현재 인간이 만든 에너지원 중에 통제 가능한 수준으로 안정적으로 사용할 수 있는 가장 강력한 수단이 원자력 발전입니다. 그러나 여기서의 원자력 발전이란, 핵분열 발전인데요. 핵분열 발전이란, 쉽게 설명해 크고 무거운 원자를 작고 튼튼한 총알을 원하는 만큼만 발사하여 필요한 만큼의 핵분열 반응과 에너지를 얻어내는 발전입니다.
핵분열 과정의 예시 이미지
이 과정에서 총알의 수량을 무한하게 그리고 핵분열의 반응을 기민하게 만들어 인간이 통제할 수 없는 찰나의 순간에 모든 에너지를 발산 시키면 이것이 바로 원자폭탄, 즉 핵분열 폭탄인데요.
핵분열 폭탄인 리틀보이의 사진
그러나 우리가 매일 밤 그리고 여러 매체에서 볼 수 있는 별들은 핵분열을 하는 것이 아닌 인류가 아직 정복하지 못한 기술, 그리고 실용화하지 못한 영역인 핵융합을 통해 에너지를 생산하고 있습니다.
핵융합이란, 쉽게 설명하면 핵융합의 정반대 개념인데요. 무거운 원소를 외부에서 힘을 가해 부신 후, 이 때 발생하는 결손된 질량을 통해 에너지를 생산하는 핵분열과 달리 가벼운 원소 2개 혹은 그 이상을 합쳐 더 무거운 원소를 만들어내는 과정을 핵융합이라고 합니다.
일반적으로 대부분의 별에서는 우주에서 가장 흔한 수소를 주 원료로 핵융합을 진행하게 되는데요. 수소 핵융합 과정은 아래와 같습니다.
핵융합 과정의 예시 사진
이 때, 2개의 수소 원자가 합쳐지며 더 무거운 원자인 헬륨을 형성하게 되는데요. 문제는 수소 원자 2개 보다 새로 만들어진 헬륨 원자의 무게가 더 가볍기에 핵분열처럼 질량결손이 발생합니다. 바로 이 줄어든 질량만큼 막대한 빛과 열 에너지가 발생되게 되는데요. 바로 여기서 여러분에게 아주 익숙한 공식이자 많은 분들의 골머리를 앓게 했던 ‘아인슈타인의 E=mc^2’ 이라는 공식이 등장합니다.
이 공식의 설명은 아주 간단한데요. 수식을 그대로 해석하자면 ‘에너지 = 질량 × 광속 × 광속’입니다. 이렇게만 말씀드리면 이해가 어려우시죠? 더욱 이해하기 쉽게 설명해드리자면 위의 핵융합 혹은 핵분열 과정에서 발생되는 결손 질량, 즉 가벼워진 질량 만큼 에너지가 발생된다는 의미입니다. 그것도 빛의 속도를 두 번이나 곱한 아주 아주 큰 에너지 양 만큼이요.
참고로 빛의 속도는 1초에 약 30만km를 이동하기 때문에 질량을 순수하게 에너지로 바꾼다면 어마어마한 에너지를 얻을 수 있는 것이지요. 그래서 핵분열을 활용한 원자력 발전소가 매우 적은 연료로도 압도적인 연료 효율을 낼 수 있는 원리이기도 합니다.
그런데 이상하지않나요? 인간은 핵융합의 원리를 알면서도 그리고 얼마나 에너지가 형성될지도 알면서도 왜 핵융합을 상용화하지 못하는 것일까요?
그 이유는 아이러니하게도 별의 핵융합 과정을 이해하면 알 수 있습니다. 가장 쉬운 예시로, 지구 바로 옆에 있는 가장 가까운 항성인 태양을 예시로 설명 드리겠습니다. 태양은 우주에서는 작은 별에 속하는데요. 그러나 이 작은 별 태양의 핵은 무려 온도가 1500만 K, 기압은 지구 보다 기압이 2600억 배 높은 환경입니다.
인간이 핵융합을 실현 시키려면 별의 심장과 동일한 엄청난 압력과 온도를 유지해야만 핵융합 에너지를 사용할 수 있다는 의미인데요. 현재 기술로는 이 온도와 압력을 견딜 수 있는 소재는 구현할 수 없기에 상용화 할 수 없답니다.
그럼에도 불구하고 인류는 과학의 발전을 통해 문명의 발전을 이룩해온 종족이기에 핵융합에 도전하는 불가능한 미션을 지금 이 순간에도 진행 중인데요. 놀랍게도 이 어려운 도전에서 우리나라 과학자들이 KSTAR라는 대한민국 독자 핵융합 연구로를 통해 이 기술을 선도해나가고 있습니다.
KSTAR의 2013년도 모습
특히 ‘2023년도 KSTAR 플라즈마 실험’을 통해 이온온도 1억도 환경에서 초고온 플라즈마 48초 운전, 고성능 플라즈마 운전모드(H-mode) 102초 운전 기록을 달성하며 세계 최고 운전 기록을 자랑하고 있습니다.
이렇게 앞으로 인류의 생활을 더욱 윤택하게 만들어 줄 핵융합 기술의 상용화에 더욱 관심을 가져보는 것은 어떨까요? 그리고 KSTAR에서 연구를 위해 고생하는 국내 연구진들에게 뜨거운 응원과 박수를 보내주시기를 소원합니다.