-3 원자핵이 만들어진다.
- 1~3의 과정이 반복되어 He-3 원자핵 2개가 만들어진다.
- 헬륨-3 원자핵 2개가 핵융합되어 He-4 원자핵을 만들어내고 양성자 2개는 부산물로 남는다.
초기 질량이 태양 질량의 0.5배 이하인 적색왜성들은 다음 단계인 삼중알파과정으로 넘어가지 못하고 여기서 끝나며, 헬륨 백색왜성이 된다.
3.2. CNO 순환
탄소와 산소, 질소가 반응 중간 과정에서 서로 변환되며 촉매로 작용하는 수소 핵융합의 방식이다. 일정 온도 이상에서 양성자-양성자 연쇄 반응에 비해 더 빠른 반응속도를 가지기 때문에 질량이 태양의 1.3배 이상인 주계열성에서는 CNO 순환이 주 에너지 생성 방식이 된다. 다만 이 반응에 사용되는 탄소와 산소, 질소는 주계열성 단계에서는 생성될 수 없기 때문에 항성이 이전 세대로부터 물려받은 중원소(천문학에서의 금속)를 이미 가지고 있어야 한다. 빅뱅 직후 만들어진 1세대 항성들은 중원소가 없었기 때문에 양성자-양성자 연쇄 반응과 삼중알파과정으로 중원소를 만든 뒤에 CNO 순환을 일으키는 특이한 방식으로 진화하였다.- C-12 원자핵이 양성자와 융합되어 N-13 원자핵이 만들어진다.
- N-13 원자핵은 불안정해 양전자와 전자 중성미자를 방출하고 C-13 원자핵이 된다.
- C-13 원자핵이 양성자와 융합되어 N-14 원자핵이 만들어지고 에너지를 방출한다. (이때 만들어지는 N-14가 지구 대기의 대부분을 차지한다.)
- N-14 원자핵이 양성자와 융합되어 O-15 원자핵이 만들어지고 에너지를 방출한다.
- O-15 원자핵은 불안정해 양전자와 전자 중성미자를 방출하고 N-15 원자핵이 된다.
- N-15 원자핵이 양성자와 융합되어 C-12 원자핵이 만들어지고 부산물로 헬륨-4 원자핵이 남는다.
CNO 순환을 포함한 상위 단계의 반응은 온도에 매우 민감하기 때문에 실질적으로 에너지가 생성되는 영역이 항성 중심부의 매우 좁은 구역으로 한정된다. 여기서 발생하는 높은 온도차로 인해 질량이 큰 항성은 태양과 달리 대류하는 핵을 가진다.
3.3. 삼중알파과정
적색거성의 중심부에서 일어나며, He-4 원자핵 3개가 융합되어 탄소-12 원자핵이 만들어진다.- He-4 원자핵 2개가 핵융합되어 Be-8 원자핵이 만들어진다.
- Be-8 원자핵은 매우 불안정해 다시 He-4 원자핵 둘로 붕괴된다. (이 과정으로 인해 병목현상이 유발된다.)
- Be-8 원자핵이 붕괴되기 전 He-4 원자핵과 곧바로 핵융합되어 C-12 원자핵이 만들어진다. (이때 만들어지는 C-12가 지구의 탄소의 대부분을 차지한다.)
이 과정을 거치면 별은 점점 커지며, 미래 태양은 이 과정을 거칠 것이다. 초기질량이 태양의 0.5배보다 크지만 8배에 미치지 못한다면 태양 질량 이하인 탄소-산소 백색왜성이 된다.
3.4. 탄소 연소 과정
초기질량이 태양보다 약 8배 이상인 항성에서 일어나며, C-12 원자핵 2개가 핵융합되어 높은 확률로 Ne-20와 He-4 원자핵이 만들어지거나, 낮은 확률로 Mg-24 원자핵이 만들어지거나, 다른 원자핵이 만들어진다.이 과정에 이르면 적색초거성으로 진화하며, 질량이 태양의 1.3배 이상인 산소-네온-마그네슘 백색왜성은 이렇게 만들어진다. 이 과정부터 항성 핵융합의 최후 반응인 규소 핵융합까지를 통틀어 알파 과정(Alpha process)라고도 한다. 모두 헬륨-4 원자(알파 입자)를 추가해서 더 무거운 원소를 생성하기 때문이다.
