레이져로 인공태양을 만들다.
지구는 지금 에너지가 고갈되어 가고 있고, 화석 에너지를 사용하는 과정에서 환경오염 물질과 이산화탄소의 배출로 지구 온난화가 심해져 셔 인류의 생존을 위협하는 단계롤 접어들어 가고 있다. 그래서 과학자들은 지구상에 인공태양을 만들어 에너지 문제를 해결하려고 시도하고 있다.
그래서 등장한 것이 인공 태양이다 인공태양은 태양이 막대한 에너지를 만들어내는 과정을 지구상에서 재현함으로써 에너지를 이용하려는 시도이다.
인류는 현재 원자력 발전을 이용하여 막대한 전기에너지를 만들어 내고 있다. 그러나 현재의 원자력 발전은 핵분열 원리를 이용하기 때문에 방사능 문제가 발생한다. 원자력 발전 과정에서 나오는 폐기물은 방사능을 가지고 있어 그 처리가 쉽지 않고 매우 위험한 물질이다.
그래서 인류는 자연에 존재하는 태양 속에서 일어나는 반응인 핵융합 반응을 이용하여 전기에너지를 생산하기 위하여 많은 연구와 노력을 하고 있다. 핵융합 발 전에서는 방사능 물질이 나오지 않고 적은 양의 원료 물질로 큰 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있기 때문에 현재를 기준으로 인류의 에너지 문제를 해결할 수 있는 최고의 에너지 생산 방법이다.
핵융합이란 무엇인가?
두 개 이상의 가벼운 원자핵이 고온, 고압에서 서로 충돌해 더 무거운 원자핵을 만들고, 그 과정에서 반응 전후의 질량 차이에서 어마어마한 에너지가 방출되는 현상이다. 우리가 매일 보는 태양에선 주로 수소(H) → 헬륨(He) 으로 변하면서 에너지를 낸다. 이때 나오는 에너지가 바로 햇빛, 열이다.
태양의 중심 온도는 1,500만 도에 이르고, 태양 내부에서는 수소 원자들이 서로 충돌해 헬륨으로 바뀌면서 엄청난 에너지를 낸다. 태양 내부에서는 두 개의 수소 원자핵(양성자)이 모여 하나의 중수소를 만들고(양성자 + 중성자). 여기에 또 다른 수소가 붙어 삼중수소 또는 헬륨-3로 전환된다. 헬륨-3는 다시 두 개가 합쳐져 헬륨-4와 에너지 만들어 낸다.
이 모든 과정에서 양전자, 중성미자, 감마선, 열이 나온다.그 열이 태양 표면까지 퍼지고, 지구까지 오는 것이다. 태양은 이 과정을 통해 초당 6억 톤의 수소가 반응하여 헬륨과 질량 차이만큼 에너지를 만들고 있다. 아인슈타인은 모든 물질은 에너지로 바뀔 수 있다고 주장했고 그 유명한 E = mc²이라는 것을 밝혀냈다. 태양이 핵융합 과정에서 발생하는 칠량 차가 이 공식에 의해 에너지로 전환되는 것이다.
태양에서 일어나는 핵융합은 다음과 같은 단계로 이루어 진다.
p-p 체인 (proton-proton chain)
1. 양성자 + 양성자 → 중수소 + 양전자 + 중성미자
2. 중수소 + 양성자 → 헬륨-3 + 감마선
3. 헬륨-3 + 헬륨-3 → 헬륨-4 + 양성자 + 양성자
이 전체 과정을 통해 헬륨-4가 생성되고, 중간에 발생하는 감마선과 양전자, 중성미자 등에서 에너지가 방출되는 것이다. 재미있는 사실은 태양에서 생성된 감마선이 표면까지 나오는 데는 약 10만 년 이상 걸린다는 것이다. 그래서 우리가 보는 햇빛은 태양 중심에서 수십만 년 전에 만들어진 것이다.
핵융합이 일어날 수 있는 조건
지구에서는 핵융합을 하기 위해 엄청난 기술, 장비, 에너지가 필요하다. 그런데 태양은 그런 게 없어도 자연적으로 매초 핵융합 반응을 수십억 번 이상 일으키고 있다. 우주에서는 몇 가지 특수한 천체 물리학적 조건이 자동으로 만족되기 때문이다.
