핵융합 발전

두 개의 찰흙 덩어리를 엄청난 힘으로 던져 부딪치면 하나로 뭉쳐지듯, 핵융합은 수소처럼 가벼운 원자핵들이 합쳐져 더 무거운 헬륨 원자핵으로 변하는 현상이에요. 하늘의 태양이 끊임없이 빛과 열을 내뿜는 비밀도 바로 중심부에서 일어나는 핵융합 덕분이에요.

하지만 원자핵들은 모두 양(+)전하를 띠고 있어서 자석의 같은 극처럼 서로를 거세게 밀어내요. 이 반발력을 이겨내고 두 원자핵이 닿을 만큼 가깝게 다가가려면 상상을 초월하는 속도로 부딪쳐야 해요. 태양 중심부는 약 1,500만 도지만, 거대한 중력이 만든 엄청난 밀도와 압력 덕분에 핵융합이 일어나요. 지구에서는 그런 밀도를 만들 수 없어서 온도를 태양보다 훨씬 높은 1억 도 이상의 초고온으로 올려야 해요.

이런 극한의 온도에서는 원자핵과 전자가 제각기 분리되어 공중을 떠도는 제4의 물질 상태인 플라즈마가 만들어져요. 태양은 거대한 중력으로 입자들을 꽉 쥐어짜지만, 지구에서는 중력이 약하기 때문에 입자들을 초고속으로 질주시켜 서로 쾅 부딪치게 만드는 방식을 써요.

두 원자핵이 합쳐졌는데 도대체 왜 엄청난 에너지가 뿜어져 나오는 걸까요? 신기하게도 반응 후 생기는 헬륨 원자핵과 중성자의 질량을 모두 더해도, 반응 전 두 원자핵 질량의 합보다 아주 살짝 가벼워요. 이때 사라진 극소량의 질량이 순수한 에너지로 바뀌어 방출되는 거예요.

아인슈타인의 질량-에너지 등가 법칙에 따르면 질량과 에너지는 본래 하나이며, 아주 작은 질량이라도 빛의 속도의 제곱과 곱해지면 천문학적인 에너지가 돼요. 한국핵융합에너지연구원에 따르면 바닷물 1리터에 든 중수소(약 0.03g)는 이론적으로 휘발유 약 300리터에 해당하는 에너지를 낼 수 있어요.

기존 원자력 발전이 우라늄처럼 무거운 원자핵을 쪼개는 핵분열 방식이라면, 핵융합은 가벼운 원자핵을 붙이는 정반대 방식이에요. 같은 질량의 연료로 비교하면 핵융합은 핵분열보다 몇 배 많은 에너지를 낼 수 있고, 오래가는 고준위 폐기물도 거의 남기지 않아요.

1억 도가 넘는 플라즈마는 용기 벽에 닿으면 순식간에 식어 반응이 꺼지고, 벽도 손상돼요. 그래서 벽에 닿지 않게 띄워 둬야 해요. 과학자들은 강력한 자석으로 허공에 도넛 모양의 자기장 감옥을 만들고 그 안에 플라즈마를 둥둥 띄우는데, 그 대표적인 방식이 토카막(Tokamak)이에요. 레이저로 연료를 순간적으로 압축하는 방식 같은 다른 방법도 연구되고 있어요.

핵융합 발전은 원자력 발전소와 같은 대형 폭주 사고의 위험이 원천적으로 없어요. 연료 공급 밸브를 잠그거나 장치에 문제가 생겨 전원이 끊기면, 1억 도의 불꽃이 순식간에 식어버리면서 반응이 그 자리에서 저절로 멈추기 때문이에요.

온실가스를 배출하지 않고, 수만 년 동안 위험한 고준위 방사성 폐기물도 거의 남기지 않아요. 다만 연료인 삼중수소와 중성자에 노출된 장치 부품은 방사성을 띠어 관리가 필요해요. 투입한 것보다 많은 에너지를 꾸준히 얻는 기술, 강한 중성자를 견디는 재료, 삼중수소를 스스로 만들어 쓰는 기술 같은 과제가 해결된다면, 인류는 연료 고갈 걱정이 거의 없는 에너지원을 얻게 돼요.