3.5. 산소 연소 과정
초기질량이 태양보다 약 12배 이상인 항성에서 네온 연소 과정보다 빨리 일어나며, O-16 원자핵 2개가 핵융합되어 높은 확률로 양성자와 융합되어 P-31 원자핵이 만들어지거나, 낮은 확률로 Si-30 원자핵과 부산물로 양성자 2개가 만들어지거나, 다른 원자핵이 만들어진다.3.6. 네온 연소 과정
초기질량이 태양보다 약 12배 이상인 항성에서 산소 연소 과정과 함께 일어나며, Ne-20 원자핵이 높은 확률로 He-4 원자핵과 핵융합거나, 낮은 확률로 중성자와 융합되어 Ne-21 원자핵이 만들어지고 He-4 원자핵과 융합되어 중성자와 Mg-24 원자핵이 만들어진다.3.7. 규소 연소 과정
초기질량이 태양보다 약 12배 이상이 항성에서 일어나며, Si-28 원자핵에 He-4 원자가 결합해 S-32를 생성하며 이 반응은 니켈-56이 생성될 때까지 이어진다.- Si-28 원자핵에 He-4 원자핵이 융합되어 S-32 원자핵이 만들어진다.
- S-32 원자핵에 He-4 원자핵이 융합되어 Ar-36 원자핵이 만들어진다.
- Ar-36 원자핵에 He-4 원자핵이 융합되어 Ca-40 원자핵이 만들어진다.
- Ca-40 원자핵에 He-4 원자핵이 융합되어 Ti-44 원자핵이 만들어진다.
- Ti-44 원자핵에 He-4 원자핵이 융합되어 Cr-48 원자핵이 만들어진다.
- Cr-48 원자핵에 He-4 원자핵이 융합되어 Fe-52 원자핵이 만들어진다.
- Fe-52 원자핵에 He-4 원자핵이 융합되어 Ni-56 원자핵이 만들어진다.
이론상 니켈-56에서 핵융합 반응이 최대 주석-100까지 이어질 수 있지만 다음과 같은 이유로 규소 연소 과정은 니켈-56을 넘지 못한다. 첫째로 규소 연소 과정을 진행중인 항성의 중심핵 온도는 27~35억 켈빈에 달하는 극초고온 상태라 고에너지 감마선이 발생하는데 핵자가 이 감마선을 흡수해서 들뜬 상태가 되고 아원자 입자를 방출하는 광붕괴 현상이 일어나 니켈-56 이후의 핵융합을 방해한다. 둘째로는 규소 연소 과정의 지속시간이 길어야 1일에 불과할 정도로 극히 짧아서 니켈-56이 생성되는 그 순간 항성의 중심핵이 자기 질량이 가하는 막대한 중력에 버티지 못하고 중력붕괴로 축퇴되기 때문이다.
규소 연소 과정이 종료된 항성은 중력붕괴를 일으키는데, 막대한 중력으로 인해 중심핵을 구성하던 양성자가 전자를 포획해 중성자가 되는 전자포획 현상을 일으키고 '중성자 덩어리'가 되어 안정된다. 하지만 중심핵만 수축이 중지되었을 뿐이고, 갑작스럽게 중심핵의 부피가 줄어들었으므로 중심핵 외부의 물질들은 내파 현상으로 인해 광속의 4분의 1에 달하는 매우 빠른 속도로 중성자 덩어리가 된 중심핵에 쏟아진다.
이렇게 중심핵 외부 구성물질들이 중심핵에 연달아 충돌하면서 최대 1조 켈빈까지 온도를 높여 항성 핵융합으로는 생성될 수 없는 철을 넘어서서 은, 텅스텐, 백금, 금, 수은, 납, 우라늄 등 훨씬 무거운 중원소를 대량으로 생성하며, 이 과정에서 생성된 반감기가 매우 짧은 동위원소들이 자발적 핵분열로 에너지를 추가로 내놓는다. 이 때문에 별 전체를 뒤흔드는 충격파가 발생하여 2형 초신성이 일어나 엄청난 폭발을 일으켜 밀도가 극히 높은 중심핵만 중성자별로 남고 나머지는 다시 우주 공간으로 되돌아간다.
