핵 융합력이 해결책인가?

한 원자 과학자가 ‘에너지’ 수요를 충당하기 위하여 핵 ‘에너지’를 사용하는 데 그 전에 제거되어야 할 장애를 솔직하게 파헤쳐 보여 준다.

의문의 여지 없이, 핵 융합(결합하는 과정)을 조절하는 난제는 관심을 끄는 과제이다. 여러 종류의 융합 반응 중에서 단 한가지, 이를테면 두 개의 중수소 원자가 관련되는 핵융합(44면의 도표 4번)을 실제로 해 낼 수만 있다면 한없는 연료 공급의 길을 열어 줄 수 있을 것이다. 대양을 포함한 세계 전체의 물 분자 중에는 3,000에 하나 꼴로 중수소 원자가 포함되어 있다. 생각해 보라. 물 1‘파인트’(약 0.5‘리터’)에 당신의 가족의 한 달분 전기 사용량인 400‘킬로와트 아우어’를 공급할 만한 잠재력이 있는 것이다. 그리고 현재의 핵 발전소에서 쏟아져 나와 산재되어 가는 핵분열 방사성 생성물 더미를 없애 버릴 수도 있을 것이다. 이렇게 보면, 이것은 ‘에너지’ 문제의 유망한 해결책이 아닌가?

‘사이클로트론’이라는 장치가 이러한 반응을 연구하는 데 사용된다. 그러나 ‘에너지’를 이용할 수 있는 형태로 산출해 내지는 못한다. 수백만의 입자가 반응을 일으킬 정도의 빠른 속도를 내게 하려면 많은 양의 ‘에너지’가 필요하다. 그러나 겨우 몇 개의 입자만이 다른 핵과 충돌하여 ‘에너지’화 한다. 나머지의 모든 입자는 적은 부분으로 ‘에너지’를 방출한 후 폐기물이 되어버린다. 얻어지는 ‘에너지’보다 훨씬 더 많은 ‘에너지’가 실험에 투입된다.

태양의 우수성의 비밀은 내부가 매우 뜨거워서 입자들이 한 번 충돌하고 또 충돌하여 마침내 반응을 일으키게 될 때까지 고도의 속도를 유지할 수 있다는 데에 있다. 그러므로 지구 상에서 실제 사용할 수 있는 융합 과정을 달성하는 것이 왜 그토록 어려운가를 알 수 있을 것이다. 어떠한 방법으로든 우리는 태양의 내부를 약간이나마 모방해야 한다. 그러나 한 통의 수소가 어떻게 하면 반응이 시작될 때까지 수백만 도에 이르기까지 가열되고 압축되어 있을 수 있겠는가? 지금까지 알려져 있는 물질 가운데에는 그렇게 할 수 있는 것이 없다. 고온에서 가장 잘 견딘다는 물질도 몇천 도만 되면 용해되어 기화해 버린다.

사실 과학자들이 지상에서 핵 융합력을 실연(實演)해 보여 주긴 하였으나 그것은 오직 무시무시한 수소 폭탄의 폭발로 행해졌을 뿐이다. 물론 폭탄 내부와 주위의 모든 것들은 극히 짧은 순간에 폭발되어 기화해 버리고 만다. 어떻게 하면 난폭하기 이를 데 없는 이 괴물을 잘 길들여 그 힘을 제어할 수 있는가?

자기 봉쇄(磁氣封鎖) 융합

불가능하게 보이는 경우에도 극복할 수 없을 것 같은 문제들을 타개해 나아가는 길은 있기 마련이다. 바로 자기 절연체를 사용하는 방법이다. 그 방법은 이러하다. 전기 방전으로 수소를 고온이 되게 가열하여 ‘이온’이라 불리우는 상태로 완전히 변화시킨다. 그러면 양전기를 띤 핵과 음전기를 띤 전자만으로 구성된다. 이것이 곧 ‘플라즈마’라 불리우는 상태이다. ‘플라즈마’가 강한 자장(磁場)에 둘러싸이면 하전 입자인 ‘이온’이 일직선으로 움직이지 못하고 촘촘한 나선형 진로를 취하게 된다. 자장의 모양이 올바르게 형성되면 나선형의 이 진로는 용기의 양끝에서 반사되어 “자기 병”(磁氣瓶)이라는 것이 된다.

