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202106.04

인공태양은 왜 태양보다 더 뜨거워야 할까?

KFE   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/nuclear-fusion/1292


세상에서 가장 뜨거운 것을 떠올려보며 많은 분들은 태양을 떠올릴 것입니다. 하지만 태양보다 더 뜨거운 것이 이 지구상에 존재한다면 믿어지시나요? 태양보다 더 뜨거운 물체의 정체는 바로 ‘인공태양’입니다. 태양을 모방하여 만든 인공태양 장치가 태양보다 더 뜨겁다니, 어떻게 된 걸까요?



1,500만도 태양 vs 1억도 인공태양


여러분은 태양의 온도가 몇 도인지 알고 계신가요? 태양에서 가장 뜨거운 곳은 태양의 중심부입니다. 이곳의 온도는 약 1,500만도 정도로 추정되며 바깥으로 갈수록 온도는 점점 낮아져 표면의 온도는 약 6,000도 정도라고 하는데요. 태양은 원자핵과 전자가 서로 분리되어 있는 플라즈마 상태에서 1초마다 약 4백만 톤의 물질이 에너지로 변환되는 핵융합 반응이 일어나고 있고, 이 엄청난 에너지는 머나먼 지구까지 전달되어 지구의 수많은 생명체들이 삶을 이어가도록 해줍니다.


인공태양이 만들어지는 KSTAR 진공용기 내부


반면 인공태양은 말 그대로 인공적으로 만들어진 태양입니다. 태양이 핵융합 반응으로 에너지를 만들 듯 인공태양도 태양처럼 핵융합 반응을 통해 무한하고 청정한 에너지를 만들기 위한 연구를 수행하고 있습니다. 하지만 이 인공태양이 핵융합 반응을 일으키기 위해 요구되는 열은 무려 1억도 이상입니다. 단순하게 계산해도 약 7배 정도로 뜨거운 태양이 지구상에 만들어지고 있는 것이죠. 왜 인공태양은 태양보다도 훨씬 뜨거워야 할까요? 이 이유를 이해하기 위해서는 핵융합의 조건들을 천천히 살펴봐야 합니다.



태양과 지구의 차이에서 오는 온도 차이


핵융합은 플라즈마 상태에서 두 개의 가벼운 원자핵이 하나의 무거운 원자핵으로 결합하는 과정에서 발생하는 질량의 손실이 열과 빛이라는 형태의 에너지로 변환하는 과정입니다. 태양에서 이런 핵융합 반응이 일어날 수 있는 것은 높은 온도와 높은 압력 때문입니다. 높은 온도는 태양을 이루는 수소를 플라즈마 상태로 만들고 핵융합을 일으키는 원자핵이 활발하게 운동하게 해주며, 높은 압력은 플라즈마가 도망가지 못하고 꽉 잡아두어 충돌의 가능성을 높여줍니다. 한정된 공간에 가득 모여있는 원자핵들이 활발하게 움직이며 서로 충돌을 일으키고 핵융합 반응이 일어나게 되는 것이죠.


여기서 중요한 차이가 바로 ‘압력’입니다. 태양의 중력은 지구의 약 33배 인데요. 이렇게 강한 중력 덕분에 인공태양과 비교하여 상대적으로 낮은 온도에서도 핵융합 반응이 활발하게 일어날 수 있는 것이죠. 하지만 지구 상에 이렇게 높은 중력을 구현할 수 없기 때문에 인공태양은 압력 대신 온도를 올리는 방식을 선택할 수 밖에 없고 그 기준이 바로 1억도 인 것입니다.



축구장과 골프공으로 보는 핵융합



더 직관적인 설명을 위해 사람들에게 매우 익숙한 축구장과 골프공에 비유해 내용을 설명해 보겠습니다. 드넓은 축구장에 스스로 움직이는 골프공들을 무작위로 뿌려놓는다고 상상해 봅시다. 여기서 골프공은 원자핵, 축구장은 핵융합로, 그리고 골프공끼리 부딪히는 행위를 핵융합 반응이라고 가정하겠습니다. 골프공들은 계속 움직이고 있지만 축구장 안에서 서로 부딪힐 확률은 매우 낮을 수밖에 없습니다. 왜냐면 모두가 알고 있듯이 골프공은 매우 작고, 축구장은 매우 넓기 때문이죠.


그렇다면 이 축구장 안에 있는 골프공들이 서로 잘 부딪히게 만드는 방법은 무엇이 있을까요? 쉽게 생각해보면 축구장 안에 더 많은 골프공을 모으고, 이 골프공들이 원래보다 더 빠르고 활발하게 움직이면 부딪힐 확률이 높아질 것입니다. 다시 말해 원자핵이 더 많이 모여 있기 위해서는 압력을 높이고, 원자핵이 더욱 활발하게 움직이기 위해서는 온도를 높여야 하는 것이죠.


하지만 압력을 높여 골프공 수를 늘리는 것은 ‘지구’라는 환경에서는 한계가 있기 때문에 온도를 높여 원자핵의 움직임을 더욱 빠르게 만들어 핵융합 반응의 확률을 높이는 것, 이것이 바로 지구의 인공태양이 자연의 태양보다 더 뜨거워야 하는 이유입니다.



더 뜨거운 인공태양을 더 오래 안정적으로!


태양보다 더 뜨거운 인공태양은 결코 멀리 있지 않습니다. 우리나라에도 우리기술로 만든 인공태양, 초전도핵융합연구장치 ‘KSTAR’가 있는데요. KSTAR는 지난 2018년 1억도 초고온을 처음으로 달성한 뒤 2020년에는 1억도 초고온 플라즈마 20초 유지에 성공하며 초고온 플라즈마 장시간 운전 기술 확보의 가능성을 보여주었습니다. 이는 단순한 기록 이상으로 인류가 ‘태양을 닮은 에너지’를 만드는데 한걸음 더 가까워졌다는 의미를 가지고 있는데요.


KSTAR는 이번 여름 동안 진행되는 실험을 통해서 초고온 플라즈마 유지시간을 30초까지 늘린다는 계획입니다. 태양보다 더 뜨거운 인공태양 KSTAR가 이번 실험을 통해 우리의 마음을 1억도 보다 더욱 뜨겁게 달구는 연구성과를 보여줄 수 있도록 함께 응원해주시길 바랍니다.


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