우주의 원소 존재비를 보면 수소-헬륨-산소-탄소-네온-철-질소-규소-마그네슘-황의 순인데 철이 상당히 흔하다. 이는 니켈-56이 방사성 붕괴를 두 번 거쳐 생성되는 철-56이 핵자당 결합 에너지가 가장 커서 안정적이며 규소 연소 과정으로 니켈-56이 대량으로 생성되기 때문이다.
3.8. 중성자 포획
말 그대로 원자핵이 중성자를 포획하여 원자량이 증가하는 반응이다. 초신성 폭발에서 고속으로(Rapid) 일어나는 R-과정과, 적색거성에서 느리게(Slow) 일어나는 S-과정이 있다.S-과정은 가벼운 원자핵에서 시작해 중성자와 융합하고, 전자와 전자 반중성미자를 방출하고를 반복하며 Bi-209 원자핵이 될 때까지 계속해서 무거워진다. 다음으로 만들어지는 Po-210은 상대적으로 짧은 반감기를 가지고 Pb-206으로 알파 붕괴하므로 S-과정을 종료시킨다.
초신성 폭발이 일어나면 중성자의 에너지와 밀도가 극도로 높아지며, 중성자들이 원자핵과 급속하게 융합하는 R-과정이 일어나 U-238 등의 무거운 원자핵들이 만들어진다. R-과정의 최대 한계는 명확치 않으나, 시뮬레이션에 따르면 원자번호 110번(다름슈타튬) 이후의 원소는 거의 만들어지지 않는다고 한다. 이 시점부터는 원자핵이 자발적 핵분열을 하려는 경향이 강해지기 때문이다. 또한 Pu-244보다 무거운 원소는 절멸 핵종이 되었으므로 지구상에서 발견되지 않는다.
3.9. 양성자 포획
P-과정과 rP-과정이 있으며, 양성자와 융합되어 일부 희귀 동위원소가 만들어지는 과정이다.4. 인공의 핵융합 반응
유의미한 핵융합 발전, 수소폭탄의 핵융합 반응들은 해당 문서에 정리. 채산성이 떨어지는 기타 기술은 본 문서에 정리.
4.1. 핵융합 발전
기존 핵분열 방식의 원자력 발전소보다 적은 방사성 물질 방출 등 장점이 많아 연구되고 있다.
토카막, 레이저 관성 가둠 등 발전용으로 발전될 가능성이 높은 인공 핵융합 방식은 모두 핵융합 발전 문서에 서술되어 있다.
4.2. 수소폭탄
기존 핵분열 방식의 원자폭탄보다 높은 출력과 위력, 높은 방사선, 낮은 방사능 물질 방출 등 장점이 많아 대체했다.
4.3. 관성 정전 가둠
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| 관성정전 가둠의 원리. 전기장 하에서 원자핵을 가속하여, 이온 엔진과 동일하다. |
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| 퓨저(Fusor)의 작동 모습 | 퓨저(Fusor)의 구조도 |
Inertial Electrostatic Confinement, IEC (영문 위키)
제작의 용이성 - 다른 핵융합과 달리 구현이 쉬워서 취미의 영역으로 만들기도 하는 방식. 설계도도 인터넷에 있고, 재료를 구하는게 어려워서 그렇지[11] 제작도 허용된다. 심지어 12살짜리가 만들어 기네스 세계 기록에 등재되기도 했다.
