핵융합

원자는 양성자, 중성자로 이루어진 원자핵과 그 주위에 구속된 전자로 이루어진다. 원자에 종속된 전자는 외부의 에너지를 받으면 가장자리에서부터 차례로 떨어져 나가는데, 이렇게 떨어져 나간 전자를 자유전자라고 한다. 원자에 가해지는 에너지의 양이 충분히 막대하여, 원자에 종속된 모든 전자가 떨어져 나갈 수 있을 정도가 된다면, 원자는 전자를 방출하고 양전하를 띠는 원자핵이 홀로 존재하게 된다. 이렇게 원자핵과 전자가 분리된 상태를 플라즈마라 한다.
에너지가 낮다면 이 원자핵들 사이에 전자기력에 의한 척력이 작용해 서로 결합할 수가 없다. 하지만 초고온으로 가열되어 원자핵들의 에너지가 매우 높아지면 원자핵들 사이의 거리가 좁혀지게 되고, 이렇게 원자가 충분히 가까워지면 그 이후부터는 강한 핵력이 작용해 원자핵이 서로 결합하게 된다.[1] 이런 결합 반응을 핵융합이라 한다. 이때 일부 원자핵은 핵자당 결합에너지가 커져 핵자당 질량이 작아지고, 충돌하기 전 두 원자핵을 합친 질량보다 생성된 원자핵의 질량이 더 작은데, 그 질량의 차만큼 질량-에너지 동등성에 따라 에너지가 발생한다. 보통 이 에너지는 핵융합 반응의 부산물이 가진다.[2]
항성은 플라즈마가 구 모양으로 뭉친 덩어리라고 할 수 있다. 중력은 전자기력이나 핵력에 비해 매우 약한, 가장 약한 힘이지만 막대한 질량으로 이를 이겨낸다. 때문에 엄청난 무게에 짓눌린 태양의 핵은 매우 높은 압력을 받게 되어 밀도가 높아지고 그에 따라 온도도 높아져 핵융합이 일어날 수 있다. 태양 핵의 온도는 지구에서 핵융합이 일어나는 데 필요한 수억 도에 비해 훨씬 낮은 온도인 1500만K 정도이다. '''2600억''' 기압이라는 높은 압력 덕분에 온도가 높지 않더라도 원자핵들끼리의 충돌이 잦고 양자터널링도 잦아 안정적으로 핵융합이 일어날 수 있다. 이를 중력 가둠 핵융합이라고 하며 항성의 종류와 나이에 따라 양성자-양성자 체인 반응, CNO 사이클, 삼중 알파 과정 등의 다양한 핵융합 반응이 일어난다. 대부분 항성의 핵융합은 가장 가벼운 연료인 양성자(수소)부터 시작해 Fe-56이 만들어질 때까지 일어나게 된다. 이후부턴 핵자당 질량이 늘어나 에너지를 흡수해야 핵융합되어 일어나기 때문에 매우 어렵다. 하지만 질량이 극단적으로 크다면, S-과정이 일어나 Bi-209 원자핵까지 만들어낼 수 있다.
가벼운 원자핵이 합쳐져 더 안정한 무거운 원자핵이 될 때 핵자당 결합에너지가 증가하는데, 결합에너지는 질량의 일부로 사용되어 핵자당 질량이 감소하게 된다. 똑같이 무거운 원자핵이 핵분열하여 더 안정한 가벼운 원자핵이 될 때, 핵자당 질량이 감소한다. 이렇게 핵반응에서 질량결손이 생겨 에너지가 방출되는 것이다. 가벼운 원자핵이 핵융합할 때 에너지를 방출하고 핵분열하려면 에너지를 흡수해야 하며, 무거운 원자핵이 핵융합하려면 에너지를 흡수해야 하고 핵분열하면 에너지를 방출하는 이유이기도 하다.
핵자당 결합에너지가 가장 높아 가장 안정적인 원자핵인 Fe-56은 핵자당 질량이 가장 작다. 때문에 Fe-56이 핵융합하거나 핵분열하려면 에너지를 흡수해야 하고 핵융합하면 에너지를 방출하며, Fe-56으로 핵융합하거나 핵분열하면 에너지를 방출하는데, 상대적으로 주변 원소들에 비해 존재비가 높은 이유이기도 하다.
핵자당 결합에너지 그래프 참조
우주 탄생 초기 우주의 온도는 아주 높았다. 수소 원자가 생성된 후 평균 온도가 핵융합할 수 없을 정도로 되었을 때까지 핵융합을 계속해 왔다. 때문에 우주 원소들의 성분비도 여기에 맞춰서 수소가 가장 많고 그 다음은 헬륨, 탄소, 산소 순이 되었다. 이유는 항성의 핵융합 반응 문단을 보면 알 수 있을 것이다. [3]