태양은 지름이 약 140만 km, 질량은 지구의 약 33만 배에 달 할 정도로 매우 크다. 이 큰 질량이 자체 중력으로 중심부를 눌러버린다. 중심부 압력은 약 2.5 × 10 ¹¹ atm (지구 대기압의 2억 배 이상)이고, 중심부 밀도는 약 150g/cm³ (물보다 150배나 더 조밀)이다. 이 정도면 원자핵들이 서로 "싫어도" 가까이 있게 되고, 충돌 확률이 엄청 올라가게 된다.
또한 태양의 중심 온도는 약 1,570만 도(K) 에 달하기 때문에 수소 원자는 전자구름을 잃고, 플라스마 상태가 된다. 이 플라스마 상태에서는 양성자(수소 핵)들이 엄청난 속도로 움직이다가 충돌할 수 있는 에너지를 가지게 된다.
지금까지 알려진 사실에 의하면, 태양은 이미 46억 년 동안 핵융합을 해왔고, 앞으로도 50억 년 동안 존재할 것으로 추측된다. 이것은 수소 연료가 엄청 많고 중심부 조건이 안정적이기 때문이다. 지구에서는 반응이 수 나노초~수 초도 안 되게 유지되지만, 태양은 진짜로 거대한 가마솥처럼 반응을 계속 유지할 수 있다.
그러나 지구에서 핵융합을 재현하려면 다음 3가지 조건이(로슨 조건) 필요하다. 1억도 이상의 고온, 충분한 밀도, 오랫동안 반응이 유지되는 시간이다. 이와 같은 조건 지구에서 만들기 위해서 어떤 방법이 있는지 알아보자.
첫째 중력을 대신하여 태양보다 더 높은 에너지로 짧고 강하게 눌러버리는 방법과 초강력 레이저를 한 점에 모아 작은 수소 연료 캡슐을 단숨에 수백억 기압으로 압축하는 기술이다.
레이저 핵융합이란(관성 밀폐 핵융합, ICF)?
레이저 핵융합은 관성 밀폐 핵융합(Inertial Confinement Fusion, ICF)이라는 방식의 일종이다. 여기서는 연료를 아주 짧은 시간 동안 엄청나게 강한 압력과 온도로 짓눌러서 핵융합을 유도한다.
보통 중수소(²H)와 삼중수소(³H)를 혼합한 연료를 아주 작은 구형 캡슐에 넣어 연료 캡슐을 제작한다. 이 캡슐은 머리카락보다 더 얇은 수 마이크로미터 두께의 고정밀 구조다.
그다음에 수십 개의 초고출력 레이저(보통 192개, 예: 미국 NIF)를 자외선(UV) 파장으로 바꾼 뒤, 수 나노초(ns) 간격으로 동시다발적으로 조준하여 연료 캡슐에 발사한다.
캡슐의 표면이 레이저를 맞고 기화되며 플라스마가 되어 바깥으로 날아가고 그 반작용으로 내부는 수백 기가바르(GPa)의 압력으로 짓눌려 중심부가 1억 켈빈 이상으로 가열된다.
이 극한의 온도와 압력 속에서 중수소 + 삼중수소가 융합되며 헬륨 + 중성자 + 에너지가 생성된다. 이 에너지가 다시 주변 연료를 가열해서 불꽃처럼 연쇄반응이 일어나게 된다. 이를 점화(Ignition)라고 한다.
핵융합 실험에서 가장 중요한 목표는 Q > 1이다. 여기서 Q = 출력에너지 / 입력에너지이다. 즉, 레이저를 쏴서 핵융합이 일어났을 때, Q = 1이면 본전, Q > 1이면 이득, Q ≫ 1이면 상용화 가능성 UP이다.
미국의 국립점화시설(NIF, National Ignition Facility)은 2022년 12월 세계 최초로 에너지 이득(Q > 1을 달성했어. 다시 말하면 투입한 에너지 보다 출력된 에너지가 더 많았다는 사실이다. 입력 에너지 약 2.05 MJ이었고, 출력 에너지는 약 3.15 MJ이었다. 에너지 이득이 대략 Q=1.5였다.
이건 인류가 처음으로 레이저 핵융합을 통한 순에너지 이득을 기록한 역사적인 순간이었다. 2023년에는 출력 3.88 MJ까지 기록되었다.