대한민국에서 제작된 장치 - 2019년 대한민국에도 이 장치를 만든 사람이 있다. # 2019년에 이 장치를 만든 사람은 현재 경희대학교 원자력공학과에 재학 중이다. 제작자의 인스타그램 계정에 방문하면 Fusor 장치의 제작 과정을 간략하게 엿볼 수 있다. # 추가적으로, 제작자의 블로그에 접속하면 더 자세한 제작 후기를 볼 수 있다. https://blog.naver.com/paul0230/223344709507
용도 - 발전 용도로는 전혀 쓸모가 없다. 상업 운전을 하려면 연료:에너지 비율이 1:10이어야 하는데, 관성정전 가둠은 구조상 열손실로 인해 거꾸로 10:1이기 때문(...)[12]. 자세힌 내부와 외부에 강력한 전기장을 걸어 저밀도 중수소 플라즈마를 전기장으로 가속시켜 중심에서 충돌시키는 방식인데, 가속된 중수소의 대부분이 내부 cage에 닿아 중앙에 도달하지 못하고 cage에 열만 전달하기 때문. 그런고로 이 방식은 거의 취미생활에 사용하거나 비파괴 검사, 동위원소 생산 등을 위한 값싼 중성자원으로 써먹고 있다고 한다. 중성자원이 되는 원인은 아까 말했다시피 안에서 실제 핵융합이 일어나면서 중성자를 내뱉기 때문이다.
대표적인 방식
- 퓨저(Fusor) - 전체 이름은 Farnsworth-Hirsch Fusor이며, 전자식 텔레비전의 발명가 필로 판스워스(Philo Farnsworth)가 고안했다.[13] 판스워스가 TV를 개발하면서 진공 튜브에서 벌어지는 현상으로 핵융합을 할 수 있지 않을까 연구하여 고안했다.
- 폴리웰(Polywell) - 소련 물리학자 Oleg Lavrentiev가 제안하고 #, 미국 물리학자 로버트 버사드(Robert W. Bussard)가 검증한 개선안 미국 특허. 버사드는 성간 핵융합추진 우주선 개념을 고안하다가 이온 엔진과 함께 이를 고안했다. 여러 방식으로 기존 퓨저의 밀도를 높이고 내부 열손실 문제를 해결하고자 한다. 한국인이 대표로 있는 미국의 EMC2(Energy Matter Conversion Corporation) 사에서 개발하는 핵융합로도 Polywell이며, 애초에 이 회사를 세운 사람도 로버트 버사드다!
4.4. 음파 발광
거품 또는 음파발광 핵융합(Sonofusion)은 레이저 대신 음파 발광 현상을 이용한 관성 핵융합 방식이다. 그러나 추가 연구 결과 거품 핵융합에서 발생했다는 중성자는 사실이 아닌 것으로 밝혀졌으며 발생하는 온도도 핵융합을 일으키기에는 매우 부족한 온도로 확인되어 현재는 음파 발광 현상을 이용한 핵융합은 연구되고 있지 않다.4.5. 뮤온 촉매
뮤온 촉매 핵융합(Muon-Catalyzed Fusion, μCF)은 뮤온을 이용하여 핵융합 반응을 더 잘 일으킬 수 있도록 하는 방법이다. 중수소나 삼중수소 원자핵에 전자 대신 뮤온을 붙여주게 된다. 뮤온의 궤도는 원자핵에 매우 가까워서 뮤온의 음전하는 원자핵의 양전하를 중화시켜줘서 일반적인 전자에 의한 공유결합 분자보다 중수소와 삼중수소가 훨씬 더 가깝게 붙은 분자를 생성하게 되고, 곧 두 원자핵이 융합할 정도로 가까이 다가서게 된다. 뮤온은 핵융합 이후에도 존재하고 다음 핵융합 반응을 위해 재사용되는데 이것이 촉매의 역할과 같아[14] 이 핵융합 방식을 뮤온 촉매 핵융합이라고 부르게 되었다. 그러나 뮤온의 수명이 너무 짧고 뮤온이 헬륨 원자핵에 붙어버리는 Sticking 현상이 자주 발생해서 충분히 재사용되지 못해 거의 연구되고 있지 않다.[15] 상온에서도 핵융합을 일으킬 수 있는 방식이나 뮤온을 생성하는 데 드는 에너지조차 회수하지 못하는 실정이라 상온 핵융합으로 분류하지는 않는다.4.6. 초전