2.1. 예시

존재하는 원소들의 대부분은 핵융합 과정으로 형성된다. 주계열성은 수소 핵융합 반응을 통해 에너지를 만든다. 별이 늙어가며 내부의 수소를 거의 다 쓰고 내부 온도가 1억 K에 도달하게 되면, 헬륨 핵융합 반응을 일으키며 베릴륨-8을 거쳐 탄소를 만들어낸다. 이후에는 탄소, 네온, 마그네슘, 산소 반응을 거치며 별의 중심 온도가 27억~35억 켈빈에 도달하게 되고, 최후의 핵융합 반응인 규소 핵융합 반응을 시작한다. 이 과정에서 황, 아르곤, 칼슘, 타이타늄, 크로뮴, 철, 니켈 원자핵이 만들어진다. 이렇게 생성된 니켈-56은 방사성 붕괴를 일으켜 철-56으로 변한다. 철-56 이후로는 핵융합 반응을 하면 에너지를 소모하게 되어(흡열 반응), 별의 중력이 외부를 끌어당겨 수축하는데 이때 엄청난 열이 발생하여 중심핵의 외피 부근에 폭발적 핵반응이 일어나면서 별 전체가 폭발한다. 이것이 초신성이다.
태양과 비슷하거나 그보다 작은 항성에서 이루어지는 수소와 수소의 핵융합을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

수소 원자가 두 개 있다. 수소 원자는 양성자 하나와 전자 하나로 구성되었으니, 양성자 두 개와 전자 두 개라는 재료가 주어진 셈이다.
수소 원자를 이온화시켜 전자와 원자핵을 분리한다.
주어진 재료를 있는 힘껏 충돌시킨다(여기에 필요한 에너지는 항성을 구성하는 물질을 압축하고 가열하는 중력이나 양자터널링에서 얻는다).
전자기력에 의해 척력만 받는(중력, 약력은 일단 논외) 전자와는 달리, 양성자들은 강한 힘으로 억지로 붙이면 강력으로 서로 끌어당긴다. 하지만 양성자 두 개는 불안정하다. 고로 안정화되어야 한다.
이들이 서로 충돌할 때, 일정량의 에너지를 가진다(두 양성자가 충돌 전에 가지고 있던 운동에너지). 그 중 일부를 양성자 하나가 흡수한다. 이제 고에너지상태로 불안정해진 양성자는 약력으로 인한 베타붕괴로 인해서 양전자와 중성미자를 뱉어내면서[4]
정확한 과정은 에너지를 빌려 W＋보손 생성 →양전자 & 전자 중성미자로 붕괴 과정을 거친다.
더 무거운 중성자가 된다.[5]
원래 가벼웠던 입자(양성자) 무거운 입자(중성자)로 변하는 것이 부자연스럽다고(열역학 1법칙=질량-에너지 보존법칙)생각할 수도 있으나, (양성자) + (양성자가 가지고 있던 운동에너지) = (중성자) + (고에너지 전자 중성미자) + (양전자)이므로, 열역학 1법칙에 위배되지 않는다. (아인슈타인의 질량-에너지 등가 법칙 E=mc²을 생각하면, 양성자가 가지고 있던 운동에너지의 일부가 질량으로 전환되었다고 생각할수도 있다. 여담이지만 실제로, LHC에서 무거운 입자들(톱 쿼크,힉스입자 등)을 생성할 때 빛의 속도에 거의 근접한 양성자 2개가 서로 충돌하면서, 그 양성자들의 운동에너지가 양성자 내부의 가상 입자(불확정성 원리에 의해서 생성될수 있으나, 직접 관측하는것은 불가능한 입자)들에 작용해서 질량으로 바뀌면서 가상 입자가 실제 입자(관측가능한 입자)로 변환되는 것을 이용해서 생성하는 것이다.)
중성미자는 그대로 멀리 날아간다. 이 중성미자가 얼마만큼의 에너지를 낸다.
+전하를 띤 양전자는 주어진 두 개의 전자 중 하나와 합쳐진다. 그런데 양전자는 반물질이다. 고로 전자와 양전자가 충돌하여 쌍소멸하면서 전자 두 개 분량의 에너지를 감마선 [6]
광자로 이해해도 무방하다. 둘은 기호가 같기도 하고.
의 형태로 방출한다.
결국 양성자 하나와 중성자 하나와 전자 하나가 나온다. 그리고 어느 정도 에너지를 갖고 튀어 나간 전자 중성미자와 전자와 양전자가 충돌하면서 에너지를 방출한다.

