차세대 에너지로 주목하는 것이 핵발전인데 지금 우리가 사용할 수 있는 기술은 핵분열 발전이다.
핵분열 발전은 역시 방사능 유출로 인한 인간에게 치명적인 피해를 준다는 문제가 있다.
그러니까 탈원전, 탈원전 하는 거
우리가 전기를 생산하기 위해 사용하는 주된 방법은 전자유도법칙에 따른 동력에너지를 전기에너지로 바꾸는 작업이다.
우리 전기를 생산하는 대다수 발전소가 이런 원리를 채택하고 있다.
(태양전지 및 태양광 에너지 제외)
에너지 원천이 필요해 지금까지는 열로 증기를 발생시켜 발생한 증기압으로 터빈을 돌리다가 돌아온 터빈은 동력 에너지를 만들고 그것이 전자기 유도법칙에 따라 전기에너지로 대체됐던 것이다.
원전도 마찬가지이며, 원전은 우라늄 등 방사성 동위원체에 충격을 가해 중성자 및 양성자의 붕괴를 일으키고, 그 결과 발생하는 에너지가 열에너지로 전환되는 구조이다.
즉 핵 붕괴 중 발생하는 열로 증기를 발생시켜 해당 증기가 다시 터빈을 돌려 전기를 생산하는 구조다.
이 열을 발생시키는 동력원이 석탄석유와 같은 화석에너지냐 우라늄 같은 원자력이냐의 차이이지 결국은 같다는 것이다.
핵융합 발전도 마찬가지야 결국은…
그러나 핵융합은 거꾸로 열이 필요하다.
두 종류의 핵이 만나 하나의 결합을 형성하기 위해서는 결합에너지라는 것이 필요하며 결합에너지를 만들기 위해서는 외부에서 충분한 에너지가 가해져야 한다.
© blickpixel, 출처 픽스베이에서 전기를 만들라고 했더니 거꾸로 에너지를 달라고 하는데 뭔가 이상해.융합을 시키려면 열 에너지가 필요하다고 치고 결론적으로 우리가 필요한 것은 전기를 만들기 위한 열 에너지인데 오히려 열이 들어가네.
이를 설명하려면 결합에너지 지표를 보면 이해가 간다.
위도표가 핵자당 결합에너지를 의미하는데 가장 오른쪽으로 갈수록 원자번호가 높아진다고 이해하면 된다.
해당 도표에서 핵자당 결합에너지가 높을수록 안정된 구조임을 의미한다.
위 그림에 의하면, Fe(철)가 가장 안정된 구조이다.
배터리로 LFP형이 안정성이 높다는 얘기도 이런 철의 안정성에 기인한다.
결국, 모든 원자는 Fe와 같은 위치로 나아가려고 한다.
그게 제일 안정적이니까
때문에 U와 같은 원자는 핵분열을 통해 원자번호를 낮춰 안정성을 높이려 하고, Fe 이하의 원자번호를 가진 원소는 핵융합을 통해 핵자수를 늘려 안정성을 높이려 한다.
그래서 핵융합발전과 핵분열발전에 사용되는 원자 자체가 다르다.
그리고 핵융합을 통해서도 열을 일으킬 수 있다는 얘기가 된다.
핵융합 발전은 기술이 너무 어려워 당장 이룰 수 있는 나라도 거의 없고, 그래서 기업단에서의 연구보다는 국가적 차원의 연구단계에 있다.
장점 1. 효율이 좋다.
핵융합 발전 기술은 그 원리를 알면 왜 이것이 장점이 많은 기술인지를 알 수 있다.
핵융합은 핵자당 결합에너지 도표에서 보았듯이 결국 Fe 이하의 원자번호를 가진 원자를 선택해 진행되지만 일반적으로 수소를 이용한다.
수소를 보면 U와 Fe 간의 결합에너지의 차이보다 H와 그 차이가 훨씬 크다는 것을 알 수 있다.
차이가 크다는 것은 그만큼 많은 에너지를 방출할 수 있다는 뜻이다.
수소가 핵융합을 통해 Fe만큼의 원자핵 결합을 이루게 되면 말이다.
그러나, 그만큼 만드는 것은 아니다.
일반적으로 태양의 원리와 같다고 보면 간단하지만 H→He로 만드는 한 단계 변화 정도로 이해하면 된다.
그래도 해당 구간에서의 에너지 변화 크기에 효율이 좋은 편이다.
장점 2. 방사능이 없다.
핵융합 에너지는 핵분열과 달리 방사능을 발산하지 않는다.
핵분열은 U의 붕괴로 인해 발생하는 부산물과 방사성 원소에 기인하는 방사능이 인간에게 치명적이다.
반면 핵융합발전은 사용되는 원소 자체가 수소이며 헬륨 정도여서 인간에게는 무해하다.
설사 폭발해서 leak가 발생했다고 해도 문제가 되지 않는다.
