노벨상의 노다지, 초전도체(11) : 인공태양(II)

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<인공 태양 만들기>

작가들의 상상력이 끊임없는 것처럼 과학자들의 상상력도 끝이 없다. 옥터퍼스 박사가 개발한 소형 인공태양이 아니라 『해리포터』에서 등장한 여러 개의 태양을 실제로 만들수있을지도 모른다는 것이다. 인류가 지구상에 태어난 이래 가장 획기적인 발명은 불이다. 처음에 발견된 불은 화학작용에 의한 것이지만 이어서 전기에 의한 불이 발명되었고 20세기에 들어와 ‘제3의 불’이라는 핵분열 연쇄반응에 의한 원자력이 태어났다. 핵분열 반응은 우라늄과 같은 무거운 방사능 동위원소들이 세슘과 같은 가벼운 원소의 핵과 중성자로 분리되는 현상을 말하는데 이 반응을 연쇄적으로 일으키면 핵폭탄이 되고 일정 단계로 제어해서 응용하는 것이 핵발전소이다.

사상 최강 핵폭탄 차르봄바 출처 : 주간조선(http://weekly.chosun.com)

반면에 ‘제4의 불’은 핵융합 에너지를 이용하는 것이다. 핵융합 에너지는 핵분열 반응과는 정반대되는 물리적 현상으로 태양을 비롯한 모든 항성(별)들이 방출하는 빛과 열의 근원을 이루는 에너지다. 핵융합은 수소와 같이 가벼운 원소들의 핵들이 서로 결합하여 헬륨과 같이 좀 더 무거운 원소의 핵을 형성하는 물리현상을 말한다. 수소폭탄은 이 반응에 나오는 엄청난 에너지를 이용하는 것이다.

그런데 놀랍게도 수소폭탄을 적절하게 제어할 수 있다면 제2태양, 제3태양을 만드는 것도 불가능한 것이 아니라는 주장이다. 방법은 간단하다. 태양처럼 뜨거운 ‘플라즈마’가 용기에 닿지 않고 떠있는 상태를 만들면 가능할지 모른다는 내용이다. 전류가 흐르면 그를 둘러싼 둥근 자장이 생긴다는 ‘로렌쯔의 힘’이란 물리법칙을 이용하는 것이다. 가만히 두면 확산해서 퍼져나가는 가스를 확산을 방해하는 자장으로 묶어둔다는 아이디어다. 태양이 퍼져 나가려는 가스를 중력에 의하여 묶어서 허공에 뜬 불덩이를 만들 듯 ‘자장제어법(Magnetic Confinement)’으로 알려진 원리를 이용하여 용기의 벽에 닿지 않고 허공에 떠 있는 불덩이를 만들면 적어도 미니 인공 태양을 만들 수 있다는 것이다. 반면에 「스파이더맨」에서 옥토퍼스 박사가 인공태양을 간단하게 만든다.

『해리포터』의 태양이든 「스파이더맨」 태양이든 이들이 지구상에 아직도 태어나지 못한 것은 지구인들의 기술이 미흡하기 때문이다. 자석의 같은 극처럼 서로 반발하는 중수소와 삼중수소의 원자핵을 합체시키려면 1억도 이상의 고온이 필요하다. 1억 도가 되면 고체-액체-기체 외에 제4의 물질상태인 플라스마 상태를 만들어지면서 태양 내부에서처럼 원자핵과 원자핵이 부딪쳐서 핵융합이 일어날 수 있게 된다.

일반적으로 물질에는 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태가 있다고 설명한다. 온도가 낮아지면 물이 얼어서 얼음이 되고, 반대로 온도가 높아지면 수증기로 변하듯이, 모든 물질들은 반드시 이러한 3가지 상태 중 하나로만 존재한다고 생각한다. 그러나 이런 3가지 상태가 아닌 다른 상태가 있는데 '제 4의 물질상태'라 일컬어지는 플라즈마(Plasma)가 바로 그것이다. 태양의 중심부는 약 1,600 만도, 30억 기압의 고온, 고압의 플라즈마 상태로 되어 있어 태양에서의 핵융합 반응은 태양 중심부에서 일어나고 있다.