$$ {}_{1}^{1}\mathrm{H} + {}_{1}^{1}\mathrm{H} = {}_{1}^{2}\mathrm{H}$$[7] $$+ e^{+} + ν_{e} $$
$$ \mathrm{D} + {}_{1}^{1}\mathrm{H} = {}_{2}^{3}\mathrm{He} + \gamma + {\sf energy} $$
$$ {}_{2}^{3}\mathrm{He} + {}_{2}^{3}\mathrm{He} = {}_{2}^{4}\mathrm{He} + {}_{1}^{1}\mathrm{H} + {}_{1}^{1}\mathrm{H} + {\sf energy} $$
$$ e^{-} + e^{+} = 2\gamma + {\sf energy} $$
원자핵이 가진 위치에너지가 열에너지로 전환되는 과정이다. 이때 계의 질량-에너지는 보존되며 엔트로피는 증가한다.
반대로 철보다 무거운 원자핵들은 척력을 이길뿐만이 아니라 융합 과정에서 소모하는 에너지까지 공급해줘야 한다. 그러므로 더더욱 많은 에너지를 투입해야만 하기 때문에 무거운 방사성 동위원소를 만들 때는 입자가속기나 초신성과 비슷한 환경하에 막대한 에너지를 가해줘야 한다.[8] 무거운 원자핵들은 융합할 때보다 분열할 때 에너지를 더 많이 방출하며 우라늄이 분열하면서 방출하는 에너지가 그 예시다. 이게 핵분열이다. 우주에서도 일반적인 항성에서는 철보다 무거운 입자는 융합하지 못한다. 융합되면 일반적이지 않은 항성의 S-과정이나 초신성이라고 파악되는 편.

3. 항성의 핵융합 반응

항성에서 일어나는 실제 순서에 따른 것이며, 다음 과정으로 넘어갈수록 반응이 짧게 일어난다. (양성자-양성자 연쇄반응은 항성 질량에 따라 수억~수조 년, 규소 연소 과정은 수십분 정도)

3.1. 양성자-양성자 연쇄 반응

원시별과 주계열성의 중심핵, 적색거성의 중심부 바깥에서 일어나며, 양성자 6개가 참여해 He-4 원자핵이 만들어진다.

양성자가 베타붕괴로 중성자로 바뀌고 양전자가 방출된다.
중성자와 양성자가 융합되어 중수소 원자핵이 만들어진다.
중수소 원자핵이 양성자와 융합되어 He-3 원자핵이 만들어진다.
1~3의 과정이 반복되어 He-3 원자핵 2개가 만들어진다.
헬륨-3 원자핵 2개가 핵융합되어 He-4 원자핵을 만들어내고 양성자 2개는 부산물로 남는다.

3.2. 삼중알파과정

적색거성의 중심부에서 일어나며, He-4 원자핵 3개가 융합되어 탄소-12 원자핵이 만들어진다.

He-4 원자핵 2개가 핵융합되어 Be-8 원자핵이 만들어진다.
Be-8 원자핵은 매우 불안정해 다시 He-4 원자핵 둘로 붕괴된다. (이 과정으로 인해 병목현상이 유발된다.)
Be-8 원자핵이 붕괴되기 전 He-4 원자핵과 곧바로 핵융합되어 C-12 원자핵이 만들어진다. (이때 만들어지는 C-12가 지구의 탄소의 대부분을 차지한다.)