초전 핵융합(Pyroelectric Fusion)에서, 초전 현상은 특정한 종류의 결정에 열을 가하면 결정에 전위차가 발생하는 현상이다. 이로서 강력한 전기장을 생성하고 이를 통해 이온을 가속해서 핵융합을 일으키게 된다. 2005년 미국 UCLA에서 이 현상을 실험을 통해 확인하였다고 한다. 핵융합 발전보다는 소형 입자가속기 같은 용도로 유용할 것으로 보인다.4.7. 스핀 편극
스핀 편극 핵융합(Spin-Polarized Fusion)이란 연료 원자핵의 스핀을 자장 방향으로 편극시키면 핵융합 반응 단면적(Fusion cross section)이 약 1.5배 증가해서 핵융합 반응을 더 쉽게 일으키는 방식이다. 현재 미국 General Atomics 사가 보유한 DIII-D 토카막에서 실험 중이며, 미국 에너지부 산하 연구소인 제퍼슨 연구소[16]도 참여하고 있다. 미국 외에는 스위스의 ETH Zürich, 독일, 일본(쓰쿠바대학) 등에서 연구하고 있으며 앞서 설명한 TAE Technologies 사도 스핀 편극 핵융합을 연구하고 있다. 초고온의 핵융합 플라즈마 속에서 원자핵이 충분히 오랫동안 편극된 상태를 유지하도록 하는 것이 과제라고 하며, 다행히도 현재까지 연구된 결과 편극을 잃게 하는 요인들은 대부분 큰 문제가 되지 않는 것으로 결과가 나오고 있다고 한다.4.8. 입자 가속
입자가속기 여러대를 서로 마주보게 설치하여 비열적 방법으로 핵융합을 일으키는 방법. Colliding Bean Fusion이라 불리며 1969년에 MIGMA란 장치가 고려된 적이 있다. 논문. 원형 입자가속기 내부에서 회전시켜 자기 거울과 비슷하게 충돌확률을 늘리겠단 계획이였다. 하지만 당시 베타값에 대한 고려가 부족하였고, 빔 밀도가 높으면 내부 전기장도 같이 높아져 자기가둠을 뚫고 흩어지기 때문에 기존 예상보다 밀도를 천배 가까이 낮출 수밖에 없었다. 그 외에도 산란 등 해당 방법론에 근본적인 문제가 산재하여 현재는 주류 과학계에서 핵융합 발전으로 적합하지 않다고 판단하고 있다.이 외에도 Nicholas Christofilos의 아스트론(핵융합로) 디자인과 같이 보다 개선된 가속기 기반 핵융합로도 과거 연구되었다. 이러한 가속기 기반 핵융합로 연구는 추후 Field-Reversed Configuration 핵융합로의 연구와 (간접적으로) 이어지게 된다.
4.9. 충격 점화
충격 점화 핵융합 혹은 Projectile Fusion이라 불리는 방식은 투사체의 충돌압축으로 핵융합을 일으키는 반응이다.정지한 물체나 마주보고 있는 레일건[17]으로 소형 연료 팰럿을 상대속도 40km/s 이상으로 고속 충돌시켜 투사체 일부가 증발하여 운동에너지를 열에너지로 전환한다. 이를통해 핵융합 가능 온도와 압력을 달성하는 방법. 상술한 마하 100이 넘어가는 속도로 핵융합을 일으키기에 충분한지, 현 기술로 연속적인 발사가 달성 가능한지 등 여러 논란이 있다. ToughSF 블로그 특허 논문
현재 영국 스타트업 First Light Fusion사가 시도하고 있다. 팰럿 디자인을 개선하여 더 낮은 속도에서도 한 점에 압력을 집중하고자 하고 있다. 2022년 4월 소개영상
4.10. 격자 가둠
Lattice confinement fusion(LCF)티타늄이나 어븀과 같은 고체 금속 안에 중수소를 흡수시킨 후 감마선을 쐬어 핵융합 반응을 유도하는 방식. 감마선이 중수소 내에 중성자와 양성자를 분리시키고, 이 둘이 다른 중성자와 부딪히면서 핵융합 반응이 일어난다. 이 때 금속 원자들이 중수소 원자들을 붙들어 충돌 가능성을 높인다[18]. 중수소-중수소(D-D) 핵융합 반응이 주로 나타나며[19], 상온 상태에서 일어날 순 있지만 반응도가 그래도 낮아 산출 에너지가 투입 에너지보다 훨씬 작아 발전용으론 쓸 수 없다. 연구실 레벨에서 중성자 발생장치로 사용하는 편[20].