또 다른 장치로, ‘토루스’(팽창)라고 불리우는 ‘도우넛’ 모양의 자장 안에서 진로가 원형으로 굽어드는 것이다. 그러한 장치에서는 양자와 전자가 금속 용기의 벽에 접촉하지 못하므로 용기는 차가운 채 있지만 이 입자들은 수백만 도까지 가열될 수 있다. 이런 유로 가장 성공적인 장치가 발명자인 ‘러시아’ 과학자의 이름을 따라 ‘토카마크’라고 명명되었다.

아무리 ‘플라즈마’가 자장 내에 제한되어 있다 할지라도 융합 반응이 시작하여 계속될 수 있으려면 세 가지 조건을 만족시켜야 한다. 이 조건들은 온도와 밀도 및 시간이다.

우선 ‘플라즈마’가 점화 온도까지 가열되어야 한다. 최저 온도에서 점화되는 중수소와 삼중수소의 반응 점화 온도는 섭씨 4,600만도 가량이다. ‘플라즈마’는 내부에 전류를 유도하거나 고 ‘에너지’ 원자가 흐르는 광선을 사입(射入)하여 가열시킬 수 있다. 그러나 반사 충돌로 야기되는 ‘에너지’ 손실로 끊임 없이 융합 반응에 역작용을 가한다. 이 작용에서 X광선이 생기며 이것은 쉽사리 자장을 빠져 나간다. 그리하여 ‘플라즈마’ 밖으로 열을 가져가 버린다. ‘플라즈마’가 스스로 반응을 계속해 나아갈 수 있는 한계에 도달하기 위하여 융합으로 생성되는 ‘에너지’가 이 열 손실을 능가할 수 있을 만큼 가열되어야 한다.

둘째로, ‘플라즈마’는 1입방 ‘센티미터’당 100조(10¹⁴) 혹은 그 이상의 입자들이 고밀도로 들어 있도록 압축되어야 한다. 그리고 마침내 이런 조건이 최소한의 충돌이 일어날 동안 지속되어야 한다. 몇초 안에 시간으로 곱해진 그 밀도는 적어도 60조(60 × 10¹²)에 이를 것임에 틀림없다. 이 숫자를 수학적으로 제한 변수라고 한다. 그것은 최대 밀도가, 예를 들어 10분의 1초 동안 유지될 경우 그 밀도가 중수소와 삼중수소간에 스스로 계속되는 융합 반응에 도달하려면 최소 600 × 10¹²이 되어야 한다는 말이다.

‘플라즈마’는 자장을 갑자기 세게 하면 압축될 수 있다. 동시에 이것은 밀도를 크게 하고 그것이 다시 ‘플라즈마’를 가열한다. 그 다음에 자장을 올바르게 형성하고 ‘플라즈마’의 압축 상태를 충분한 시간 동안 유지하면 융합 반응이 일어난다. 낙심천만한 것은 이렇게 하기가 무척 어렵다는 사실이다. ‘플라즈마’는 화가 날 정도로 잘 빠져 달아난다. 자장 중에 약한 곳이 있으면 비집고 들어가 주머니처럼 만들어서 신속히 부풀어 오른다. 마치 껍질없는 내관이 ‘케이스’로 지지받지도 않은 채 팽팽하게 되는 것처럼 한다.

이런 불안 요소들을 극복하려다 실패하기만 한 헛된 노력에 수년의 세월과 수백만 ‘달러’의 돈을 허비했다. 겨우 지난 2년 동안에 몇 가지 실험들로 이 변하기 쉬운 ‘플라즈마’를 길들이려는 굉장한 노력도 마침내는 성공하지 않겠는가 하는 희망을 주었다. ‘매사추세츠’ 공과 대학에 있는 “앨케이터”라는 이름의 ‘토카마크’가 30조의 제한변수를 획득한 것이다. 그러나 온도는 너무 낮아 약 1,000만 도 밖에 되지 않았다. 후에 ‘프린스턴’에서 실시한 실험에서는 그 대학의 대 ‘토루스’(“팽창”)가 최초로 중수소—삼중수소 반응에 불을 붙이기에 충분한 7,500만 도에까지 이르렀다. 그러나 여기서는 제한 변수가 1조를 넘지 못했다. 그리하여 융합 반응의 불꽃은 또 다시 반짝했다가 실제 점화되지도 못한채 사라지고 말았다.