3.3. CNO 순환

초기질량이 태양보다 약 1.3배 이상인 항성에서 일어나며, 탄소와 질소, 산소 원자핵이 양성자와 융합되고 베타 플러스 붕괴하고를 반복한다.

C-12 원자핵이 양성자와 융합되어 N-13 원자핵이 만들어진다.
N-13 원자핵은 불안정해 양전자와 전자 중성미자를 방출하고 C-13 원자핵이 된다.
C-13 원자핵이 양성자와 융합되어 N-14 원자핵이 만들어지고 에너지를 방출한다. (이때 만들어지는 N-14가 지구 대기의 대부분을 차지한다.)
N-14 원자핵이 양성자와 융합되어 O-15 원자핵이 만들어지고 에너지를 방출한다.
O-15 원자핵은 불안정해 양전자와 전자 중성미자를 방출하고 N-15 원자핵이 된다.
N-15 원자핵이 양성자와 융합되어 C-12 원자핵이 만들어지고 부산물로 헬륨-4 원자핵이 남는다.

3.4. 탄소 연소 과정

초기질량이 태양보다 약 8배 이상인 항성에서 일어나며, C-12 원자핵 2개가 핵융합되어 높은 확률로 Ne-20와 He-4 원자핵이 만들어지거나, 낮은 확률로 Mg-24 원자핵이 만들어지거나, 다른 원자핵이 만들어진다.

3.5. 산소 연소 과정

초기질량이 태양보다 약 12배 이상이 항성에서 네온 연소 과정보다 빨리 일어나며, O-16 원자핵 2개가 핵융합되어 높은 확률로 양성자와 융합되어 P-31 원자핵이 만들어지거나, 낮은 확률로 Si-30 원자핵과 부산물로 양성자 2개가 만들어지거나, 다른 원자핵이 만들어진다.

3.6. 네온 연소 과정

초기질량이 태양보다 약 12배 이상인 항성에서 산소 연소 과정과 함께 일어나며, Ne-20 원자핵이 높은 확률로 He-4 원자핵과 핵융합거나, 낮은 확률로 중성자와 융합되어 Ne-21 원자핵이 만들어지고 He-4 원자핵과 융합되어 중성자와 Mg-24 원자핵이 만들어진다.

3.7. 규소 연소 과정

초기질량이 태양보다 약 12배 이상이 항성에서 일어나며, Si-28 원자핵에 계속해서 He-4 원자핵이 융합된다.

Si-28 원자핵에 He-4 원자핵이 융합되어 S-32 원자핵이 만들어진다.
S-32 원자핵에 He-4 원자핵이 융합되어 Ar-36 원자핵이 만들어진다.
Ar-36 원자핵에 He-4 원자핵이 융합되어 Ca-40 원자핵이 만들어진다.
Ca-40 원자핵에 He-4 원자핵이 융합되어 Ti-44 원자핵이 만들어진다.
Ti-44 원자핵에 He-4 원자핵이 융합되어 Cr-48 원자핵이 만들어진다.
Cr-48 원자핵에 He-4 원자핵이 융합되어 Fe-52 원자핵이 만들어진다.
Fe-52 원자핵에 He-4 원자핵이 융합되어 Ni-56 원자핵이 만들어진다. Ni-56 원자핵은 조금 불안정해 Fe-56으로 붕괴한다.

3.8. 중성자 포획

초신성 폭발에서 고속으로(Rapid) 일어나는 R-과정과, 적색거성에서 느리게(Slow) 일어나는 S-과정이 있다.
S-과정은 Fe-56 원자핵에서 시작해 중성자와 융합하고, 전자와 전자 반중성미자를 방출하고를 반복하며 Bi-209 원자핵이 될 때까지 계속해서 무거워진다. 다음으로 만들어지는 Po-210은 상대적으로 짧은 반감기를 가지고 납으로 붕괴하므로 S-과정을 종료시킨다.
초신성 폭발하면 중성자의 에너지가 극도로 높아지고 R-과정이 일어나 U-238 등의 무거운 원자핵들이 만들어진다.

3.9. 양성자 포획

P-과정과 rP-과정이 있으며, 양성자와 융합되어 일부 희귀 동위원소가 만들어지는 과정이다.

