화석연료를 대체할 수 있는 에너지 생산 방안

단 1주일 만에 태양은 우리 인간의 출현 이후로 인간이 화석연료인 석탄, 석유 그리고 천연가스등의 연소를 통하여 얻은 에너지보다 더 많은 에너지를 지구에 전달한다. 그리고 그 에너지는 지구 시스템의 순환, 생태계 유지에 많은 영향을 미치며 상당히 많은 기여를 한다. 예를 들면 지구에 들어오는 태양복사 에너지를 통하여 식물들이 광합성을 하게 하며 비, 바람, 태풍 등을 일으킨다. 태양은 수소만 있다면 계속해서 에너지를 방출하는 핵융합 반응을 한다. 주변에는 수소가 많아서 우리가 작은 태양을 갖는다면 거의 무한한 에너지의 생산이 가능해질 것이고 이것은 인류에게 엄청난 기회가 될 것이다.  또한 화석연료를 대체할 비슷한 조건을 갖고 있는 수소 연료전지 기술도 매우 유용한 기술이 될 것이다.

 

 

핵융합 발전

 

1. 핵융합이란

 

원자들은 더 뜨거울수록 더 빨리 움직인다 15,000,000K의 태양의 중심부에서 수소는 불안정한 상태로 존재한다. 수소가 매우 빠른 속도로 충돌하면 그들의 핵(양전하) 사이의 정전기적 저항은 극복되며 수소 4개가 헬륨 1개로 융합한다. 여기서 만들어진 헬륨의 질량은 수소 4개의 질량보다 작다. 그 둘 사이의 차이를 결손 질량이라고 하고 이는 아인슈타인의 가장 유명한 공식인 E=mc^2 에 대입하면 아주 작은 질량이어도 광속의 제곱을 곱한 값이 얻어지는 에너지가 되며 그 에너지의 양은 매우 크다.

 

 

2. 핵융합 발전의 장점

 

첫 번째로, 화석연료 대비 동일한 질량의 연료에서 최대 400만 배의 에너지를 낼 수 있으며 핵분열 반응의 4배의 달하는 엄청난 에너지 생산효율을 자랑한다.

 

두 번째로, 지속 가능성이 매우 크다 사실상 무한정 사용 가능한 에너지이다. 핵융합 반응을 하는데 필요한 중수소는 모든 형태의 물에서 증류될 수 있으며 삼중수소는 리튬을 활용하여 만들 수 있다.

 

세 번째로, 주요한 부산물이 비활성기체인 헬륨이라는 것이다. 화석연료와는 달리 독소나 온실기체 같은 공해물질은 내보내지 않는다.

 

네 번째로, 장수명 방사성 폐기물이 없다. 방사능인 삼중수소는 핵분열을 하지 않으며 연쇄 반응도 없다. 또한 삼중수소는 핵융합로 안에서 만들어져서 소비될 것이다.

 

다섯 번째로, 용융 위험이 전혀 없다. 핵 융합로에서는 후쿠시마 원전 사고와 비슷한 사고가 불가능하다. 핵융합 반응을 유지하는 것은 어렵기 때문에 약간의 이상만 생겨도 핵융합 반응이 멈추고 수 초내에 냉각된다. 또한 핵 융합로 안에 들어간 연료는 아주 적은 시간 동안 반응할 양만 들어갈 수 있어 연쇄 반응의 위험성이 없다.

 

 

3. 핵융합 발전의 작동원리

 

중수소와 삼중수소 같은 연료가스를 핵 융합로에 넣어서 수천 K의 온도로 가열하면 전기적 성질을 띤  플라스마 상태가 된다. 이때 플라스마 상태는 원자에서 원자 핵과 전자가 분리되어 흩어진 상태를 말한다. 이렇게 분리된 수소 원자핵은 서로 전기적으로 양성을 띄어서 융합되기 어려운데 수소핵끼리 1000km/h 이상의 속도로 부딪히면 핵융합이 일어나게 된다. 입자의 속도가 빠르다는 것은 곧 높은 온도를 뜻하며 고주파를 이용하여 15,000,000K 이상의 온도를 만든다 또한 이런 높은 에너지를 갖는 플라스마를 가둬놓을 수 있는 장치도 필요한데 가장 대표적인 장치가 도넛 모양으로 자기장을 형성하는 장치로 토카막이 있다. 이러한 장치가 전기적 성질을 띄는 플라스마를 가두게 하는 것이다. 또한 원자핵끼리 부딪혀 중수소나 삼중 수소로부터 중성자가 분리되면 중성자는 전기적 성질이 중성이기 때문에 토카막 안에서 계속 회전하는 것이 아니라 탈출하게 되며 리튬 동위원소층이 있는 블랑켓이라는 곳에 부딪히며 중성자의 충돌 에너지로 블랑켓을 순환하는 냉각수를 데워 터빈을 돌리고 리튬 동위 원소는 중성자를 흡수하여 다시 삼중수소를 만들게 된다.

 

다음 포스팅에서 토카막의 원리 및 구조에 대해서 설명하겠습니다.