‘에너지’ 장벽의 돌파구를 향한 이러한 근접으로 더욱 대형이며 값비싼, 다음 세대의 ‘토카마크’가 성공을 가져올 것이란 희망에 박차가 가해졌다. 앞으로 이삼년이면 미국 ‘프린스턴’에 하나, ‘유럽’에는 영국 ‘쿨함’에 하나씩 세워질 것이다. 각각 약 3억 ‘달러’가 들 것이다. 이 기계 장비들이 잘 조절되어 융합을 성공적으로 실현한다면, 그 후에 핵물리학자들은 상업적인 융합로(融合爐)의 앞길에 놓여 있는 다른 장애물들을 맞이하게 될 것이다.

아련히 다가서는 문제 중의 하나는 ‘플라즈마’ 내에 그것을 해치는 불순물이 쌓이는 것이다. 위에서 언급한 X광선 손실은 원자 번호가 증가할 수록 커진다. 심지어 기체 상태의 ‘헬륨’ 원소는 수소보다 손실이 8배나 크다. 산소는 더욱 나빠 500배나 된다. 이 말은 필요한 핵 융합력을 산출해 내기 위하여 ‘플리즈마’를 순수하게 유지하는 데 비상한 주의를 기울여야 한다는 뜻이다.

이 모든 문제가 해결되면 핵 융합력 발전소는 어떤 모양이 되겠는가? 지금까지 사용되고 있는 가장 낙관적인 자료에 근거하여 ‘위스컨신’ 주립대학에서 작성한 ‘모델’에서 대답을 얻을 수 있다. ‘도우넛’형의 용기인 ‘토루스’는 높이 27‘미터’, 직경은 44‘미터’가 될 것이다. 그것은 각각 무게 3,500‘톤’이 나가는 ‘파이’ 조각 모양의 열 두 부분으로 구성된다. 수용 건물은 높이 102‘미터’, 직경 120‘미터’로 대략 ‘휴스턴’ 천체 관측관 크기가 될 것이다. 이 거대한 부분들은 가장 엄격한 진공 표준에 맞추어 조립되어야 할 것이다. 그것들을 둘러싸고 있는 거대한 자석은 절대 영도(-273°C)의 4도 이내로 액체 ‘헬륨’과 함께 냉각될 것이다.

그 발전소가 작동되면 핵융합 온도에서 ‘토루스’ 내를 순환하고 있는 중수소와 삼중수소를 충전시킴으로 1,400‘메가와트’를 산출해 낼 것이다. 그러나 90분마다 이 괴물 같은 발전소 전체를 닫고 불순물을 퍼내고 연료를 교체해야 한다. 교류 전류가 하루 15회 주기적으로 닫히는 6분 동안 전기 회로망에 공급되어야 한다. 효용 ‘매니저’가 그렇게 변덕스러운 거인의 인수를 열망하지 않는다고 해도 조금도 이상한 일이 아니다!

‘레이저’ 융합—관성법(慣性法)

융합을 조절할 수 있는 또 한 가지 방법이 비밀리에 개발되었다가 최근에 폭로되었다. 그 방법은 관성법이라 불리운다. 이러한 종류의 장치는 많은 ‘레이저’ 광선을 한 점에서 교차하도록 모든 방향으로부터 대칭적으로 초점에 집중시킨다. 중수소와 삼중수소가 들어있는 현미경적으로 미세한 유리공을 수렴점을 통하여 떨어뜨린다. 그것이 정확히 자리잡으면 ‘레이저’ 광선이 발사된다. 그 모든 광선이 동시에 그 구면(球面)을 쳐서 10억분의 1초 동안 수백만 ‘킬로와트’의 출력으로 소구(小球)를 가열시킨다. 갑작스런 가열로 소구가 기화되고 바깥의 유리 껍질이 폭발하면서 ‘가스’를 안으로 밀어 넣어 내부 폭발이 일어나게 한다. 이것은 즉시 1,000만 도 정도로 그 연료를 가열시켜 ‘가스’는 평상시 밀도의 200배가 된다. 온도가 점화 온도보다 상당히 낮더라도 융합의 어떤 과정은 일으킬 수 있다. 몇 가지 실험을 해 본 결과 1,000만개나 되는 중성자가 형성되었다. 거의 즉각적으로 결합시키는 힘이 없어지므로 물체는 폭발하여 사라진다. 융합 반응은 그 질량의 관성이 수소 원자를 결합시켜 주는 동안만 지속된다. 강한 압력으로 물체가 폭발되어 흩어지면 그 반응도 멈추어진다.

