핵분열과 핵융합이란?

핵분열과 핵융합이란?

에너지 산업의 미래에 대해 논의할 때 핵분열과 핵융합은 간과할 수 없는 두 가지 기술입니다. 모두 원자핵의 변화를 통해 방대한 양의 에너지를 만들어 내지만, 그 과정이나 특성은 크게 다릅니다. 핵분열은 이미 전 세계 많은 나라에서 상업화되어 전기를 생산하는 데 사용되고 있지만, 아직 핵융합은 상용화 이전으로 미래 청정 에너지원으로 큰 가능성을 보여주고 있습니다. 

 

원자

 

핵분열과 핵융합의 기본 원리

핵분열은 무거운 원자핵이 작은 핵으로 분열하는 반응입니다. 예를 들어 우라늄-235의 원자핵이 중성자와 충돌하면 쪼개지면서 에너지와 추가 중성자가 방출됩니다. 그 후, 이 중성자들은 다른 핵과 충돌하여 연쇄 반응을 일으킵니다. 이 연쇄 반응을 제어하여 에너지를 안전하게 생산하는 것이 핵분열 원자로의 기본 원리입니다. 임계 질량이라는 개념은 핵분열과 밀접한 관련이 있습니다. 임계 질량은 연쇄 반을 지속시키기 위해 필요한 최소한의 핵분열 물질 양을 의미합니다. 이 임계 질량 이상으로 핵분열 물질이 모이면 연쇄 반응이 폭발적으로 일어날 수 있습니다. 대조적으로 핵융합은 가벼운 원자핵들이 결합하는 반응입니다. 수소 원자핵은 매우 높은 온도와 압력 아래에서 충돌하여 헬륨과 같은 무거운 원소를 형성하고 엄청난 에너지를 방출합니다. 이 과정은 태양과 같은 별의 중심부에서 자연적으로 발생하고 있습니다. 핵융합의 대표적인 반응 중 하나는 중수소와 삼중수소의 융합입니다. 이 반응에서 두 수소 동위원소가 결합해 헬륨 원자핵과 중성자를 형성해 막대한 양의 에너지를 방출합니다. 이러한 초고온 환경이 필요한 핵융합 반응을 지구상에서 실행하고 제어하는 것이 핵융합 연구자들이 도달하고자 하는 목표입니다.

 

핵분열과 핵융합의 에너지 생산량 비교

핵분열과 핵융합 모두 방대한 양의 에너지를 생산할 수 있습니다. 핵분열에서 1kg의 우라늄-235는 약 24,000 MWh의 에너지를 방출할 수 있어 화석 연료에 비해 매우 높은 에너지 밀도를 나타내고 있습니다. 예를 들어 같은 양의 에너지를 생하기 위해서는 약 3,000톤의 석탄이 필요합니다. 이렇게 에너지 밀도가 높기 때문에 핵분열은 대규모 전력 생산에 적합한 기술로 여겨지고 있습니다. 반면 핵융합은 수소 동위원소인 중수소와 삼중수소를 이용하여 에너지를 더 많이 생산할 수 있습니다. 핵융합은 이론적으로 핵분열보다 단위 질량당 더 많은 에너지 생산이 가능합니다. 예를 들어 중수소-삼중수소 융합 반응은 1kg의 연료에서 약 338,000 MWh의 에너지를 생산할 것으로 예상됩니다. 이는 핵분열의 14배, 석탄의 800만 배입니다. 그러나 지금까지 핵융합 기술은 실험실 단계에서 에너지를 생산하는 데는 성공했지만 실제 투입한 에너지보다 더 많은 에너지를 생산할 수 있는 순에너지 이득 측면에서는 아직 도전 과제로 남아있습니다. 한편 핵분열을 잘 알려져 있듯이 이미 상용화되어 전력 생산의 많은 부분을 담당하고 있습니다.

