사는 이야기/과학사전

남산 2016. 11. 26. 11:54

수소 핵융합 반응

             

수소 핵융합 반응

1. 태양에서의 핵융합 반응

수소가 헬륨으로 바뀌는 과정은 몇 가지가 있는데, 그 중의 하나는 양성자 - 양성자 연쇄 반응이다. 이 반응은 중심 온도가 1,000∼1,500만K 범위에 있는 태양과 같이 가벼운 별에서 주로 일어나는데, 세 가지 과정을 거쳐 헬륨의 원자핵이 만들어진다.
첫 번째 과정은 수소 원자핵(1H)인 양성자 두 개가 서로 결합하여 중수소핵(2H)을 만드는 과정이다.

여기서 생긴 중성미자(ν)는 태양을 빠져나가고, 양전자는 전자와 쌍소멸하면서 감마선(γ) 형태로 빛을 방출한다. 중수소핵(2H)은 다른 수소 원자핵과 융합하여 헬륨의 가벼운 동위 원소인 헬륨 3(3He)을 형성하고 감마선 광자(γ)의 형태로 에너지를 방출한다.

여기서 생긴 헬륨 3(3He)으로부터 헬륨 4(4He)가 만들어진다. 이 과정은 여러 갈래로 진행되지만 다음 과정이 확률이 가장 높은(91%) 것이다.

양성자-양성자 연쇄 반응
2. 인공적인 핵융합 반응

지구 상에서 구현할 가장 유력한 핵융합 과정은 중수소(D, 2H)와 삼중수소(T, 3H)의 핵융합 반응으로 보고 있다. 중수소와 삼중수소가 반응하면 아래와 같이 헬륨과 중성자가 나온다.

이 반응을 DT 핵융합 반응이라고 하는데, 여러 가지 핵융합 반응 중 반응 조건이나 반응 후 생성 에너지 측면에서 가장 유리하다. 반응식에서 볼 수 있듯이 DT 핵융합 반응에 의해 생성되는 에너지의20%는 헬륨 원자핵(4He)의 에너지로80%는 중성자(n)의 에너지로 방출된다. 그러므로 핵융합 발전의 기본 원리는 핵융합 반응에 의해 생성되는 열에너지 및 중성자가 전달하는 핵융합 에너지를 이용하는 것이라고 볼 수 있다. 이때 필요한 중성자는 DT 핵융합 반응에서 나온 중성자를 다시 이용할 수 있다. 즉, DT 핵융합이 일어나는 곳 주위에 리튬이나 리튬 화합물을 가져다 놓으면 삼중수소가 생성된다는 것이다.
핵융합에 필요한 중수소는 물을 구성하는 수소 중 약 수식의 비율로 존재한다. 지구에는 충분한 물이 존재하므로 중수소의 확보에는 거의 제한이 없다. 반면 삼중수소는 지구 상에 자연 상태에서는 존재하지 않는다. 그러나 리튬(Li)으로부터 생산할 수 있다. 리튬에 중성자를 충돌시키면 아래와 같이 삼중수소와 헬륨이 생성된다.

DT 핵융합 반응을 일으키려면, 중수소와 삼중수소를 플라스마 상태로 만들어 1억℃ 이상의 고온으로 가열하여야 한다. 고온을 만드는 장치는 스텔러레이터(Stellerator)라는 레이저이고, 이 고온의 플라스마를 담아 두는 장치가 토카막(Tokamak)이다.

관련문제

01.그림은 핵융합 발전을 연구하는 원자로로, 중수소와 삼중수소가 융합되어 헬륨이 될 때 발생하는 에너지를 이용한다.핵분열을 이용한 원자력 발전과 비교한 것으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은?
ㄱ. 매우 높은 온도가 필요하다.
ㄴ. 유용한 방사성 물질이 더 많이 발생한다.
ㄷ. 한번의 핵반응에서 발생하는 에너지가 더 크다.
  1. 1. ㄱ
  2. 2. ㄴ
  3. 3. ㄱ,ㄷ
  4. 4. ㄴ,ㄷ
  5. 5. ㄱ,ㄴ,ㄷ
정답 및 해설


정답1
해설ㄱ. 중수소 원자핵과 삼중수소 원자핵의 충돌에 의해 융합이 일어난다. 두 원자핵은 (+)전하에 의해 반발력이 크므로 약 1억℃ 정도의 초고온이 있어야 충돌이 일어난다.
ㄴ. 중수소와 삼중수소 원자핵이 충돌하면 헬륨 원자핵이 만들어지면서 중성자가 방출된다. 따라서 방사성 물질은 만들어지지 않는다.
ㄷ. 한 번의 핵반응에서 방출되는 에너지는 핵융합은 18 MeV, 핵분열은 200 MeV로 핵분열이 훨씬 크다. 그러나 핵자당 발생 에너지는 핵융합이 훨씬 크다.