5. 여담
- 해외에서는 주로 nuclear fusion이 아닌 fusion으로, nuclear fusion energy가 아닌 fusion power라 한다.
- 태양에서 핵융합 현상이 일어난다는 점에 착안하여 햇빛이나 태양열을 이용한 원시적인 장치나 기술에 사실 핵융합을 이용한 것이라는 식의 우스갯소리를 하기도 한다. 예를 들면 앙부일구를 가지고 조선 시대에 발명된 핵융합으로 작동하는 장치라고 한다든지. #
- 1989년 3월부터 상온 핵융합이라 하여 상온 상태에서 핵융합이 일어나는 현상이 있다고 하며 연구도 진행 중이나 과학계에서는 부정적이며 불가능한 것으로 본다. 거의 반드시 팔라듐 이야기가 따라나오곤 한다. 팔라듐 수준으로는 핵융합을 일으킬 만큼 수소를 압착시킬 수 없다는 것이 밝혀진 지 오래다. "상온", "팔라듐" 이 두 단어만 나오면 그냥 무시해도 될 정도로, 상온 핵융합은 불가능하다고 보면 된다.
- 2010년 5월, 북한 측이 단독으로 핵융합로 실험에 성공했다고 주장했다. 대충 보면 Dense Plasma Focus 장치인데 핵융합로이긴 하지만 발전용으로 써먹을 수준의 장비는 당연히 아니고 핵물리학이나 X선, 극자외선원 연구에 보통 쓰인다. 혹은 관성정전 가둠 장치를 사용했을 가능성도 있는데, 관성 정전 가둠은 위에 잘 나와 있듯이 중고생도 만들 수 있는 수준이고 DPF 장치도 이미 광운대나 2004년에 한양대에서 플라즈마 응용을 위해 만들어서 실험한 적이 있다(Hanyang University Plasma Focus). 북한이 이걸 실제로 만들었는진 모르겠으나 보다시피 제작에 특출난 기술이나 많은 돈이 필요한 것도 아니라서 북한이 실제로 만들고 핵융합을 일으켰다 해도 놀랄 것은 전혀 없고, 대단한 것도 아니다. 덤으로 북한 미화론자들은 이를 북한이 인공태양을 발명했다는 증거로 과대포장했다.(...)
- 2015년 2월, 김치 산업화에 핵융합 기술을 사용한다는 기사가 화제가 되었다. # 거창한 건 아니고 핵융합 연구에서 획득한 플라즈마 기술들을 응용한 것이다. 농산물 처리 및 가공에도 다양한 플라즈마 기술들이 활발하게 연구, 이용되고 있기 때문.
