LG사이언스랜드

전체메뉴보기 검색 과학상자

지구에서 뜨는 태양 - 핵융합과 인공태양 목록

조회 : 10340 | 2007-03-12

제목



 

세상을 움직이는 힘! 그것은 무엇일까요? 세상이 움직이도록 만드는 가장 기본적인 힘은 바로 에너지랍니다. 자, 오늘은 새로운 에너지 기술로 떠오르고 있는 핵융합과 인공태양에 대해 공부해 볼까요? 아득히 먼 옛날 돌도끼로 사냥을 하며 살아왔던 원시 시대 사람들이 먼 훗날 눈부신 문명을 이룩할 수 있었던 이유는 바로 그들이 에너지를 다루는 방법을 깨달았기 때문이랍니다. 즉 원시인들은 불을 발견했기 때문에 고기를 익혀먹을 수 있게 되었고 생활에 필요한 자원을 쉽게 구할 수 있었으며, 결국 인류사회가 발전하게 된 동기가 되었던 것이죠. 인류는 이와 같이 에너지를 얼마나 잘 만들어내고 사용할 줄 아는가에 따라 함께 발전을 거듭해 왔습니다. 오늘날에는 석유나 석탄과 같은 화석연료에서 추출한 에너지로 자동차, 컴퓨터, TV 등을 사용하고 있듯이 우리 사회의 모든 분야에 있어서 에너지는 너무나 필수적인 존재입니다. 앞으로 사회가 발전함에 따라 미래에는 더욱 많은 에너지가 필요하게 되리라는 것은 당연하겠지요?





하지만 얼마 전부터 한 가지 걱정거리가 생겼습니다. 바로 지구에 매장되어 있는 석유나 석탄과 같은 화석연료가 얼마 남지 않았다는 거죠. 석유는 전기를 만들어내는 등 다양한 분야에서 필수적으로 사용되는 유용한 에너지자원이지만 땅에 묻어있는 양에도 한계가 있으므로 무한정 사용할 수는 없습니다. 그래서 지금과 같이 석유를 사용하게 된다면 몇 십 년 후에는 지구상에 엄청난 에너지재앙이 닥치게 될지도 모릅니다. 필요한 석유를 대부분 수입에 의존하고 있는 우리나라가 더 이상 석유를 수입할 수 없게 되었다고 생각해 봅시다. 도로위를 달리는 자동차는 더 이상 움직일 수 없어 길에 멈춰버릴 것이고 발전소에서는 전기를 생산할 연료가 부족해 도시 전체가 어두워지고 가전제품 사용도 아주 어렵게 될 것입니다. 그래서 수 년 전부터 전 세계의 과학자들은 앞으로의 미래세계에서 석유와 같은 화석연료를 대체할 수 있는 대체에너지를 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 특히 석유와 같은 화석연료는 매장량에 한계가 있어서 뿐만 아니라 환경오염의 주범이 되는 이산화탄소를 배출하므로 대체에너지의 필요성이 더욱 대두되고 있는 실정이랍니다. 그렇다면 화석연료를 대체할 수 있는 대체에너지는 어떤 조건을 갖추어야 할까요?

 

 


풍력발전



대체에너지는 화석연료와는 달리 앞으로 충분히 오랫동안 사용할 수 있을 정도로 그 자원양이 풍부해야 한답니다. 또한 환경을 오염시키지 않는 친환경적인 자원이어야 하겠죠? 이러한 조건을 만족하는 대체에너지는 어떤 것들이 있을까요? 여러분은 아마 바람을 이용한 풍력, 파도를 이용한 조력, 태양열을 이용한 태양열 발전 등을 생각하고 있을 것입니다. 물론 이러한 에너지원들도 훌륭한 자원이 될 수 있겠지만 아쉽게도 실용성이 부족합니다. 왜냐하면 지구 전체적인 에너지소모량은 매우 많은데 이러한 대체에너지원으로 만들 수 있는 에너지는 매우 작기 때문입니다. 만일 예를 들어 우리나라에 필요한 전기에너지를 충당하기 위해 태양열전지로 전기를 생산한다면 우리나라 국토 모두를 태양열전지판으로 뒤덮어도 필요한 만큼의 전기를 생산하지 못합니다. 결국 이러한 에너지원들은 에너지를 생산하는 보조 수단이 될 수는 있지만 지금의 화석연료와 같이 주요 에너지원으로 사용하기는 어렵습니다.





이러한 대체에너지 문제를 해결하기 위해 연구되어 지금 사용하고 있는 기술이 바로 원자력발전이지요? 여러분이 잘 아는 핵폭탄이 터질 때 막대한 에너지가 방출되는 것과 비슷한 원리의 에너지 생산방식입니다. 원자력발전은 그 원료가 되는 우라늄이 충분히 매장되어 있어 오랫동안 사용할 수 있으며 이산화탄소를 배출하지 않으므로 비교적 친환경적입니다. 또한 자동차1대에 실은 만큼의 우라늄으로 대형 유조선(석유를 수송하는 배) 3척이 싣고 있는 석유만큼의 에너지를 만들 수 있으므로 매우 효율적입니다. 그러나 원자력 발전은 방사능이 유출될 수도 있다는 위험성이 있고 사용을 끝낸 핵연료의 폐기물 처리가 곤란하다는 단점을 가지고 있습니다. 그래서 이러한 단점을 해결할 수 있는 새로운 방식의 핵 발전 방법이 연구되고 있는데요, 그것이 바로 핵융합발전이랍니다.





