핵폭탄과 수소폭탄의 물리학 2.핵융합 에너지

지난 포스트에서는 핵분열의 에너지를 설명드렸습니다.

2018/02/04 - [자연과학] - 핵폭탄과 수소폭탄의 물리학 1.핵분열의 에너지

 

이번 포스트는 비슷하지만 반대되는 개념인 핵 융합 에너지에 대해서 알아보겠습니다.

 

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지난 포트스에서 핵분열의 원인과 그 에너지 전환에 대하여 알아봤습니다.

 

이번엔 핵 융합에 대해서 알아보겠습니다.

 

핵 분열은 기본적으로 이해가 금방 됩니다. 원자핵의 구조를 알면 바로 개념적으로 알수 있는 내용이죠.

그럼 핵융합은 도대체 뭐고 어떤 힘에 의해서 작용하는 것인지 한번 알아보겠습니다.

 

핵 융합은 기본적으로 서로다른 원자의 핵자들이 결합하는 과정에서 발생하는 에너지를 활용하고자 하는 목적이 있습니다.

 

흔히 수소폭탄이라고 하는 이야기를 들어보셨을껍니다. 이 수소폭탄이 바로 핵융합을 이용한 폭탄인데요. 수소폭탄과 핵폭탄은 위력이 세다는 공통점만 있을 뿐 그 구동 원리는 아주 상이합니다.

 

우선 지난시간에 나왔던 그래프를 하나 소환하겠습니다.

핵자의 평균질량 그래프입니다. 핵자는 원자핵을 이루는 양성자와 중성자를 의미하고 이 그래프에서 나오는 핵자의 질량이라는 것은 핵자 전체의 질량이 아니라 핵자들의 무게를 원자량으로 나눈값, 결국 양성자 또는 중성자 하나의 무게를 나타낸 것입니다.

보시다시피 수소의 질량이 제일 무겁고 점점 가벼워 지다가 철에 이르러서 가장 가벼운 상태가되고 그 이후 또다시 점점 무거워지는 그래프를 그립니다.

 

저 그래프에서 우라늄 을 사용해서 핵분열을 일으키면 질량이 줄어들면서 엄청난 에너지가 나오는것이 바로 핵폭탄이라고 말씀드렸죠.

 

그런데 한번 봅시다. 철에서 우라늄까지는 곡선이 미세하게 올라갑니다. 질량의 차이가 크지 않다는 이야기지요. 그런데 반대쪽의 소소에서 철까지는 매우 급격한 질량 변화가 일어납니다. 우라늄에서 철까지의 질량변화에 비해 수소에서 철까지의 질량변화가 5배 정도 크다는것이죠. 그렇다면 수소를 사용해서 핵 융합을 하면 더 적은 양으로도 더 큰 에너지를 얻을 수 있다는 결론이 나옵니다. 이것이 바로 핵 융합 에너지의 근원입니다.

 

이런 에너지를 우리는 항상 이용하고 있습니다. 무슨 뜬금없는 이야기라고 생각하실지는 모르겠지만 확실히 사용하고 있습니다. 바로 태양의 에너지가 만들어지는 원인이 정확하게 핵융합 에너지 입니다.

 

우리의 태양은 현재 수소를 헬륨으로 융합하며 에너지를 얻습니다.

이처럼 융합시 생겨나는 질량결손으로 인해 큰 에너지를 지속적으로 생성하고 있죠.

 

그러면 궁금증이 생깁니다. 수소가 다 융합하고 나면 어떻게 될것인가??? 예상 하셨겠지만 헬륨이 융합을 시작합니다. 그래서 탄소가 생기죠.

 

아직 태양은  수소의 핵융합이 이루어지고 있는 단계라고 합니다. 하지만 언젠가는 탄소가 생성되면서 적색거성으로 커져서 생을 마감할 것입니다. 하지만 우리가 걱정할 문제는 아니라고 합니다. 그 시간까지 50억년이 남았다고 하니까요~^^

 

여담으로 태양보타 큰 별의 경우에는 탄소조차도 합성이 시작됩니다. 그리하여 최종적으로 철까지 만들어집니다. 왜 철까지인지는 아시겠죠??? 당연히 저 위의 그래프에서 보듯 철이 융합을 하려면 에너지를 엄청나게 "흡수"해야하기 때문입니다. 자연계에선 그런일이 절대 없죠~

 

참고로 이렇게 큰 별은 초신성 폭발로 생을 마감하게 되고, 이때 철보다 무거운 원소들이 어마어마한 에너지 속에서 생성이 됩니다. 현재에는 중성자별의 충돌로도 무거운 원소가 생겨나고 있다고 하는게 정말 얼마전에 밝혀졌다고 하는데요. 여튼 그런 큰 별의 내부는 아래와 같습니다.

그리고 이런 별의 죽음은 초신성 폭발과 더불어 블랙홀이라는 미지의 천체를 만들어 냅니다. 이건 나중에 따로 포스트 할께요~

 

여튼 핵융합의 에너지는 별에서 만들어지는 에너지의 근원입니다. 지구 생명체의 근원 에너지이기도 하죠.

 

수소폭탄은 이런 핵융합 에너지를 이용하는것인데요. 문제가 있습니다. 핵분열같은 경우엔 전자기력과 강한핵력의 균형을 깨주는것이 간단하게 중성자를 쏴주는것만으로도 가능한데, 핵융합을 하려면 어떻게 수소원자 두개를 붙여놓느냐는 문제가 발생합니다.

 

태양이 이러한 일을 가능하게 해주는게 바로 중력입니다. 중력은 정말로 미세한 힘이기는 하지만 가장 큰 특징이 바로 척력이 없이 인력만 있다는 것입니다. 밀어내는 힘이 없으니 질량만 늘어나면 그 당기는 힘이 이론상으로 무한대까지 커질수 있는 겁니다. 그런 큰 중력이 태양 내부에서 어마어마한 압력과 고온을 만들기때문에 그 에너지로 수소 원자핵이 전자기력을 이기고 강력이 발생하는 가까운 지점까지 접근 시킬 수 있는 것이죠.

 

그런데 지구상에서는 그런 상황을 만들수가 없다는게 문제에요. 그러면 어떻게 이 문제를 해결할까요?

이것을 바로 위의 핵폰탄의 에너지로 만들어 줍니다. 글로는 설명이 잘 안되구요 아래 그림을 보죠

이런식입니다. 먼저 핵분열폭탄이 폭발하면서 엄청난 고온과 고압상태를 만듭니다. 그 에너지를 기반으로 수소가 핵융합을 하도록 만드는 거죠. 아니 핵폭탄이면 그만이지 왜 두가지를 다 넣트냐고 하실지 모르겠지만 일단 위 그래프에서 보듯이 핵융합의 에너지가 훨신 더 큰 질량결손으로 작은 에너지로 큰 힘을 얻을 수 있기 때문입니다.

 

이렇게 간단하게 핵분열과 핵융합에 대해서 알아봤습니다.

 

아인슈타인의 특수상대성 이론에 경의를 표합니다.~^^

 

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오류수정과 조언, 첨언 환영합니다.

 

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