[1] beam-beam fusion, beam-target fusion[2] 이를 thermonuclear fusion, 즉 열핵융합이라 하며, 항성 내부나 인공적으로 제작된 핵융합로에서는 열핵융합 반응이 주를 이룬다.[3] 중성미자와 광자가 융합 과정에서 직·간접적으로 발생하기도 한다. 우주에서 볼 수 있는 초대규모의 핵융합 반응이 바로 초신성이다. 초신성의 에너지 대부분이 중성미자 형태로 날아간다.[4] 탄소보다 가벼운 원자핵인 리튬과 베릴륨, 붕소는 주변 원소들에 비해 존재량이 매우 적은데, 이는 원자량과 원자번호가 핵융합으로 만들어지기 힘든 조합인데다가, 항성의 핵융합 과정에서 소모될 수 있기 때문이다. 만들어지기 쉬운 조합의 원자핵은 모두 불안정하다.[5] 정확한 과정은 에너지를 빌려 W＋보손 생성 →양전자 & 전자 중성미자로 붕괴 과정을 거친다.[6] 원래 가벼웠던 입자(양성자) 무거운 입자(중성자)로 변하는 것이 부자연스럽다고(열역학 1법칙=질량-에너지 보존법칙)생각할 수도 있으나, (양성자) + (양성자가 가지고 있던 운동에너지) = (중성자) + (고에너지 전자 중성미자) + (양전자)이므로, 열역학 1법칙에 위배되지 않는다. (아인슈타인의 질량-에너지 등가 법칙 E=mc²을 생각하면, 양성자가 가지고 있던 운동에너지의 일부가 질량으로 전환되었다고 생각할수도 있다. 여담이지만 실제로, LHC에서 무거운 입자들(톱 쿼크,힉스입자 등)을 생성할 때 빛의 속도에 거의 근접한 양성자 2개가 서로 충돌하면서, 그 양성자들의 운동에너지가 양성자 내부의 가상 입자(불확정성 원리에 의해서 생성될수 있으나, 직접 관측하는것은 불가능한 입자)들에 작용해서 질량으로 바뀌면서 가상 입자가 실제 입자(관측가능한 입자)로 변환되는 것을 이용해서 생성하는 것이다.)[7] 지구에서 관측해 보면 태양에서 방출된 전자 중성미자의 1/3 정도밖에 보이지 않는데, 나머지는 중성미자 진동에 의해 다른 타입의 중성미자로 바뀌어서 지나가는 것이다.[8] 광자로 이해해도 무방하다. 둘은 기호가 같기도 하고.[9] 이를 Deuterium의 앞글자를 따서 D라고 표기하기도 한다.[10] 참고로 입자가속기로는 핵융합 발전소를 만들 수 없다. 이런 식으로 융합시키면 반응 단면적이 너무 작고, 융합하는 입자 수 자체도 매우 적어 투입되는 에너지에 비해 핵융합은 거의 안일어나니 발전 효율이 마이너스이기 때문이다. 입자가속기(여기선 선형)의 핵융합은 중원소 실험이나 방사성 핵종의 생산에 쓰인다. 다만 입자가속기 자체만으로 핵융합 발전소를 만들 수 없을 뿐 핵융합 중수소 원자핵을 플라즈마로 쏘는 방식으로 플라즈마의 가열에 사용된다(이를 Neutral Beam Injector(줄여서 NBI), 즉 '중성입자빔 입사장치'이라 한다). 일부 학자들은 핵융합로를 입자가속기의 일종으로 보기도 한다.[11] 중수소가 가장 까다로운데, 시그마 알드리치 등에서 실험실용으로 판매하니까 그걸 전기 분해해서 얻으면 된다. 중수 1L에 8~90만원 정도 하지만 애초에 이건 채산성을 생각하고 만드는 게 아니니까...[12] 즉 들어가는 에너지가 나오는 에너지보다 10배 이상 많다.[13] 미국 애니메이션 퓨쳐라마의 판스워스 교수의 성을 이 사람에게서 따왔다. 퓨쳐라마에선 어린이 비만을 발명한 인간으로 언급된다.[14] 반응과정에서 소모되지 않으면서 반응의 활성화 에너지를 낮춘다는 것이 정확히 촉매의 역할과 일치한다. 반응의 종류가 화학 반응이 아닌 핵반응이라는 점만 다르다.[15] 뮤온을 생성하는데도 에너지가 꽤 소모되기 때문에 충분히 재사용되지 못하면 수지타산이 맞지 않는다. 아직 영국의 러더포드 애플턴 연구소(Rutherford Appleton Laboratory)와 일본의 이화학연구소(RIKEN)에서는 다루는 듯 하다.[16] Thomas Jefferson National Accelerator Facility[17] 충분한 속도만 만들 수 있다면 레일건이 아니여도 된다.[18] 기체 상태의 중수소보다 충돌 확률이 높다.[19] 중간 산출물인 삼중수소나 헬륨-3도 다른 중수소와 같이 일부 핵융합 반응을 일으킬 순 있다.[20] 핵융합 반응이 발생하긴 함으로 중성자가 생성된다.