노벨상의 노다지, 초전도체(14) : 저온핵융합(II)

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<세계가 경악한 저온핵융합>

상온에서 절대로 불가능하다고 생각했던 꿈의 에너지가 실용가능하다고 발표되자 그야말로 순식간에 전 세계가 경악했다. 대다수의 물리학자들은 다소 의심스러운 반응을 보이면서도 물리 분야가 아니라 화학 분야이므로 모른다며 그럴 가능성도 있을지 모른다고 조심스럽게 대답했다.

조그마한 실험실 안에서 핵융합이 가능하다면 자동차 엔진을 위해서도 가능하다는 설명도 된다. 자동차 공업에 일대 혁신을 가져올 발명자에게 미국 의회에서 가만히 있을 리 없었다.

그들의 성공 소식이 알려지자마자 의회는 이들에게 즉시 32만 2천 달러를 기부했다. 폰스 교수가 소속한 유타대학의 유타 주는 재빨리 500만 달러를 투자했다. <세계핵융합센터>를 건립하기 위한 법안도 마련되었다.

물론 일부 학자들로부터 조심스러운 의견들은 제시되었다. 발견된 중성자와 삼중수소핵의 양이 너무나 적다는 것이다. 그런데 신중하기로 유명한 독일 뮌헨대학에서 ‘팔라듐 속에 핵융합에 필요한 중수소를 충분히 농축시키는 것이 불가능하지는 않은 것 같다’라는 내용이 발표되자 이런 지적은 곧바로 사라졌다.

단 몇 볼트의 전기와 중수, 금속전극 두 개만 갖고 태양열과 같은 엄청난 에너지를 만들 수 있다는 이들에게 남은 것은 재현성이었다. 많은 세기적인 발명이 재현성 실험에서 실패하여 사기꾼으로 치부되며 낙마하기 일수였다.

그런데 두 교수는 자신들이 실험한 자료를 공개하는 데 인색하지 않았다.

사실 이 문제는 특허권이 걸려있기 때문에 매우 미묘한 사항이었지만 그들은 자신들의 실험을 믿어 의심하지 않았기 때문에 공개했다고 설명되었다. 특허권의 문제가 제기될 때 출원시기가 중요하지만 이들과 같이 원천적인 기술로 증명되는 경우 추후에 제출해도 공표되는 순간 특허로 인정받을 수도 있기 때문에 그들은 유타대학 자연과학연구소에서 어떠한 정보도 누설하지 않아야 한다는 우려에도 개의하지 않았다.

세계의 수많은 학자들이 그들과 같은 실험에 착수했는데 저온핵융합에 성공했다는 사실을 속속 발표했다. 한국의 서울대학교에서도 저온핵융합에 성공했다는 발표도 있었다.

여하튼 전 세계에서 많은 학자들이 저온핵융합에 성공했다는 것은 두 교수의 세기적인 발견이 결코 거짓말이 아니라는 것을 확인시켜주는 것이었다. 더구나 그들을 기쁘게 한 것은 이탈리아의 핵연구센터에서 저온핵융합이 이론적으로 가능하다는 원리를 발표했다. 폰스와 플라이시만 두 교수와는 전혀 다른 방법이지만 여하튼 저온핵융합이 가능하다는 것은 증명된 셈이었다.

더구나 미국의 MIT대학의 물리학자 피터 헤이글스타인 교수는 복잡한 공식을 이용하여 팔라듐과 금속의 양자역학적 성질에 바탕을 두고 있는 저온핵융합을 설명할 수 있는 모델을 발견했다고 했다. 그의 발표는 저온핵융합방식의 이론적 뒷받침이 되었다.

토카막의 내부 설비

폰스 교수는 자신이 세계 60여명의 석학들을 만났는데 그들 모두 자신의 실험에 대해 긍정적인 답변을 했다며 이제 실험 단계를 뛰어 넘어 소규모핵융합시설을 건설하겠다고 기염을 토했다. 한마디로 거대 프로젝트는 토카막에 절대 위기가 찾아온 것이다. 토카막을 연구할 이유가 사라졌기 때문이다.

 

<노다지 에너지>

소형행융합이 세계를 깜짝 놀라게 한 것은 그만큼 파급효과가 크며 인류에 획기적인 기여를 할 것으로 생각하기 때문이다. 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 방사성 동위원소들이 세슘과 같은 가벼운 원소의 핵과 중성자로 분리되는 현상을 말하는데 이 반응을 연쇄적으로 일으키면 핵폭탄이 되고 일정 단계로 제어해서 응용하는 것이 원자력발전소이다.

원자력 발전소

그런데 제3의 불에는 결정적인 단점이 있는데 바로 방사능이다. 학자들이 주목하는 것은 제3의 불을 한 단계 업그레이드 할 수 있는 방법 즉 ‘제4의 불’이다. 바로 핵융합 에너지를 이용하는 것으로 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.

학자들은 원자폭탄을 만드는 원리로 발전소를 가동하여 전기를 만들듯이 수소폭탄으로 에너지를 만들 수 있을 것으로 생각했다.