4. 핵융합 발전

인공적으로 핵융합을 일으키고 이로부터 에너지를 얻어 발전할 수 있으며, 여러 방식이 있다. 높은 출력과 안정성, 활용성, 경제성을 가진다. 미래의 에너지원으로 각광받고 있으며, 항성을 옮기는 데에도 이용할 수 있다. 핵분열발전과는 원리부터 전혀 다르니 혼용하지 않도록 하자.

5. 수소폭탄

인공적으로 핵융합을 일으키고 이로부터 에너지를 얻어 군사적으로 사용 수 있으며, 여러 방식이 있다. 기존 핵분열 방식의 핵폭탄보다 높은 출력과 위력, 높은 방사선, 낮은 방사능 물질 방출 등 장점이 많아 핵분열 무기들을 대체했다.

6. 기타

해외에서는 주로 nuclear fusion이 아닌 fusion으로, nuclear fusion energy가 아닌 fusion power라 한다.

7. 관련 문서

[1] 에너지가 충분히 높지 못하더라도 낮은 확률로 양자 터널링으로 핵융합되기도 한다. 항성에서도 이 때문에 이를 몰랐을 때 예상했던 것보다 핵융합이 더 쉽게, 많이 일어난다.[2] 중성미자와 광자가 융합 과정에서 직·간접적으로 발생하기도 한다. 우주에서 볼 수 있는 초대규모의 핵융합 반응이 바로 초신성이다. 초신성의 에너지 대부분이 중성미자 형태로 날아간다.[3] 탄소보다 가벼운 원자핵인 리튬과 베릴륨, 붕소는 주변 원소들에 비해 존재량이 매우 적은데, 이는 원자량과 원자번호가 핵융합으로 만들어지기 힘든 조합이기 때문이다. 만들어지기 쉬운 조합의 원자핵은 모두 불안정하다.[4] 정확한 과정은 에너지를 빌려 W＋보손 생성 →양전자 & 전자 중성미자로 붕괴 과정을 거친다.[5] 원래 가벼웠던 입자(양성자) 무거운 입자(중성자)로 변하는 것이 부자연스럽다고(열역학 1법칙=질량-에너지 보존법칙)생각할 수도 있으나, (양성자) + (양성자가 가지고 있던 운동에너지) = (중성자) + (고에너지 전자 중성미자) + (양전자)이므로, 열역학 1법칙에 위배되지 않는다. (아인슈타인의 질량-에너지 등가 법칙 E=mc²을 생각하면, 양성자가 가지고 있던 운동에너지의 일부가 질량으로 전환되었다고 생각할수도 있다. 여담이지만 실제로, LHC에서 무거운 입자들(톱 쿼크,힉스입자 등)을 생성할 때 빛의 속도에 거의 근접한 양성자 2개가 서로 충돌하면서, 그 양성자들의 운동에너지가 양성자 내부의 가상 입자(불확정성 원리에 의해서 생성될수 있으나, 직접 관측하는것은 불가능한 입자)들에 작용해서 질량으로 바뀌면서 가상 입자가 실제 입자(관측가능한 입자)로 변환되는 것을 이용해서 생성하는 것이다.)[6] 광자로 이해해도 무방하다. 둘은 기호가 같기도 하고.[7] 이를 Deuterium의 앞글자를 따서 D라고 표기하기도 한다.[8] 참고로 입자가속기로는 핵융합 발전소를 만들 수 없다. 이런 식으로 융합시키면 반응 단면적이 너무 작고, 융합하는 입자 수 자체도 매우 적어 투입되는 에너지에 비해 핵융합은 거의 안일어나니 발전 효율이 마이너스이기 때문이다. 입자가속기(여기선 선형)의 핵융합은 중원소 실험이나 방사성 핵종의 생산에 쓰인다. 다만 입자가속기 자체만으로 핵융합 발전소를 만들 수 없을 뿐 핵융합 중수소 원자핵을 플라즈마로 쏘는 방식으로 플라즈마의 가열에 사용된다(이를 Neutral Beam Injector(줄여서 NBI), 즉 '중성입자빔 입사장치'이라 한다). 일부 학자들은 핵융합로를 입자가속기의 일종으로 보기도 한다.

분류

물리학