화학반응, 핵분열 반응, 그리고 핵융합반응의 차이

 

 

화학반응, 핵분열 반응, 그리고 핵융합 반응의 차이

 

 

태양을 보면 알 수 있는 것처럼, '핵융합' 반응은 방대한 에너지를 방출할 수 있다. 그러나 우리들 주변에서 열을 만드는 반응이라면 거의 모든 것이 '화학 반응' 이며, 예외라고 할 수 있는 것은 원자력 발전소의 연료속에서 일어나고 있는 '핵분열 반응' 이다.

 

화학 반응이란 원자나 분자가 붙거나 떨어지거나 하는 반응이다. 이 경우 원자핵에는 어떤 변화도 없다.  한편 핵분열 반응이란 원자핵이 둘 이상의 작은 원자핵으로 갈라지는 반응이다. 이때 '반응 후 생성물의 질량 합계'는 '반응 전 물질의 질량' 보다 작다. 그 질량 차가 에너지로 변환되어 방출되는 것이므로 화학 반응보다도 매우 큰 에너지가 발생하는 것이다. 

 

원자력 발전의 연료인 핵분열성 우라늄(원자량이 235인 '우라늄 235') 1g은 석유 약 1.8t, 대략 탱크로리 4분의 1대 분에 해당하는 에너지를 낸다.

 

또 우라늄은 핵분열을 일으키면 동시에 2개 가량의 중성자를 방출한다. 이 중성자가 가까운 우라늄 원자핵에 흡수되면 그 우라늄도 핵분열을 일으킨다. 이로써 연쇄적으로 핵분열 반응이 일어나는 것이 우라늄에 의한 핵분열 반응의 특징이다. 핵분열성 우라늄의 덩어리가 일정량 이상 있다면 핵분열 반응은 제멋대로 진행되어 나갈 것이다.

 

핵융합은 핵분열에서와 같이 연쇄 반응은 일으키지 않는다.

핵융합 반응은 원자핵끼리 충돌하고 합체하여 더욱 큰 원자핵을 만드는 반응이다. 그리고 핵분열 반응과 마찬가지로 핵융합 반응의 전후에서도 질량의 감소가 일어난다. 예를 들면 장래의 핵융합로 연료가 될 중수소와 삼중수소의 핵융합 반응 전후에서의 질량 감소량은 연료 1g에 대하여 비교하면 우라늄 핵분열 반응의 경우보다도 크다. 

 

그래서 발생하는 에너지도 핵분열의 경우보다도 커지는 것이다. 핵융합 발전의 연료인 '중수소+ 삼중수소' 1g은 놀랍게도 석유 8t(대략 탱크로리 1대분)에 해당하는 에너지를 낸다.또 중수소와 삼중수소의 핵융합 반응에서도 '여분의 것' 으로 중성자가 발생한다. 

 

그러나 이 중성자는 우라늄 핵분열 반응의 경우와는 달리 핵융합의 연쇄 반응을 일으키거나 하지 않는다. 그냥 두어도 연쇄적으로 반응이 진행되는 핵분열과는 달리 핵융합은 1억°C의 고온을 유지하지 않으면 반응이 계속되지 않는 극히일어나기 어려운 현상이다.

 

 

 

 

핵융합의 연료는 바닷물에서 얻는다

장래의 핵융합로에서 연료가 되는 것은 중수소와 삼중수소이다. 이들은 모두 수소의 동위 원소이며, 중수소는 수소 중의 약 0.015% 를 차지한다. 결국 중수소는 물에서 얻을수 있다. 한편 삼중수소는 천연적으로는 거의 존재하지 않는다. 그러나 지각이나 바닷물중에 풍부하게 포함되어 있는 리튬이 핵융합로 안에서 핵변환되면 삼중수소를 얻을수 있다.

 

 

 

3가지 반응의 차이

화학 반응에서는 반응 전후에 원자핵이 변화하지 않는다. 한편 핵분열 반응과 핵융합 반응에서는 원자핵에 변화가 일어난다.나아가 두 반응에서는 반응에 관여한 원자핵의 질량을 합하면, 반응 전보다 반응 후가 가벼워진다. 이 질량 감소분이 에너지로변환하여 막대한 에너지를 발생시키는 것이다.

 

 

 

 

화학 반응

위는 탄소와 한소의 화학반응(산화 반응)이다. 탄소 원자와 산소 분자가 붙어 이산화탄소가 되지만, 그 반응의 전후에 질량의 변화는 없다. 또 어느 원자핵에도 변화는 없다.

화학반응의 모습

 

 

 

 

 

핵분열 반응

위는 원자력 발전소의 연료에서 일어나고 있는 우라늄 235의 핵분열 반응이다. 우라늄 235의 원자핵은 중성자를 흡수하여 분열하고,중성자를 2개 가량 방출한다. 이 중성자가 다른 우라늄 235에 흡수되면 다시 분열이 일어나고 연쇄적으로 반응이 진행된다.핵분열 반응의 전후에서는 질량의 감소가 있으며, 그 감소된 질량이 에너지로 변환되기 때문에 화학 반응에 비하여 큰 에너지가방출된다.

핵분열 반응의 모습

 

 

 

 

 

핵융합 반응

위는 핵융합로에서 연료로 사용될 중수소와 삼중수소의 핵융합 반응이다. 핵융합 반응 후에는 헬륨 원자핵과 중성자가 발생한다. 이 반응의 전후에서는 질량 감소가 생기고 있다. 열료 1g당으로 비교하면 우라늄 235를 사용한 핵분열 반응보다 질량의 감소량이 크므로 더욱 큰 에너지가 나온다.

핵융합 반응의 모습