레이져 핵융합은 과학적 난제와 도전 과제
레이저 핵융합은 이론적으로는 단순하고 완벽해 보이지만 실제로는 그렇지 않다. 마치 요리 레시피대로 따라 했는데 맛이 이상한 것과 같은 느낌이이다. 레이저 핵융합에서 가장 큰 문제는 들어간 에너지 > 나온 에너지라는 점이다.
미국의 로렌스 리버모어 국립연구소(NIF)는 2022년에 최초로 연료가 방출한 에너지가 레이저가 넣은 에너지보다 많았다고 발표했다. 과학적 점화(scientific ignition)라고 발표했지만 전체 시스템, 즉 레이저를 충전하는 데 쓰인 전기까지 포함하면 전체적으로는 여전히 들어간 에너지 > 나온 에너지였다.
레이저 핵융합의 핵심은 연료를 완벽한 구형으로, 균일하게 압축해야 한다는 점이다. 그러나 현실은 레이저가 쏘는 방향이 미세하게라도 틀어지면, 연료 캡슐은 찌그러진다. 이런 걸 우리는 비대칭 압축 문제라고 부른다. 이렇게 찌그러지면 내부 온도와 압력이 제대로 오르지 않아서 핵융합이 잘 안 일어난다.
게다가 연료가 압축되면서 표면에서 생기는 레이리-테일러 불안정성(Rayleigh-Taylor Instability) 같은 유체역학적 문제도 있어서, 압축 과정에서 연료가 마구 요동친다.
연료 캡슐은 마치 달걀 껍데기처럼 아주 정교하게 만들어져야 하는데 캡슐의 께, 균일성, 표면 거칠기, 중심 정렬이 완벽해야 먼 한다. 하지만 지금의 기술로는 캡슐 하나하나를 완벽하게 만드는 게 어렵고, 비싸다. 개당 수십만 원, 수백만 원짜리일 수도 있어.
레이저 핵융합은 레이저 빔 하나로는 절대 안 된다. 수십 개, 수백 개의 레이저 빔을 동시에, 정밀하게 조절해야 한다. 또한, 레이저 시스템은 열이 나면 조정이 안 된다. 즉, 반복적으로 핵융합을 일으킬 수 없다. 한 번 쏘고 나면 시스템이 식을 때까지 기다려야 해. 이것을 High repetition rate 문제 라고 한다.
레이저 핵융합에 사용되는 삼중수소(Tritium)는 수소의 방사성 동위원소인데 자연계엔 거의 없다. 직접 만들어야 하고, 그 자체로 방사성이 강해서 취급이 어렵고 위험하다. 그래서 핵융합 안에서 리튬과의 반응으로 만들어지는 걸 재활용하는 기술이 필요한데, 이 기술도 아직 실험 단계이다.
이 모든 걸 맞추기 위해 수십 년간, 수십 조 원의 돈이 들어가고 있다. 미국 NIF, 일본의 Gekko XII, 프랑스의 LMJ 등
각국의 레이저 핵융합 시설은 거대한 실험실일 뿐이다. 아직까지 "상업화"는 먼 미래 이야기다.
레이저 핵융합은 마치 우주의 비밀을 손에 넣을 수 있을 것처럼 보이는 매혹적인 기술이지만, 현실은 극한의 정밀도, 거대한 비용, 초고속 제어 시스템, 비대칭 압축의 물리학, 그리고 불안정한 연료 조달이라는 문제들로 가득하다. 즉,
이론적으로는 가능한데, 지금은 너무 비싸고 어렵다. 이게 레이져 핵융합의 딜레마다.
마무리
레이저 핵융합이란, 인간이 태양의 심장을 지상에 소환하기 위한 레이저 마법이다. 하지만 그 마법은 과학이라는 냉정한 원칙 위에서만 작동한다. 현실적으로 인류의 에너지 문제를 해결하는 핵융합의 한 가지 방법이고, 아직은 실험실 단계에서 머물고 있을 분이다.
그러나 에너지 문제를 해결하기 위해서는 반드시 성공해야 할 임무이다. 아직 상업적인 성공은 못했지만 끊임없는 연구와 탐험을 이어간다면 머지않은 미래에는 이동태 양이 만들어 내는 전기를 환경파괴 없이 쓸 수 있을 것이다.