산 정상은 하나, 오르는 길은 둘 — 핵융합과 핵분열 이야기

등산로를 떠올려 보세요

같은 산 정상을 향해서도 등산로는 여러 갈래일 수 있습니다. 어떤 사람은 낮은 쪽에서 시작해 위로 올라가고, 어떤 사람은 반대편 높은 능선에서 아래로 내려오면서 같은 정상에 도달하죠. 방향은 정반대지만, 결국 향하는 곳은 똑같은 그 정상입니다.

핵융합과 핵분열의 관계가 정확히 이렇습니다.

두 반응이 향하는 같은 정상 — 철과 니켈

전에 결합에너지 곡선을 다루며, 원자핵마다 "얼마나 단단하게 뭉쳐 있는지"를 나타내는 핵자당 결합에너지가 다르다는 이야기를 했습니다. 이 곡선에서 가장 안정적인, 말하자면 가장 높은 봉우리 같은 지점이 바로 철과 니켈 부근(질량수 약 56~62)입니다.

우라늄처럼 무거운 원자핵은 이 봉우리보다 무거운 쪽 사면에 있고, 수소처럼 가벼운 원자핵은 봉우리보다 가벼운 쪽 사면에 있습니다. 그리고 두 반응 모두, 결국 이 봉우리를 향해 움직입니다.

• 핵분열: 무거운 원자핵이 쪼개져서, 무거운 쪽 사면을 따라 봉우리 방향으로 내려갑니다.
• 핵융합: 가벼운 원자핵들이 합쳐져서, 가벼운 쪽 사면을 따라 봉우리 방향으로 올라갑니다.

방향은 반대지만, 둘 다 "더 안정적인 상태(핵자당 결합에너지가 더 큰 상태)"로 향한다는 점에서 완전히 같은 원리를 공유하고 있는 셈입니다. 그리고 이 이동 과정에서 남는 에너지 차이가, 전에 다룬 Q값에 해당하는 방출 에너지가 됩니다.

 

그런데 왜 핵융합은 훨씬 어려울까요

여기서 등산로 비유의 재미있는 지점이 하나 더 있습니다. 같은 정상을 향해도, 한쪽 등산로는 입구에 문이 없어 누구나 쉽게 들어갈 수 있는데, 다른 쪽 등산로는 입구에 아주 튼튼한 문이 잠겨 있어서 엄청난 힘으로 밀어야 열리는 상황이라고 해볼까요.

원자핵은 모두 양(+)전하를 띠고 있어서, 서로 가까이 다가가려 하면 전기적으로 밀어내는 반발력이 작용합니다. 이 반발력을 쿨롱 장벽이라고 부릅니다. 핵융합이 일어나려면 원자핵 두 개가 이 반발력을 뚫고 아주 가까이(원자핵 크기 수준으로) 접근해야만, 비로소 짧은 거리에서만 작용하는 강한 핵력이 둘을 붙잡아 융합을 일으킵니다.

이 반발력을 뚫으려면 원자핵이 엄청나게 빠른 속도로 움직여야 하는데, 그러려면 수천만 도에서 수억 도에 달하는 극도로 높은 온도와, 그 상태를 오랫동안 유지할 특별한 장치가 필요합니다.

반면 핵분열은 사정이 다릅니다. 무거운 원자핵에 전하가 없는 중성자 하나만 흡수시키면 됩니다. 중성자는 전하가 없어 쿨롱 장벽의 영향을 받지 않기 때문에, 상대적으로 훨씬 쉽게 반응을 촉발할 수 있습니다.

지금 우리가 쓰고 있는 건 어느 쪽일까요

이런 차이 때문에, 지금 전 세계 원자력발전소에서 실제로 전기를 생산하는 데 쓰이는 방식은 핵분열입니다. 핵융합은 여러 나라와 연구기관에서 에너지를 안정적으로 만들어내기 위한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 아직은 상업 발전에 실용화된 단계는 아닙니다.

자주 하는 오해 두 가지

오해 1. "핵융합과 핵분열은 정반대 현상이니 아무 공통점이 없다" — 아닙니다. 둘 다 결합에너지 곡선에서 더 안정적인 상태(철·니켈 부근)로 향하는 과정이라는 원리를 공유합니다.

오해 2. "핵융합과 핵분열 둘 다 지금 원자력발전소에서 똑같이 쓰이고 있다" — 아닙니다. 현재 상업 발전에 쓰이는 것은 핵분열이며, 핵융합은 아직 연구개발 단계에 있습니다.

오늘의 한 줄 정리

• 핵분열과 핵융합은 방향은 반대(쪼개짐 vs 합쳐짐)지만, 둘 다 결합에너지 곡선에서 더 안정적인 상태(철·니켈 부근)로 향한다는 공통 원리를 갖는다
• 핵융합은 원자핵 사이의 전기적 반발력(쿨롱 장벽)을 뚫어야 해서, 이를 위한 초고온·초고압 조건이 필요한 어려운 반응이다
• 핵분열은 전하가 없는 중성자만으로 촉발할 수 있어 상대적으로 쉽게 시작된다
• 현재 상업 발전에 활용되는 것은 핵분열이며, 핵융합은 아직 연구개발 단계에 있다