핵융합

• 核融合, nuclear fusion

개요

서로 다른 두 개의 원자핵이 합쳐지면서 원래의 두 원자핵보다 무거운 새로운 원소의 원자핵이 만들어지면서 이 과정에서 에너지를 방출하거나 흡수하는 것을 의미한다. 일반적으로 철이나 니켈까지의 금속 이전에는 핵융합을 하면 에너지를 방출하며, 그보다 더 무거운 원소인 경우 핵융합 과정에서 에너지를 흡수하기 때문에 일반적인 방식의 핵융합으로는 원소의 생성이 일어나지 않는다.

핵융합의 발생 조건

태양과 비슷하거나 그보다 작은 항성에서 이루어지는 수소와 수소의 핵융합을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

• 수소 원자가 두 개 던져졌다. 수소 원자는 양성자 하나와 전자 하나로 구성되었으니, 양성자 두 개와 전자 두 개라는 재료가 주어진 셈이다.
• 여튼 주어진 재료를 있는 힘껏 충돌시킨다. 여기에 필요한 에너지는 항성을 구성하는 물질을 압축하고 가열하는 중력에서 얻는다.
• 전자기력에 의해 척력만 받는 전자와는 달리, 양성자들은 강한 힘으로 억지로 붙이면 강력으로 서로 끌어당긴다. 하지만 양성자 두 개는 불안정하다. 고로 안정화되어야한다.
• 얘네들이 서로 갖다박을 때, 일정량의 에너지를 갖고있다. 그 중 일부를 양성자 하나가 흡수한다. 이제 양성자는 양전자와 중성미자를 뱉어내면서 더 무거운 중성자가 된다.
• 중성미자는 그대로 멀리 날아간다. 이 중성미자가 얼마만큼의 에너지를 낸다.
• +전하를 띤 양전자는 주어진 두 개의 전자 중 하나와 합쳐진다. 그런데 양전자는 반물질이다. 고로 전자와 양전자가 충돌하여 전자 두 개 분량의 에너지를 내면서 사라진다.
• 결국 나온건 양성자 하나와 중성자 하나와 전자 하나. 그리고 어느 정도 에너지를 갖고 튀어나간 중성미자와, 전자와 양전자가 충돌하면서 방출한 에너지.

간단히 말해 원자핵이 가진 위치에너지가 열에너지로 전환된다. 이 과정에서 당연히 계의 질량-에너지는 보존되며 엔트로피는 증가한다.

반대로 철보다 무거운 원자핵들은 척력을 이기는 것 뿐만이 아니라 융합 과정에서 소모하는 에너지까지 공급해줘야 하므로 더더욱 많은 에너지를 투입해야만 한다. 전기먹는 하마인 입자가속기로 무거운 방사성 동위원소를 만드는 것을 생각해보자. 그리고 그런 무거운 원자핵들은 나눌 때 에너지가 더 많이 나온다. 우라늄이 쪼개지면서 에너지를 방출하는 것을 생각해보자. 이게 핵분열이다. 우주에서도 일반적인 항성에서는 철보다 무거운 입자는 융합하지 못한다. 융합되는 경우는 초신성 폭발과 같이 극한의 에너지가 한번에 공급되는 경우로 여겨지는 것이 사실상의 정설로 받아들여지고 있다.

원소의 생성 과정

이와 관련한 내용은 항성의 핵융합에서 볼 수 있습니다.

핵융합을 볼 수 있는 곳

물론 당신이 직접 핵융합을 맨눈으로 코앞에서 보는 것은 불가능하다. 뭐... 보더라도 다시 이렇게 위키질을 할 수 있을 지 의문이지만(...) 지구상에서는 수소폭탄이 이 핵융합을 이용하며, 우주 전체로 확대해 보면 항성의 중심부에서 이 핵융합이 일어난다.