이 방법은 초기 개발에 있어서 어떤 면으로는 자기 봉쇄법보다 더 유망하다. 그러나 현재의 성공 단계는 그 생각이 과학적으로 타당하다는 것을 증명한 데 불과하다. 실험중에 생성되는 ‘에너지’보다 ‘레이저’ 광선에 동력을 공급하는 데 수천 배 더 많은 ‘에너지’가 들어간다. 더욱 강력한 ‘레이저’ 광선과 더 높은 온도로 융합은 보다 효율적이 될 것이다. 현재 가장 강력한 ‘레이저’ 광선의 10배 내지 100배는 되어야 작동시키는 데 필요한 충분한 ‘에너지’를 산출해 낼 수 있다.

‘에너지’ 타개 문제는 비용을 타개하는 문제와는 거리가 멀다. 필요한 동력을 낼 수 있는 ‘레이저’ 광선이 개발된다 해도 한 개의 소구에서는 소량의 ‘에너지’ 밖에 나오지 않는다. 유효한 동력을 얻으려면 소구들이 목표 지점을 지나 일정한 수가 떨어지는 동안 매분 수백 번 혹은 수천 번 ‘레이저’가 발사되어야 한다. ‘레이저’ 광선 발생기의 수명을 실용적인 것으로 연장하고 수백만 개의 소구를 적당한 가격으로 제조해 내는 데 주된 노력이 기울여져야 할 것이다.

융합: 오염시키는가 혹은 순수한가?

두 가지 방법 모두에 찬 물을 끼얹는 문제의 하나는 방사능 오염이다. 이것은 때때로 핵 분열력이 듣고 있는 이 저주스런 비난을 핵 융합력은 피할 수 있을 것이라는 주장에도 불구하고 사실이다. 어떤 융합 반응(4, 5번)은 수소의 방사능 동위 원소인 삼중수소와 관련되어 있다. 이런 반응에서는 중성자들이 함께 생성되어 이것이 주위의 물체로 새어 들어가 방사능을 띄게 한다. 융합 반응 도표를 들여다 보면 태양 내에서의 반응은 “순수”함을 알 수 있다. 어떠한 방사능과도 관련이 없다. 그러나 나머지 다른 반응 중에서 방사능과 무관한 오직 하나의 반응(6번)은 중수소와 ‘헬륨’-3사이의 반응이다. 불행히도 이 순수한 반응들은 모두 매우 높은 점화 온도를 요한다.

중수소-삼중수소 반응(5번)이 점화 온도가 최저이기 때문에 현재 진행되는 연구에서는 이 반응만 사용되고 있으며 최초의 융합력 발전소에서도 사용될 것이다. 이것은 ‘우라늄’ 핵 분열에서보다 단위 ‘에너지’당 훨씬 더 많은, 막대한 양의 중성자를 생성한다. 그 중성자들은 원자로 내부와 주위에 있는 모든 것에 강력한 방사능을 띄게 할 것이다. 따라서 수선하거나 대체하는 일이 필요할 때 원자로를 다루거나 처리하는 것은 위험한 업무가 될 것이다.

중성자들이 제자리에 있지 않는 원자들과 충돌하므로 방사능 피해 이상으로 원자로 주위의 금속 피(皮)가 손상을 받는다. 이것이 그 물체를 약화시켜, 예를 들면 자기로(磁氣爐)의 ‘도우넛’ 모양의 부분들은 2년 내지 5년 밖에 지탱하지 못할 것이다. 무게가 3,500‘톤’이며 9층짜리 건물 높이로 우뚝 솟은 이 거대한 방사성 건물을 발전소 바깥으로 움직여 처리한다는 것은 무시무시한 도전이다. 핵융합력 발전소에서 나오는 방사능 폐기물의 태반은 현재의 핵 발전소에서 나오는 것보다 더 심할 것이다.

