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분열에서 융합으로- 나이오븀(Nb)과 팔라듐(Pd) - 목록

조회 : 5103 | 2012-03-20

화력 발전과 핵 발전
컴퓨터, TV, 냉장고 등을 작동시키는 전기는 발전소에서 생산된다. 전기는 어떻게 만들까? 대표적으로 화석 연료를 이용하는 방법이다. 보일러에서 화석 연료를 태워 물을 가열할 때 발생하는 수증기의 힘으로 터빈을 회전시켜 전기를 만드는 것이다. 원자력 발전도 원자로에서 우라늄의 핵분열 과정에서 발생하는 열을 이용한다. 마찬가지로 수력 발전은 떨어지는 물의 힘으로, 풍력 발전은 바람의 힘으로 전기를 발생시킨다.










화력 발전과 핵 발전의 원리 (사진 : 전기박물관에서 촬영)





그러나 화석연료는 이산화탄소와 함께 황과 질소 산화물이 발생시킨다. 이산화탄소는 지구온난화에 영향을 미치며, 황과 질소 산화물은 산성비의 원인이 된다. 또한 핵연료는 사용 후 생긴 방사능 폐기물을 따로 보관해야 한다. 특히 체르노빌 원자력 발전소 폭발 사고처럼 일단 사고가 발생하면 돌이킬 수 없는 엄청난 재앙을 가져온다.




태양의 핵융합
화력이나 핵이 아닌 다른 에너지원은 없을까? 1930년대, 생명의 원천인 태양 에너지는 핵융합에 의해 생기는 것으로 밝혀졌다. 핵융합은 어떻게 일어날까? 태양은 구성하는 물질은 대부분 수소이다. 수소는 핵과 그 주위를 회전하는 전자로 되어 있다. 그러나 1억 도 이상이 되면 핵과 전자는 분리되어 자유롭게 움직인다. 이처럼 전기를 띤 고온의 기체를 특별히 플라스마라 한다.










핵융합 반응의 원리





태양 내부는 1억 도가 넘기 때문에 수소는 플라즈마 상태로 존재한다. 이때 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소의 원자핵이 서로 충돌하면서 핵이 합쳐지는 핵융합이 일어난다. 이처럼 핵융합은 핵분열과는 정반대의 현상이다. 핵분열이 무거운 우라늄이 가벼운 원자로 쪼개지는 반응이라면, 핵융합은 가벼운 수소가 더 무거운 헬륨으로 합쳐지는 반응인 것이다. 하지만 이 과정에서 모두 질량이 감소하게 된다. 따라서 아인슈타인의 방정식 E = mc2(E는 에너지, m은 질량, c는 빛의 속도)에 따라, 감소한 질량만큼 엄청난 에너지를 발생시키는 것이다. 따라서 태양의 핵융합 원리를 이용한 ‘인공태양’을 만들 수 있다면 인류는 영원한 에너지원을 갖게 되는 것이다. 또한 핵융합은 방사선이나 핵폐기물이 생기지 않는 장점도 갖고 있다.




중수소와 삼중수소
수소와 중수소, 삼중수소는 모두 전자가 1개 이지만, 양성자와 중성자의 수를 합한 질량수가 다르다. 수소는 양성자 1개, 중수소는 양성자 1개와 중성자 1개, 삼중수소는 양성자 1개와 중성자 2개로 이루어져 있다. 이처럼 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 원소를 동위원소라고 한다.










수소, 중수소, 삼중수소





수소 화합물의 수소 중에 0.016%는 중수소이다. 따라서 물(H2O)에도 0.016%의 중수(D2O)가 있다. 어떻게 중수를 얻을 수 있을까? 물을 전기분해하면 중수는 물과는 달리 잘 분해되지 않는다. 따라서 물을 계속 전기분해하면 순수하게 남아있는 중수를 얻을 수 있다.




인공 태양
과연 인공태양을 만들 수 있을까? 지상에서 핵융합을 하려면 어떤 조건들이 필요할까? 핵융합 연료인 중수소는 바닷물에 무한정 들어 있으며, 삼중수소는 리튬과 중성자를 반응시켜 만들 수 있다.










인공태양





먼저 양전하를 띤 원자핵들이 반발하는 힘을 이겨내고 핵이 융합하려면 1억도 이상의 초고온 플라즈마가 필요하다. 또한 이 플라즈마를 오랫동안 유지시킬 수 있는 융합로가 필요하다. 문제는 초고온의 플라즈마가 융합로 벽에 부딪치면 온도가 급격히 낮아지기 때문에 핵과 전자가 결합해서 원래의 원자 상태로 되돌아간다는 것이다. 비록 1억 도의 플라즈마를 담고 있지만 융합로 벽은 수천 도에 불과하다. 따라서 플라즈마가 1억 도 이상의 온도를 유지하려면 벽에 닿지 않고 공간에 머물러 있어야 한다. 어떻게 가능할까? 그것은 자기장을 이용하는 것이다. 도넛 모양의 융합로에 자기장을 걸면 플라즈마는 이온들처럼 자기력선을 따라 감기듯이 나선형 운동을 한다. 플라즈마가 중심에 떠 있게 되는 것이다.