플라즈마 (Plasma) 볼

플라즈마란 매우 높은 온도 등에서 이온이나 전자, 양성자와 같이 전하를 띤 입자들이 기체처럼 섞여있는 상태를 말하며, 중성의 원자나 분자들로만 이루어진 보통의 기체와는 전혀 다른 성질을 지닌다. 원래 플라즈마란 ‘주조되어 만들어진 물건’이란 뜻의 그리스어로 19세기 생물학이나 의학에서 사용되는 단어였다. 즉 생물학에서는 원형질이나 세포질을 말하며 의학에서는 혈장이나 림프액을 의미한다.

어빙 랭뮤어(1881~1957)

아크등의 장전 현상에 관해 연구하던 랭뮤어(Irving Langmuir, 1881〜1957)가 1928년 전자와 이온이 분리된 상태로 균일하게 존재하는 물질을 플라즈마라고 불렀다. 일반적으로 고체 상태의 물질에 열을 가하며 액체 상태를 거쳐 기체 상태로 변한다. 여기에 더욱 에너지를 가해주면 원자나 분자에서 전자가 분리되어 전자(음이온)과 양이온들이 독립적으로 존재하면서 전기적으로 중성인 플라즈마 상태가 된다. 이때 원자가 원자핵(양이온)과 전자로 분리되는 상태를 전리현상이라고 한다. 그러므로 플라즈마란 매우 높은 온도에서 이온이나 전자, 양성자와 같이 전하를 띤 입자들이 기체처럼 섞여있는 상태를 말하며, 중성의 원자나 분자들로만 이루어진 보통의 기체와는 전혀 다른 성질을 지닌다.

플라즈마는 기체의 특별한 상태로 볼 수도 있으므로 네 가지의 물질 상태 중에서 가장 적을 것이라고 생각하기 쉬우나, 실상은 정 반대이다. 태양계 총 질량의 99% 이상을 차지하는 태양이 플라즈마로 구성되어있을 뿐만 아니라, 우주 전체를 놓고 보면 우리에게 익숙한 기체, 액체, 고체 상태는 모두 합쳐도 0.01%도 되지 않는다.

플라즈마가 현대 과학계에서 각광받는 것은 점점 고갈되어 가는 화석에너지를 대체할 핵융합 발전이 가능할지 모른다는 것이다. 원리는 간단하다. 수소 원자핵 등으로 섭씨 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들면 되기 때문이다. 한마디로 「스파이더맨」에서 옥터퍼스 박사가 발명한 인공태양을 실용화하는 것이다. 인공태양으로 지구인들이 활용하는 에너지를 만들 수 있지만 이들을 정말로 소형으로 만들 수 있다면 고온의 플라즈마를 고속으로 분출하는 '플라즈마 엔진'을 우주선에 탑재하여 훨씬 적은 양의 연료로 기존 우주선보다 10배나 빠른 속도를 낼 수 있다.

학자들이 플라즈마에 촉각을 세우는 것은 플라즈마가 우주선 속도를 올리는 등 ‘거대 과학기술’ 분야에만 국한되지 않는다는 점이다. 우리 주변의 일상생활 곳곳에서도 플라즈마 관련 기술이 적용되고 있는데, 대표적인 것이 PDP(Plasma Display Panel) 텔레비전이다. 

큰 화면에도 불구하고 두께는 매우 얇아서 벽걸이 텔레비전에 적합한 PDP는 형광등과 비슷한 원리로서, 플라즈마에서 나오는 자외선을 이용하여 화면을 구현한다. 즉 일정한 간격으로 배치된 아주 작은 유리관에 가스를 채워 넣고 앞뒤로 전극과 형광물질을 배치한 후, 전극에 전압을 가하면 가스가 플라즈마 상태로 바뀌면서 자외선이 발생하고, 이것이 각각의 형광물질을 자극하여 사람의 눈으로 볼 수 있는 빨강, 파랑, 녹색의 가시광선을 낸다. 작은 픽셀들로 이루어진 3원색을 적절히 조합하여 자연색 등을 구현하는 것은 다른 컬러 디스플레이 수단과 마찬가지이다. 

