[과·기·부] 영화 ‘오펜하이머’ 속 핵융합 vs 핵분열, 차이는?

[앵커]

어려운 과학기사를 쉽게 풀어보는 '과학기사를 부탁해' 과.기.부 순섭니다.

'엑소'라는 이름으로 활동 중인 과학커뮤니케이터 이선호 님과 함께합니다.

오늘은 어떤 과학 기사 가져오셨습니까?

[답변]

얼마 전 개봉한 화제작이죠.

영화 '오펜하이머' 인데요.

핵폭탄을 다루는 영화다 보니, 많은 분들이 핵분열!

그리고 핵융합의 개념에 대해 궁금해하시는 분들이 많은데요.

최근 미국에서, 지난해 세계 최초로 핵융합 점화에 성공한 데 이어 이번엔 에너지 수율을 더 높였다고 발표했습니다.

그래서 오늘은 핵융합과 핵분열에 대해 알려드리고자 나왔습니다.

[앵커]

흔히 핵융합을 꿈의 에너지, 무한 청정에너지라고도 부르는데 핵융합이나 핵분열을 통해 어떻게 막대한 에너지를 얻을 수 있는지 그 원리부터 설명해 주시죠.

[답변]

천재 과학자, 아인슈타인이 남긴 아주 유명한 공식이 있죠?

E=mc^2이라 해서 왼쪽의 E는 에너지, m은 질량, c는 빛의 속도인데 빛의 속도는 고정된 값으로 초속 약 30만km, 우주에서 가장 빠른 속도입니다.

바꿔 말하면, 빛의 속도 c는 상수이기 때문에 질량은 곧 에너지라고 볼 수 있는데요.

이러한 에너지는 질량에서 빛의 속도 제곱이 곱해진 값이니까 아주 조금의 질량만으로도 엄청난 에너지를 만들 수 있다는 뜻입니다.

[앵커]

질량 자체가 곧 에너지다.

이건 알고 있는데 핵분열과 핵융합!

어떻게 다른지 하나씩 들어가 보죠.

먼저 핵분열은 어떤 원리입니까?

[답변]

핵분열, 핵융합 에너지의 핵심은 앞서 설명한 것처럼 질량 결손에 있습니다.

다만 질량이 결손되는 방식이 다른 건데요.

핵분열 먼저 설명해드리자면 핵분열에는 우라늄235 원자핵을 사용합니다.

우리가 당구를 칠 때 공을 하나 세게 쳐서 중심에 모인 당구공들이 흩어지는 것처럼 중성자라는 당구공 하나를 우라늄235 원자핵에 충돌시키면 우라늄235 원자핵이 더 작은 원자인 바륨과 크립톤으로 쪼개지는데요.

이렇게 쪼개질 때 질량이 결손되고 결손된 질량만큼 에너지로 바뀌는 겁니다.

우리도 과자를 반으로 쪼개면 정확하게 반으로 잘리지 않고 과자 부스러기가 좀 생기지 않습니까?

그 부스러기들이 전부 에너지로 치환된 것이라고 보면 이해하시기 쉬울 겁니다.

우라늄 235를 예로 들면 결손되는 질량은 0.1% 정도인데요.

과자 부스러기처럼 아주 적은 양이지만 여기에 빛의 속도를 제곱한 값이 곱해 지다 보니 우라늄235 원자핵 1개가 분열하면 약 2억 전자볼트의 에너지가 나옵니다.

이는 같은 무게의 석유나 석탄이 탈 때보다 약 200~300만 배 많은 에너지이죠.

흥미로운 점은 이렇게 우라늄235가 쪼개지는 과정에서 중성자들이 새롭게 2~3개 방출되고 이렇게 방출된 중성자들은 농축된 우라늄235 원자들을 또 쪼개는 당구공 역할을 합니다.

즉 하나가 쪼개질 때마다 중성자가 나와 연쇄 핵분열 반응을 일으키다 보니 이 과정에서 엄청난 열에너지가 발생하는 겁니다.

[앵커]

핵융합은 그럼 어떤 개념인가요?

[답변]

핵융합은 핵분열과 반대되는 현상입니다.

지구의 에너지 공급원인 태양, 무기 중에서는 수소폭탄이 핵융합 원리를 이용하는데요.

두 개의 원자핵이 충돌하면서 새로운 하나의 무거운 원자핵으로 융합하고, 이 과정을 되풀이하면서 엄청난 양의 에너지가 생성됩니다.

예를 들어서, 질량이 5정도 되는 원자 둘이 만나면 당연히 질량이 10이 되겠거니 했는데 10이 아닌 9가 되는 겁니다.

즉, 사라진 1의 질량이 에너지로 바뀌는 것이죠.

정확하게는 핵분열보다 약 7배 많은 즉 0.7%의 질량이 결손되고 이게 다 에너지로 치환되니까 핵분열로 얻는 에너지보다 핵융합을 통해 얻는 에너지가 7배 많아서 훨씬 효율이 높습니다.

심지어 방사선도 훨씬 적게 방출이 되고요.

그렇기 때문에 핵융합 에너지가 인류에게 있어서 꿈의 에너지라 불리는 건데요.

결국, 전 세계의 권력을 차지하는 건 누가 먼저 에너지를 선점하느냐에 따라 달렸다고도 볼 수 있는 것이죠.

[앵커]

서두에 미국이 핵융합 점화에 성공하고 수율도 높혔다고 말씀하셨는데, 이건 무슨 얘기에요?

[답변]

작년 12월 미국 NIF에서는 레이저 방식을 통한 핵융합기술로 약 2MJ의 에너지를 투입해 3.1MJ의 NET 에너지를 얻는 데 성공했습니다.

그 후 불과 7개월 정도 만에 훨씬 더 높은 수율로 핵융합 재현에 성공을 했다고 하고요.

구체적인 수치는 학술 논문을 통해 공개할 예정이라고 합니다.

[앵커]

핵분열 발전 분야에서 우리나라가 세계 최선두권으로 알고 있는데, 현재 기술 수준을 어느 정도일까요?

[답변]

네 맞습니다.

세계 최고 수준의 핵융합 실험로가 우리나라에도 있는데요.

바로 'KSTAR'입니다.

2018년 1억℃의 초고온 플라스마 상태를 1.5초 유지하는 데 성공하고 이를 30초까지 늘리며 매번 세계 최장 기록을 경신했는데요.

장비 업그레이드를 거쳐 올해는 50초, 2026년에는 마의 벽인 300초 달성이 목표입니다.

우리나라는 이런 기술력을 바탕으로 미국, 러시아, EU 등 세계 주요국과 함께 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트에도 참여하고 있는데요.

최근 건설 과정에서 부품 결함이 발견되긴 했지만, 최종 목표인 2035년 대량의 에너지를 생산하는 계획엔 차질이 없다는 설명입니다.

이제 세계 주요국들은 핵융합 반응실험을 넘어서 핵융합 발전소를 짓기 위한 실증단계를 준비하고 있는 건데요.

우리나라가 이러한 핵융합 발전을 가장 먼저 성공시켜서 전 세계를 리드하는 국가가 되었으면 하는 바람입니다.