Others 핵융합반응/플라즈마

2004.06.19 16:40

관리자 조회 수:15281 추천:224

아마 원자, 핵, 전자등의 말을 들어본 적이 있을 것 입니다. 원자는 그 가운데 질량이 무거운 핵과
그 주변에 전자가 있습니다. 마치 태양을 중심으로 수성, 금성, 지구,,,, 등이 돌고 있는 것과
비슷한 구조입니다. 태양은 주변에서 돌고 있는 지구 등 보다는 무척 크고 무겁지요.
원자를 형성하고 있는 핵도 전자와 비교하면 비슷합니다. 이들 핵 속에는 각종 핵자들이 있는데
대표적인 것으로 중성자와 양성자가 있습니다. 이두 핵자는 질량이 비슷한데 중성자는 전기적으로
중성이고 양성자는 전기적으로 양극을 띄고 있어 이름이 그렇습니다. 그 주변을 돌고 있는
전자는 물론 전기적으로 음극입니다. 따라서 핵의 전기적 양극과 전자의 전기적 음극 사이에는
힘이 작용하여 서로를 떨어지지 않으려 하는데 이런 힘을 쿨롱의 힘이라 합니다. 쿨롱 힘은
양극과 양극의 극성을 갖는 전하들에게는 미는 힘을 서로 반대 극성을 갖는 전하들에게는
끄는 힘을 갖습니다. (하지만 태양과 지구가 떨어지지 않으려는 힘은 전기적인 힘이 아니고
질량에 의한 중력장이 작용하는 것으로 이 힘은 항상 끄는 힘을 갖아요)
따라서 이 핵자들은 서로 균형을 이루고 있으며 원자가 안정하게 유지되고 있는 것 입니다.

핵 융합이란 원자 중의 핵을 서로 결합시키겠다는 의미입니다. 이 말뜻은 두 핵이 결합하면 무슨일이든
일어날 텐데 이때 발생하는 일이 융합의 목적일 것입니다. 물리학은 이때 일어나는 현상에 대한 공부를
하여 근본적으로 그 일이 왜 일어 나는가를 찾는 학문입니다. 그런 점이 궁금하여 핵 물리학을 공부하다
보면 자연 그 이치를 알게 될 것 입니다. 여기서는 간단히 설명합시다. 먼저 말한 중성자와 양성자는
양성자와 전자끼리와는 달리 서로 전기적인 힘이 작용하지 않지만 서로는 잘 붙어 있습니다.
이때 작용하는 힘을 핵력이라고 하고 그 핵력은 핵 자간에 아주 가까이 있을 때만 작용합니다.
핵을 구성하는 핵자들간에 평균적으로 작용하는 핵력의 크기가 작을 수록 그 핵은 안정하게 유지됩니다.
당연히 핵자들의 수가 늘어나게 되면 그 핵은 점차 불안해지기 시작하고 쉽게 부서지게 되겠지요.
따라서 우라늄이라는 원자는 핵이 무척 무거워서 위에서 말한 중성자가 와서 부딪치기만 해도
쉽게 작은 핵들로 부서지게 됩니다. 큰 핵이 작은 핵으로 부서지고 나면 작은 핵들은 좀 더 안정하게 되고
핵력이 작아도 되기 때문에 큰핵이 갖고 있는 에너지와 부서진 작은 핵 들의 에너지를 모두 모아 비교해 보면
작은 핵들의 에너지 합이 작게 됩니다. 이 에너지 차이는 이때 발생하는 열 에너지로 나타나게 되고
우리가 사용하고 있는 원자력 발전소에서 전기를 만들기 위한 열에너지가 공급되게 됩니다. 또한
이 에너지 차이는 원자 질량 차이에 해당하는데 값은 그 유명한 아인슈타인의 질량공식 E=mc^2 로 설명이
가능합니다. 여기서 c는 빛의 속도로 일정한 상수이며 m은 원자 질량, E는 에너지를
뜻합니다.

반대로 아주 가벼운 원자들은 몇개가 서로 붙어도 덜 불안해요. 혼자 있으면 허전하듯이
아주 가벼운 원자들은 결합을 해서 좀 더 큰 원자가 되면서 더 안정해집니다. 따라서 가벼운 원소들은
핵분열 보다는 핵 융합을 하게 됩니다. 핵 융합에는 수소와 같은 가벼운 원소가 결합해서 헬륨과 같은
원소가 만들어지는데 만일 수소 두개가 결합 한다고 했을 때 각 수소가 갖는 핵에너지의 합 보다도
헬륨의 핵 에너지가 작아요. 즉, 두개의 핵이 결합하여 보다 안정한 상태가 되어 여기서도 에너지 차이가
발생하는데 그 차이는 역시 E=mc^2의 값을 갖게 됩니다. 이런 반응이 일어나기 위해서는
수소 핵과 핵이 결합을 해야 하는데 이미 말했듯이 핵은 전기적으로 양극을 갖고 있어 서로
쿨롱의 힘이 작용하는데 그 힘을 서로 미는 힘이어서 핵력이 작용하는 거리까지 가까이 가져가기가 매우 힘들어요.
이 쿨롱의 힘을 이기고 핵을 가까이 가져가기 위해서 많은 연구를 하고 있는데 그중  자기장을 써서 이런 입자들을
가두고 서로 가까이 가게 만들거나, 레이져를 사용하여 구슬과 같이 둥근 핵융합 연료 표면에 조사시키면 높은 열에
의해서 표면입자가 증발하여 밖으로 세차게 나가면서 이에 반작용 힘이 구슬 안쪽으로 작용하게 되어 압력을 높이게
됩니다. 이런 힘들을 이용하여 쿨롱 힘을 이기고 두 핵을 가까이 가져가게 되면 핵력이 작용하면서 두 핵은 결합하고
열이 발생하게 됩니다. 핵 분열 원자로와 마찬가지로 이 열을 이용하여 증기를 발생시키고 증기 터빈을 돌려서
전기를 만들어 냅니다. 이를 핵융합 발전이라고 하며 이런 반응을 급하게 하기 위해 핵융합 물질 외부에
핵폭탄을 터트려 융합반응을 가속화하면 핵융합 폭탄이 됩니다. 일반적으로 융합반응을 폭탄으로 생각하게
된 이유가 여기에 있으며 핵융합 발전이 성공하게 되면 핵융합에 쓰이는 수소, 중수소, 삼중수소, 특히 중수소는
바닷물속에 무궁무진 존재하고 있고 융합후에 부산물이 비교적 안정된 원소, 즉 헬륨과 같은 원소들이 만들어지게
되어서 우리는 '꿈의 원자로"라 부릅니다. (우리나라도 이에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 왼편에 "기초과학지원연구원"
홈페이지에 접속해 보면 보다 자세한 내용을 알 수 있습니다. )

또한 핵 융합이 일어나기 위하여는 원자에서 전자(음극)와 핵(양극)을 분리하여 핵끼리 결합을 시켜야 되는데
전자와 핵이 분리되어 있는 이온화된 개스 상태를 우리는 플라즈마(상태)라 부릅니다. 따라서 핵융합이
이뤄지기 위해서는 플라즈마 상태가 마련되어야 합니다. 핵융합과 핵 폭탄, 플라즈마등을 혼동하곤 합니다.
플라즈마는 상태를 의미하는 말이며 플라즈마 핵융합이 일어나기 위해서는 플라즈마 상태가 요구됩니다.

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