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 의 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

정답

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해설

ㄱ. 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.