 

핵분열과 핵융합의 연료 및 원재료

핵분열에는 우라늄이나 플루토늄과 같은 무거운 원소를 원료로 사용합니다. 이러한 연료는 자연에서는 본질적으로 제한적으로 존재하며, 고가의 추출과 처리 비용이 요구됩니다. 우라늄은 상대적으로 널리 분포되어 있지만, 원자로에서 사용할 수 있는 농축된 우라늄을 만들기 위해서는 복잡한 과정이 필요합니다. 핵분열 원자로에서 주로 사용되는 우라늄-235는 천연 우라늄 중 약 0.7%만 해당합니다. 따라서 대부분의 원자로는 3~5%로 농축된 저농축 우라늄을 사용하고 있습니다. 일부 원자로에서는 플루토늄을 사용하기도 합니다. 대조적으로 핵융합은 주로 수소 동위원소인 중수소와 삼중수소를 사용합니다. 중수소는 물에서 쉽게 추출할 수 으며, 삼중수소는 리튬과의 반응을 통해 생성할 수 있습니다. 이를 통해 연료의 가용성 측면에서는 핵분열이 핵융합보다 유리합니다. 중수소는 바닷물에 풍부하게 존재하며, 약 33mg을 1리터의 물에서 추출할 수 있습니다. 이는 석유 3배에 해당하는 에너지양입니다. 삼중수소는 자연에 거의 존재하지 않습니다만 리튬과의 반응을 이용하여 생산할 수 있고 리튬은 지각과 바닷물에 풍부하게 존재하기 때문에 장기적인 핵융합 연료 공급에 문제가 없습니다.

 

핵분열과 핵융합의 안전성과 환경 영향

핵분열은 방사성 폐기물의 관리와 사고의 위험성 문제가 있습니다. 사용 후 핵연료는 수천 년 동안 방사능을 노출하기 때문에 안전하게 저장하고 관리하는 것이 중요한 과제입니다. 또한 체르노빌(러시아)이나 후쿠시마(일본)와 같은 원전 사고의 위험성도 항상 존재합니다. 핵분열 원자로의 안전성을 향상하기 위해 이중, 삼중의 안전장치와 격납 용기 등 다방면의 기술이 적용되고 있습니다만 완전한 안전을 보장하기 어려운 점이 단점입니다. 추가로 핵무기로의 확산도 문제점입니다. 한편, 핵융합은 비교적 안전하고 방사성 폐기물의 발생도 적습니다. 융합 반응에서 나오는 헬륨은 환경에 해를 끼치지 않는 불활성 기체입니다. 또한 핵융합 반응은 본질적으로 매우 불안정하여 외부 조건이 충족되지 못하면 즉시 중단되기 때문에 핵분열과 같은 대규모 사고 위험이 거의 없습니다. 핵융합 기술은 핵무기 제조 직접적인 연관이 없어 핵이 확산하는 문제의 위험도도 낮습니다. 그러나 아직 핵융합 기술 개발이 완전하지 않기 때문에 추후 대규모 시설로 확장될 경우 발생할 수 있는 문제에 대해 예측하기 어려운 부분도 있습니다.

 

핵분열과 핵융합의 현재 기술 수준과 미래 전망

핵분열은 이미 상용화되어 있으며 2021년 기준 전 세계 전력 생산의 약 10%가 핵분열 발전을 통해 나오고 있습니다. 핵분열 기술의 미래는 국가마다 다릅니다. 핵분열 발소의 단계적 폐지 정책을 추구하는 사람도 있고, 여전히 중요한 에너지원이라고 생각하는 사람도 있습니다. 핵융합은 아직 연구 단계에 있으며 상용화를 위한 기술적 과제가 남아 있습니다. 국제열핵심험로(ITER)와 같은 대규모 프로젝트가 프랑스에서 진행 중입니다. 이 프로젝트는 핵융합 반응 지속시간을 늘리고 순에너지 이득을 당성하는 것이 목표입니다. 많은 연구자들은 사용 핵융합 발전소가 2050년경에는 가동될 것으로 예상합니다. 결론적으로 핵분열과 핵융합은 모두 미래 에너지의 필수적인 기둥이 될 준비가 되어 있습니다. 각각의 독자적인 기술의 장단점을 고려하여 효과적으로 활용하는 것이 중요합니다.