또 한 가지 자주 간과되는 것은 삼중수소 자체가 방사성이라는 점이다. 삼중수소는 대기 중에서 저소량이 발견되며 우주선(線)에 의한 반응으로 생성된다. 단위량(‘퀴리’)에 대한 단위량을 따지면 옥소나 ‘스트론튬’과 같은 핵분열 생성물만큼 위험하지는 않으나 핵융합 발전소에서 필요로 하는 양은 수억의 ‘퀴리’에 이를 것이다. 소량의 누출은 불가피하다. 매일 10‘퀴리’라는 적은 양의 선으로 유지될 것이다. 그러나 어쩌다 사고라도 생겨 누출될 경우—결국 수소는 공기와 혼합되면 폭발하는데—물의 형태로 결합해서 전세계에 살포되어 도저히 돌이킬 수 없게 된다. 단 하나의 발전소에서 손실되는 삼중수소량으로도 지구 대기의 농도를 1,000‘퍼센트’나 증가시킬 수 있다.

미국에서는 주기적으로 핵 융합력의 새 진전에 대해 보도되는 낙관적인 소식을 들을 수 있다. 이런 소식은 보통 그 연구를 확장하기 위하여 매년 의회에 더 많은 돈을 요청할 때 들리는 것 같다. 그러나 현재 인지되고 있는 장애들이 모두 제거된다 하더라도 경제성있는 핵 융합력이란 멀고 먼 장래사인 것이 냉엄한 현실이다. ‘에드워드 텔러’는 ‘레이저’ 융합에 의한 실용적 동력은 아직도 두 세대 이후의 일이라고 말한 바 있다.

핵 융합력에 의한 무한한 ‘에너지’

실제로 어떤 사람이 핵 ‘에너지’ 발전소를 머리 속에 그려 본다면 아마도 이와 같을 것이다. 먼저 중력을 이용하여 결속할 수 있을 만큼 수소를 취한다. 그렇게 하면 봉쇄 문제는 모두 해결된다. 이 수소 소구를 중력으로 압축하면 핵 융합 반응이 점화될 수 있을 정도로 온도와 밀도가 증가할 것이다. 중력과 내부 압력간에 균형이 생기므로 반응 속도를 자동적으로 조절하여 너무 낮은 상태에서 타 버리지 않으며 조절력을 상실하지도 않을 것이다.

방사선을 내부에 가두어 두기 위해 공들여 방어벽을 짓는 것이 아니라 단순히 이 원자로를 말하자면 억 ‘마일’ 가량의 적당한 거리에 두어 안정선까지 그 위험도를 경감시킬 수 있다. ‘에너지’를 송선으로 우리에게 보내는 것보다는 복사(輻射) ‘에너지’인 열과 빛의 형태로 직접 보내 줄 수 있을 것이다. 그리고 마지막으로 원자로에서 나와 떠다니는 중성자나 양자들로부터 우리 자신을 보호하기 위해 우리 주위에 약한 자장을 걸어 두기만 하면 그 입자들이 비껴 나가 공기층에 흡수되어 버린다.

독자들은 물론 이런 종류의 원자로가 바로 우리 창조주께서 우리에게 주신 태양 내에 있는 것임을 깨달을 것이다. 모든 ‘에너지’의 근원이시며 현명하신 창조주께서 틀림없는 무한한 ‘에너지’ 자원을 우리에게 주셨으니 얼마나 감사한 일인가! 그리고 이것은 사용할 수 있도록 바로 우리 손에 주어지고 있다. 또한 월 계산서로 사용료가 청구되지도 않는다.

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‘융합 반응 발전소가 작동하게 되면 90분 마다 괴물같은 발전소 전체를 닫고 불순물을 퍼내고 연료를 교체해야 할 것이다.’

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“현재 인지되고 있는 장애들이 모두 제거된다 하더라도 경제성있는 핵 융합력이란 멀고 먼 장래사인 것이 냉엄한 현실이다.”