장점 3. 폭발의 영향력이 작다.
핵융합 폭발의 규모가 현저하게 작다.
원전 폭발이 핵분열 발전의 폭발이다.
원전 설계가 어떤 경우에도 폭발을 막을 수 있는 설계를 했기 때문에 최강 안전설계로 폭발은 적은 편이지만 폭발하면 그야말로 치명상이다.
그리고 핵분열 발전은 전력 차단이 폭발의 원인으로 작용할 수 있다.
후쿠시마 원전 사고도 지진에 따른 전기 차단이 원인으로 냉각수 공급이 끊겨 온도를 제어하지 못해 일어난 폭발이다.
그러나 핵융합 발전은 상황이 다르다.
핵융합 원리를 이해하면 좋을 텐데
핵융합 발전을 위해서는 1차적으로 핵간 결합을 일으키기 위한 열이 필요하다.
그 기본 조건이 1억도이다.
지구상의 어떤 물질도 1억 도는 견딜 수 없다.
그래서 우리는 공중에 1억도가 넘는 미니 태양을 만들어 물질과 상관없이 진행할 수 있게 해 주고 여기에 사용된 방식이 플라즈마를 이용한 방식이다.
플라즈마란 강한 에너지 길이(전기든 열이든) 아래서 기체 상태로 원자가 이온화된 상태를 뜻한다.
이 플라즈마 상태는 전기적 특성을 갖고 있기 때문에 자기장 밑에 가두는 것이 가능해진다.
가두기가 가능하다는 것은 미니 태양처럼 한 곳에 집중적으로 에너지를 가할 수 있는 조건 형성이 가능하다는 얘기이기도 하다.
그 상태에서 1억 도까지 열을 올려 거기에 중수소를 쏘아 올린다.
중수소는 그 중 충분한 열을 받아 삼중수소가 되거나 헬륨-3으로 바뀌게 된다.
헬륨-3은 다시 헬륨-3과 결합해 헬륨이 되고, 이 과정에서 연쇄적으로 에너지 방출이 이뤄지는 것이다.
결국 이 연쇄융합작용은 충분한 에너지 조건에서 연쇄적으로 일어나 수소가 철이 될 때까지 반복적으로 진행된다.
전력이 끊기는 재난의 사태에 우리가 맞닥뜨렸다고 가정해 보면, 애당초 핵융합발전에는 열이 있어야 연쇄작용이 가능했던 부분이기 때문에 전기가 나가면 작은 폭발 후 순식간에 꺼질 수밖에 없는 운명이다.
열을 공급할 수 없는 조건이라 핵융합도 불가능하기 때문이다.
4. 청정연료의 마지막 마무리이자 청정연료인 것이다.
수소 헬륨 무엇을 들어도, 연료 자체적으로 환경 오염의 여지가 없다.
그래서 개발되면 어느 발전소보다 각광받을 확률이 높다.
청정에너지지만 에너지 효율도 좋은 편이고 연료를 구하는 것도 어렵지 않다.
그래서 꿈의 에너지로 불린다.
국내 기술로 개발한 초전도 핵융합 연구장치 KSTAR가 1억 도 초고온 플라즈마를 30초간 유지하는 데 성공해 초고온 플라즈마의 장시간 운전기록을 갈아 치웠다.
한국핵융합에너지연구원은 naver.me 최근 이런 꿈의 에너지를 한국에서 한 걸음 더 나아가는 움직임을 보이고 있다.
앞서 원리를 설명했듯이 결국 포인트는 1억도를 얼마나 잘 유지하느냐가 핵심이다.
1억 도 조건의 플라스마를 만들려면 그 안에 중수소를 지속적으로 공급하기만 하면 수소 간 결합으로 열을 자연스럽게 방출하기 때문이다.
중국에서는 70초를 달성한 적이 있고, 일본에서는 열효율 1을 최초로 넘었으며, 한국에서는 30초간 실현했다.
기술적 한계로 인해 꿈의 에너지에 근접하는 연구가 계속 진행되고 있는 것에 감사하고 희망적이라는 생각이 든다.
당장 쓸 수 있는 기술이 아니다.
기업단의 주체적 연구라기보다 여전히 국가 단위의 사업이고 연구다.
그래서 투자라는 관점에서 접근하기에는 너무 이른 단계다.
그러나 우리가 만들 수 있는 에너지에 이런 원리를 이용한 에너지 기술도 있음을 소개하고 싶었고, 원리를 쉽게 이해하고 있다면 앞으로의 에너지 기술 발전을 기민하게 따라갈 수 있을 것이다.
아직 상식 수준으로 알아둬 나중에 돈이 되는 지식으로 쓰도록 하자.
#원전 #원자력에너지 #원자력발전소 #핵발전 #핵 #SMR #핵분열 #핵융합 #핵융합발전 #청정에너지 #신에너지 #일진파워 #비엠티