핵융합:설명 - 정의, 과정 및 잠재력

핵융합 두 개 이상의 원자핵이 결합하여 하나 이상의 무거운 핵을 형성하는 핵반응의 일종입니다. 핵융합 과정은 주기율표의 많은 요소를 형성하며, 무한한 에너지 생산 기회를 제공합니다.

• 융합은 두 개 이상의 핵을 결합하여 하나 이상의 더 무거운 핵을 형성합니다.
• 중수소나 삼중수소와 같은 가벼운 핵이 핵융합을 겪을 때, 반응은 에너지를 방출합니다. 그러나 무거운 핵을 결합하려면 실제로 방출되는 것보다 더 많은 에너지가 필요합니다.
• 핵융합은 별에서 자연적으로 발생합니다. 수소폭탄은 인공핵융합의 대표적인 예이다. 제어된 인공 핵융합은 유용한 에너지원으로 유망합니다.

핵융합 vs 핵분열(예)

핵융합과 핵분열은 모두 핵반응이지만 서로 반대되는 과정입니다. 핵융합은 핵을 결합하는 반면, 핵분열은 핵을 분열시킵니다. 예:

• 핵융합 :수소 동위원소인 중수소(H2)와 삼중수소(H3)가 결합하여 헬륨(H4)을 형성합니다. 반응은 중성자와 에너지를 방출합니다. 각 중수소와 삼중수소 핵은 하나의 양성자를 포함합니다. 중수소에는 중성자가 1개 있고, 삼중수소에는 중성자가 2개 있습니다. 헬륨 핵에는 2개의 양성자와 2개의 중성자가 있습니다.
• 핵분열 :고에너지 중성자가 우라늄-235(U235) 핵(92개의 양성자와 143개의 중성자)과 상호작용할 때 우라늄 원자가 분리됩니다. 가능한 결과 중 하나는 kypton-91 핵(양성자 36개와 중성자 55개), 바륨-142 핵(양성자 56개와 중성자 86개), 중성자 3개 및 에너지입니다.

핵융합과 핵분열 모두 반응 양쪽의 양성자와 중성자의 수가 동일합니다. 이러한 반응에서 방출되는 에너지는 원자핵에서 양성자와 중성자를 함께 묶는 핵 결합 에너지에서 비롯됩니다. 원자핵은 그 자체의 양성자와 중성자의 합보다 더 많은 질량을 가지고 있습니다. 이는 결합 에너지가 겉보기 질량을 갖기 때문입니다. 질량과 에너지 보존이 있지만, 아인슈타인의 유명한 방정식 E=mc2에서 에너지와 질량이 서로 변환될 수 있다는 것을 기억하세요. 따라서 핵융합은 가벼운 원자핵이 결합할 때 에너지를 방출합니다. 반면, 핵분열은 무거운 원자핵이 쪼개질 때 에너지를 방출합니다. 핵융합에는 무거운 핵이 결합할 때 방출되는 것보다 더 많은 에너지가 필요한 반면, 핵분열에는 가벼운 핵이 쪼개질 때 방출되는 것보다 더 많은 에너지가 필요합니다.

핵융합의 원리

핵융합은 두 개의 핵이 핵에 있는 양성자의 양전하 사이의 반발력을 극복할 수 있을 만큼 충분히 가깝게 모일 때만 발생합니다. 핵 사이의 거리가 충분히 작으면 강한 핵력으로 인해 핵자(양성자와 중성자)가 서로 달라붙어 새롭고 더 큰 핵이 형성됩니다. 이는 강한 힘이 (이름에서 짐작할 수 있듯이) 정전기적 반발력보다 더 강하기 때문에 작동합니다. 하지만 매우 짧은 거리에서만 작동합니다.

별의 자연 융합

별은 질량이 너무 커서 중력으로 인해 핵이 서로 가까워지기 때문에 핵융합이 발생합니다. 별은 핵합성을 통해 다른 원소를 형성하기도 하지만 대부분 이러한 핵은 수소와 헬륨입니다. 별 내부의 극심한 압력과 온도가 원자를 플라즈마로 이온화하기 때문에 전자가 작동하지 않습니다.

인공융합

지구상에서 핵융합은 달성하기가 상당히 어렵거나 적어도 통제하기가 어렵습니다. 엄청난 질량과 중력 대신에 과학자들은 별에서와는 다르게 극한의 온도와 압력을 적용합니다. 인류 최초의 성공적인 핵융합 장치는 1951년 온실가스 원자 실험에서 나온 부스트 핵분열 장치였습니다. 여기서 핵분열은 융합을 위한 압축과 열을 제공했습니다. 최초의 진정한 핵융합 장치는 1952년 Ivy Mike 테스트였습니다. 아이비 마이크의 연료는 극저온 액체 중수소였습니다. 히로시마와 나가사키에 떨어진 원자폭탄은 원자폭탄이다. 훨씬 더 강력한 열핵무기는 핵분열과 핵융합을 결합합니다.

인공 융합의 과제:연료 및 감금

에너지 융합을 활용하는 것은 까다로우며 적절한 연료와 억제 수단이 필요합니다.

연료

연료로 사용하기에 적합한 단면적을 갖는 반응은 상대적으로 적습니다.

• H2 + H3 → He4 + n0
• H2 + H2 → H3 + p+
• H2 + H2 → He3 + n0
• H2 + He3 → He4 + p+
• He3 + He3 → He4 + 2p+
• He3 + H3 → He4 + H2
• H2 + Li6 → 2 He4 또는 He3 +He4 + n0 또는 Li7 + p+ 또는 Be7 + n0
• Li6 + p+ → He4 + He3
• Li6 + He3 → 2 He4 + p+
• B11 + p+ → 3 He4

모든 경우에 반응에는 두 가지 반응물이 포함됩니다. 핵융합은 3개의 반응물로 발생하지만, 별 내에서 발견되는 밀도 없이 핵을 하나로 모을 확률은 충분히 높지 않습니다. 반응물 핵은 작습니다. 핵을 서로 강제로 결합시키는 용이성은 관련된 양성자의 수(원자의 원자 번호)에 정비례하기 때문입니다.

감금

감금 반응물을 하나로 모으는 방법이다. 플라즈마는 너무 뜨거워서 용기 벽에 닿을 수 없고 진공 상태에 있어야 합니다. 높은 온도와 높은 압력으로 인해 격리가 어려워집니다. 감금에는 네 가지 주요 방법이 있습니다:

• 중력 감금 :별이 융합을 수행하는 방식입니다. 현재로서는 핵을 강제로 결합하는 이 방법을 복제할 수 없습니다.
• 자기 감금 :하전입자가 자기장선을 따르기 때문에 자기감금은 핵을 가두게 됩니다. 토카막은 링이나 토러스 내에 플라즈마를 가두기 위해 자석을 사용합니다.
• 관성 제한 :관성밀폐는 에너지를 핵융합 연료로 펄스화하여 순간적으로 가열하고 가압합니다. 수소폭탄은 핵융합을 시작하는 관성 감금을 위해 핵분열에 의해 방출되는 X선을 사용합니다. 엑스레이의 대안으로는 폭발, 레이저 또는 이온빔이 있습니다.
• 정전기 감금 :정전기 감금은 정전기장 내에서 이온을 가두어 줍니다. 예를 들어, 퓨저는 와이어 양극 케이지 내에 음극을 포함합니다. 음전하를 띤 케이지는 양이온을 끌어당깁니다. 케이지를 놓치면 서로 충돌하여 융합될 수 있습니다.

참고자료

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