핵분열과 핵융합의 원리 차이

원자력 발전과 태양 에너지, 서로 반대 방향인 두 핵반응의 원리를 알아보세요.

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우라늄이나 플루토늄처럼 무거운 원자핵이 중성자를 흡수한 뒤 두 개의 가벼운 원자핵으로 쪼개지는 반응입니다.

핵이 쪼개질 때 원래 원자핵보다 가벼운 원자핵 두 개와 함께 몇 개의 중성자, 그리고 많은 에너지가 함께 방출됩니다.

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핵분열 때 튀어나온 중성자가 다시 다른 원자핵을 쪼개면서 반응이 스스로 이어지는 것을 연쇄반응이라고 합니다.

이 연쇄반응의 속도를 통제봉 등으로 천천히 조절하면 원자력 발전에, 순식간에 폭발적으로 일어나게 하면 원자폭탄에 활용되는 원리입니다.

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수소처럼 가벼운 원자핵 두 개가 하나로 합쳐져 헬륨처럼 더 무거운 원자핵이 되는 반응입니다.

핵분열과 정반대 방향의 반응으로, 두 원자핵을 결합시키려면 원자핵 사이의 강한 반발력을 이겨낼 만큼 엄청난 고온·고압 환경이 필요합니다.

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태양 중심부에서는 수소 원자핵 네 개가 융합해 헬륨 원자핵 한 개가 되는 핵융합 반응이 끊임없이 일어나고 있습니다.

이렇게 만들어진 헬륨 원자핵은 원래 수소 원자핵들을 합친 것보다 질량이 아주 조금 더 가벼운데, 이 줄어든 질량이 막대한 에너지로 바뀌어 태양의 빛과 열로 우주 공간에 퍼져나갑니다.

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핵분열과 핵융합 모두 반응 전후 아주 작은 질량 차이가 발생하고, 그 질량이 아인슈타인의 질량-에너지 등가 공식에 따라 에너지로 바뀝니다.

질량(m)에 빛의 속도(c)의 제곱을 곱한 만큼의 에너지(E)가 나온다는 이 공식 덕분에, 아주 작은 질량 변화만으로도 어마어마한 에너지를 설명할 수 있습니다.

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핵분열은 이미 전 세계 원자력 발전소에서 상용화되어 있지만, 핵융합은 아직 상용 발전에 성공한 사례가 없습니다.

핵융합을 일으키려면 태양 내부에 맞먹는 초고온·초고압 상태를 인공적으로 오래 유지해야 하는데, 이 조건을 경제적으로 지속시키는 기술이 아직 개발 중이기 때문입니다.

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여러 나라가 공동으로 참여해 상용 핵융합 발전의 가능성을 검증하는 국제핵융합실험로(ITER) 같은 대형 실험 시설을 짓고 있습니다.

핵융합 발전이 실현되면 원료인 수소를 구하기 쉽고 고준위 방사성 폐기물 문제도 핵분열보다 적을 것으로 기대되어, "꿈의 에너지"로 불리며 많은 나라가 연구에 투자하고 있습니다.

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핵분열 발전은 오랜 기간 관리가 필요한 고준위 방사성 폐기물을 남기는 반면, 핵융합 반응은 상대적으로 방사성 폐기물이 훨씬 적을 것으로 알려져 있습니다.

다만 핵융합로를 이루는 구조물 자체가 중성자에 노출되며 방사화되는 문제는 남아 있어, 핵융합 역시 폐기물 관리 방안에 대한 연구가 함께 진행되고 있습니다.

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핵분열과 핵융합 중 어느 쪽이 더 위험한가요?

단순 비교는 어렵습니다. 핵분열 발전은 이미 오랜 기간 상용화되어 안전 기준과 관리 체계가 잘 갖춰져 있지만 고준위 방사성 폐기물 관리가 숙제로 남아 있고, 핵융합은 폭주 반응 위험은 낮다고 알려져 있으나 아직 상용화 이전의 실험 단계입니다.

수소폭탄은 핵분열인가요, 핵융합인가요?

수소폭탄(열핵무기)은 먼저 핵분열 반응으로 초고온·초고압 환경을 만든 뒤, 그 힘으로 핵융합 반응을 일으키는 방식이어서 두 반응이 함께 사용됩니다.