핵융합발전이란 무엇일까요? 그것을 이해하기 전에 하늘에 떠있는 태양을 생각해 봅시다. 태양은 어떻게 열과 빛을 방출하고 있는 것일까요? 사실 태양은 거대한 수소구름이라고 생각하면 됩니다. 목성도 수소로 이루어져 있는 행성이지만 태양과의 차이점은 바로 태양은 수소를 이용해서 열과 빛을 만들어내고 있고, 목성은 수소가 아무런 반응이 일어나지 않아 열과 빛을 만들지 못한다는 것입니다. 바로 태양은 수소핵융합반응이라는 현상을 통해 수소를 태워 열과 빛을 만들어내는 것이랍니다. 수소핵융합반응이란 높은 압력이나 열이 있는 상태에서 수소입자 4개가 1개의 입자로 합쳐지면서 헬륨입자로 바뀌는 현상을 말합니다. 이때 수소입자4개가 1개의 헬륨입자로 바뀌면 엄청난 에너지가 함께 방출됩니다. 그리고 그 에너지는 열과 빛의 형태로 나타나게 되는 것이구요.

 

 


태양



사실 태양은 이 반응을 일으키면서 자신의 무게가 조금씩 감소하게 됩니다. 핵융합반응에서는 손실된 무게(질량)만큼이 에너지로 방출되는 것이거든요. 그래서 반응 전의 수소입자 4개의 무게가 반응이 일어난 후의 헬륨입자 1개의 무게보다 조금 더 많답니다. 손실된 무게가 에너지로 바뀌었기 때문이지요. 핵폭탄은 물질의 입자가 쪼개지면서 에너지를 만들어내는 핵분열원리를 사용하고 있는데 핵융합은 이와 같이 핵분열과는 정반대되는 현상으로 에너지를 만들어내는 것입니다. 이 핵융합반응은 아주 높은 열과 압력이 존재하는 상태에서만 일어나는 현상입니다. 태양의 내부는 아주 높은 열과 압력이 있어 핵융합반응이 일어나지만 목성은 그 정도의 압력이 될 만큼 크지 않으므로 핵융합반응이 일어날 수 없는 것이지요.


핵융합장치



만일 태양이 에너지를 만드는 핵융합의 원리를 지구에서도 만들 수 있다면 어떨까요? 수소는 지구상에 풍부하게 존재하는 자원이므로 지구의 에너지문제를 완전히 해결할 수 있는 대체에너지가 될 것이 분명합니다. 그렇습니다. 실제로 전 세계적으로 핵융합을 일으킬 수 있는 인공태양을 만들기 위해 연구가 한창진행중입니다. 만일 핵융합을 일으킬 수 있는 장치인 인공태양이 지구상에 만들어진다면 에너지 문제를 해결함은 물론 국가 경제적으로도 엄청난 부가 창출될 것입니다. 바닷물에는 핵융합의 원료가 되는 수소가 풍부합니다. 만일 바닷물 1L를 핵융합하면 석유 300L로 만들 수 있는 에너지를 생산할 수 있게 됩니다. 우리나라와 같이 에너지연료가 부족한 나라에서도 쉽게 연료를 구해 에너지를 생산할 수 있는 것이죠. 바닷물은 거의 무한하게 존재하니까요. 뿐만 아니라 방사능이나 이산화탄소와 같은 유해물질이 전혀 배출되지 않음으로서 가장 이상적인 친환경에너지원이라 할 수 있습니다. 그러나 인공태양을 만들기가 쉬운 것은 아닙니다. 태양과 같은 높은 열과 압력을 인공적으로 만들 수 있는 기술이 없기 때문이지요. 그럼에도 불구하고 각 국에서는 경쟁적으로 핵융합장치를 개발하기 위해 연구를 진행하고 있습니다. 그 성과로 중국에서 세계 처음으로 연구용 핵융합장치인 EAST를 개발하는 데 성공했습니다.


기초과학지원연구원



세계적으로는 에너지 선진국들이 함께 협력하여 거대한 핵융합연구시설을 건설할 계획 중에 있습니다. 우리나라에서도 대전의 기초과학지원연구원(KSBI)에서 한국의 인공태양인 KSTAR를 개발 중에 있답니다. 지금 현재(2006년 2월) 80% 이상 완성되었고 완전히 완성되면 우리나라도 핵융합 연구기술을 가진 에너지 기술 선진국 대열에 합류하게 될 것입니다. 그렇지만 이러한 노력에도 불구하고 핵융합 기술을 상용화되기 까지는 많은 노력과 연구가 필요합니다. 지금의 원자력발전소처럼 핵융합발전소가 건설되기까지는 무려 50년 정도의 기술연구가 더 필요할 것으로 전망하고 있습니다. 국가의 미래는 식량과 에너지 문제를 얼마나 잘 해결할 수 있는가에 달려있다고 합니다. 식량과 에너지의 상당 부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라가 우리 후손들에게 물려줄 수 있는 최고의 선물은 바로 에너지 강대국으로 우뚝서있는 조국의 미래랍니다.

 

 

★KAIST 원자력 및 양자공학과 차유진




주제!
에너지 ,태양계
관련단원 보기
*초등6학년 2학기 에너지
페트병으로 만든 크리스마스트리 : 플라스틱의 세계
*중3학년 1학기 태양계
세계 최대 달 모자이크
*중3학년 1학기 태양계
명왕성, 태양계 행성 퇴출 사건
사진올리기 바로가기