수소폭탄
1952년, 미국의 수소폭탄 실험 성공은 지상에서의 핵융합이 가능하다는 것을 증명해 주었다. 수소폭탄도 1억 도 이상의 고온에서 폭발하기 때문이다. 수소폭탄에서 이 열은 원자폭탄의 폭발로 제공한다. 즉, 소형 원자폭탄이 방아쇠 역할을 하는 것이다.










수소폭탄/ 사진: 미 에너지부(U.S. Department of Energy)




핵융합 장치, 토카막
1996년, 일본에서는 몇 초에 불과했지만 핵융합로의 온도를 5억도 이상 올리는 데 성공했다.










KSTAR 토카막/ http://wikipedia.org (cc) Michel Maccagnan





핵융합로의 핵심은 강력한 자기장을 발생시키는 장치이다. 만약에 자기장이 초고온 플라즈마를 제대로 가둘 수 없다면 핵융합 장치는 불가능하다. 따라서 핵융합로의 성능은 자기장을 발생시키는 전자석이 좌우한다. 우리나라 핵융합로 ‘KSTAR’의 D자 형 토카막은 플라즈마를 도넛 모양의 용기 에 가두는 핵융합 장치이다.










토카막 내부/ (cc) http://wikipedia.org





구리로 만든 전자석은 전기저항으로 엄청난 열이 발생하기 때문에 강력한 자기장을 만들 수 없다. 따라서 KSTAR의 토카막은 수천 개의 실처럼 가느다란 나이오븀-주석 합금(Nb3Sn) 초전도체가 들어 있는 것이다. 특히 초전도 전자석으로 자기장을 만들려면 액체 헬륨으로 극저온을 유지해야 한다. 이것은 초전도 선들 사이의 작은 틈으로 액체 헬륨을 주입하여 온도를 낮춘다. 즉, 인공태양은 수 억 도의 플라즈마를 영하 수 백도의 용기 안에 가두는 것이다. 마치 뜨거운 국을 얼음 그릇에 붓는 것과 같은 어려운 기술인 것이다.




인류의 꿈, 상온 핵융합
인공태양의 실용화에는 오랜 기간이 걸릴 것으로 예상된다. 무엇보다도 1억 도 이상의 고온과 핵융합로를 만들기가 어렵기 때문이다. 그렇다면 상온에서는 핵융합이 불가능한 것일까? 영화 ‘아이언 맨2’의 주인공의 가슴에는 아크 원자로가 있어 여기서 에너지를 얻는다. ‘아크’는 고전압에서 특정 물질 사이에 높은 에너지를 가진 전자가 흐르는 것이다. 즉, 아크 원자로는 소형 핵융합 발전기인 것이다. 여기서 핵융합 원소로 팔라듐을 사용한다. 왜 팔라듐일까?










아이언 맨





팔라듐은 백금, 로듐과 함께 자동차의 유해가스를 분해하는 대표적인 촉매이다. 여기에 반응물들이 흡착되어 분자간 결합이 약해지거나 깨져서 쉽게 반응하는 것이다. 예를 들어 팔라듐에 흡착된 수소(H-H)는 반응성이 큰 수소 원자로 분해되어 다른 분자들과 쉽게 반응한다. 이러한 팔라듐의 특성을 이용한다면 가능하지 않을까?




과연?
1983년, 폰즈(1943~)와 프라이슈만(1927~)은 상온 핵융합이 가능하다고 주장하였다. 그들은 팔라듐과 리튬 전극으로 중수를 전기분해시켰다. 이 때 생긴 중수소(D2)가 팔라듐에서 헬륨으로 핵융합에 의해 중수의 온도가 50 도를 유지했다는 것이었다.










상온핵융합 장치와 구조 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) Stevenkrivit(좌), Pbroks13(우)





이 결과는 엄청난 반향을 불러 일으켰으나 재현되지 않았다. 그들은 사기꾼으로 몰렸으며 1999년, 타임지는 상온 핵융합을 20세기에 가장 나쁜 아이디어 100 개 중 하나로 선정했다. 그러나 노벨물리학상을 받은 슈빙거(1918~1994)는 팔라듐이 상온 핵융합을 일으켰다고 주장했다. 그의 전기에는 다음과 같은 일화가 기록되어 있다. 그의 논문을 검토했던 심사자가 “핵물리학자라면 아무도 이런 효과를 믿지 않을 것이다”라고 평가하자, 그는 “나도 핵물리학자야!”라며 학회를 탈퇴해버렸다. 상온 핵융합이 불가능한 것으로 인식되고 있다. 그러나 상온 핵융합에 대한 관심은 여전히 남아있다. 과연 상온핵융합은 위대한 발견이 될 것인가? 허구인 것인가? 그 핵심 열쇠는 팔라듐이 쥐고 있는 것이다.




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