자연에 존재하는 대표적인 플라즈마가 번개와 오로라이다. 공기 중에는 우주선의 전리 작용에 의해 원자로부터 전자가 튀어 나온 하전입자들이 포함되어 있다. 이런 상태에서 강한 전압이 걸리면 전자들이 양극 쪽으로 이동하면서 공기 중의 기체를 이온화시키는데 이때 전자들이 급격하게 만들어지면서 실처럼 가느다란 형태를 띠게 되는데 이것이 바로 플라즈마 상태의 번개이다.

또한 플라즈마는 커다란 골칫거리인 각종 환경문제를 해결하는 데에도 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 고압전류에 의해 플라즈마에서 발생하는 오존은 악취성분을 분해하는 능력이 뛰어나서 에어컨, 공기청정기, 탈취제 등으로도 이미 활용되고 있으며 자동차의 배기가스를 줄이는 데에도 이용될 수 있다. 쓰레기 소각장에서는 다이옥신 등의 각종 발암물질과 유해가스가 뿜어져 나오는데, 플라즈마 토치로 독가스를 완전 분해할 수 있다. 학자들은 보다 저렴한 비용으로 ‘저온 플라즈마’를 대량 만들 수 있게 된다면, 환경문제의 개선에 획기적인 기여를 할 수 있을 것으로 전망한다.

 

과학자들이 인공 태양 즉 핵융합 개발에 경주하는 이유는 여러 가지이다. 첫째는 원료가 무궁무진하다는 점이다. 바닷물 속에는 핵융합 반응 물질인 중수소가 대량으로 들어 있는데 이 에너지양은 인류가 100억 년 이상 사용하고도 남을 분량이다. 석유, 석탄, 천연가스 등 화석연료 및 원자력발전에 쓰이는 우라늄 등 에너지 부존자원은 궁극적으로 고갈됨이 분명하지만 핵융합은 바닷물이 지구상에 존재하는 한 원료 걱정은 하지 않아도 된다. 둘째는 핵융합 반응의 부산물이므로 공해가 전혀 없다는 점이다. 핵융합에 발생되는 물질은 방사능 물질이 아니라 해가 없는 헬륨기체 뿐으로 지구 환경보존 차원에서도 유용하다.

핵융합 즉 태양 모사가 궁극적인 인간의 에너지 해결안이 될 수 있다고 생각되자 과학자들은 이를 상상으로만 생각하지 않고 실제 만들 수 있는 방안을 강구하기 시작했다. 앞 단원에서 핵융합에 3가지 방법이 있는데 학자들은 지구상에서 구현할 수 있는 가장 유력한 핵융합 과정으로 제1세대인 중수소(Deutrium)와 삼중수소(Tritium)를 활용하는 DT핵융합 반응에 집중했다.

중수소와 삼중수소는 수소의 동위원소로, 중수소(D)는 양성자와 중성자(n), 삼중수소(T)는 양성자와 중성자 2개로 구성된다. 중수소는 물을 구성하는 수소 중 약 1/6700의 비율로 존재한다. 지구에는 충분한 물이 존재하므로 중수소의 확보에는 문제가 없다. 반면 삼중수소는 지구상에 자연 상태에서는 존재하지 않지만 지구상에 매우 풍부한 리튬(Li)으로부터 생산할 수 있다.

DT 핵융합 반응에 의해 생성되는 에너지의 20%는 헬륨원자핵(4He)의 에너지, 80%는 중성자(n)의 에너지로 방출된다. 그러므로 핵융합 발전의 기본 원리는 핵융합 반응에 의해 생성되는 열에너지 및 중성자가 전달하는 핵융합 에너지를 이용하는 것이라고 볼 수 있다.

원리는 알려졌지만 아직도 핵융합 기술 자체가 등장하지 못하는 것은 DT핵융합 반응을 일으키려면, 중수소와 삼중수소를 플라즈마 상태로 만들어 1억도 이상의 고온으로 가열해야 한다는 점이다. 실무적인 면에서 이들을 활용하려면 고온의 플라스마를 어딘가에 담아두어야 하는데, 태양은 허공에 떠있으므로 아무리 온도가 높아도 문제가 없지만 지상에서 수천만 도가 되는 ‘플라즈마’를 가두어 둘 용기가 필요하다는데 심각성이 있다. 어떤 물질이든 수천만 도가 되면 녹아버린다는 것을 모르는 사람들은 없을 것이다.