과학자들은 태양과 같은 원리 즉 수소폭탄을 인공적으로 제어할 수 있다면 영원히 꺼지지 않는 불, 즉 태양을 인공적으로 만들 수 있다는 것이다. 다시 말하자면 『해리포터』처럼 ‘제2, 3, 4의 태양’을 만드는 것이 꿈은 아니라는 뜻이다. 물론 이렇게 하기 위해서는 연료, 즉 핵융합 물질들을 태양의 내부와 같은 초고온 초고압의 극한 상태로 가둘 수 있어야 한다. 태양의 내부는 지구 대기밀도의 1백만 배 이상의 초고압과 1천5백만 도의 초고온 상태로 되어 있다. 태양과 같은 상태를 만들기 위해서는 고체 액체 기체 등과 같은 우리들에게 잘 알려진 물질상태로서는 어림없다. 그런데 수천 도에서 수억 도까지 분포되어 있는 플라즈마라 불리는 제4의 물질상태, 즉 고온하에서 이온화된 하전기체 상태를 이용하면 이런 조건들을 만족시킬 수 있다는 점이다.

궁극적인 에너지 해결을 위해 전세계에서 토카막에 집중했는데 이들의 성공이 사실이라면 굳이 거대한 토카막 장치를 연구할 필요가 사라진다. 한마디로 거대 프로젝트는 토카막에 절대 위기가 찾아온 것이다.

 

<순식간에 떨어진 추락>

두 교수의 성공은 뉴턴이나 아인슈타인과 어깨를 겨눌 수 있다고도 치켜세워졌다. 노벨상은 따 논 당상이었다. 그들에게 경호원이 따랐으며 함부로 사진 촬영이나 녹음기 사용이 허락되지 않았다. 아인슈타인급의 과학자를 위해서는 당연한 이야기였다.

그들은 미국 <전기화학협회>에서 초청받은 1,700명의 세계 각국의 과학자들을 상대로 로스앤젤레스의 보나벤처 호텔에서 자신들의 연구 과정을 설명했다. 그들은 처음 연구 결과를 공개한 이래 19차례의 보완 실험을 했는데 모두 성공했으며 공급된 에너지의 50배나 많은 에너지를 획득했다고 발표했다. 그것도 자동차 배터리로 얻은 결과였다.

그들은 팔라듐과 백금 전극을 크게 제작할 수 있다면 보다 많은 양의 에너지를 생산할 수 있다고 기염을 토했다. 유타대학 물리학과 휴고 로시 교수는 다음과 같이 발표했다.

 

‘오늘은 폰스와 플라이시만 교수의 날입니다. 앞으로 스모그로 뒤덮인 로스앤젤레스 상공에서 다시 푸른 하늘을 보게 된다면 우리 모두는 이 두 사람에게 제일 먼저 감사해야 할 것입니다.’

 

그런데 이날의 하이라이트는 너무나 사람들에게 큰 충격을 주었다. 두 사람이 많은 참석자들로부터 축하인사를 받는 동안 패서디나에 있는 캘리포니아공과대학의 네이선 루이스 박사가 마이크를 잡았다. 그는 자신의 연구소에서 22명의 연구원들이 50여 차례에 걸쳐 반복 실험을 했다고 서두를 열었다.

 

‘우리들은 감마선이 발견된다는 증거는 물론 중성자, 삼중수소도 헬륨도 발견하지 못했습니다. 열에너지 역시 단 한 번도 관찰되지 않았습니다. 저온핵융합은 불가능하다고 결론지을 수 밖에 없습니다.’

 

놀라운 것은 루이스 박사의 발표에 대한 반응이었다. 그들은 곧바로 자신들의 실험으로 반박하지 않고 다소 어정쩡하게 대답했다. 자신들이 어쩌면 중대한 실수를 했을지도 모른다는 것이다. 그들은 감마선을 증명할 때 사용한 계측기에 이상이 있을 수도 있으며 에너지를 측정할 때 계산을 잘못했을지도 모른다고 말했다.

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더욱 참석자들을 경악케 만든 것은 “실험결과가 틀릴지도 모른다는 사실에 대해 항상 고백할 준비를 하고 있었다”고 털어놓은 것이다. 두 교수가 실험상의 오류가 있을 수 있다고 발표했지만 문제는 각 국에서 발표한 저온핵융합의 성공을 어떻게 해설할 수 있을까하는 점이다.

저온핵융합에 대한 치명타는 물리학자 리처드 D. 페트라소 박사로부터 나왔다.

그는 <네이처>지에 폰스와 플라이시만의 방법론들을 조목조목 따져가며 반박했다. 더구나 두 사람이 네른스트 방정식을 이용하여 압력을 계산하면서 중대한 잘못을 저질렀다는 사실도 밝혀졌다. 그들이 진행한 실험의 이론적 근거도 무너진 것이다.

저온핵융합은 전 세계를 깜짝 놀라게 한 핵폭탄과 같은 위력을 보였으므로 미국의 부시 대통령은 곧바로 조사위원회를 만들어 검증을 지시했다. 1989년 이 위원회는 저온핵융합은 일어날 수 없다고 결론내렸다.

곧바로 폰스와 플라이시만 교수의 실험실도 문을 닫았는데 다행히 일본의 도요타 자동차에서 그들의 연구를 계속하도록 주선했다. 그러나 도요타의 적극적인 지원에도 불구하여 연구 결과가 나오지 않자 1998년 드디어 도요타도 두 손을 들었다. 그들이 투자한 회사의 팔라듐 값이 끝없이 추락했음은 물론이다.

아직도 일부 학자들은 저온핵융합이 가능하다고 주장하고 있으나 물리학자들은 단호하게 저온으로 태양과 같은 계속적인 에너지를 만들 수 없다고 단언하고 있으므로 사실상 저온핵융합은 학계에서 완전히 틀린 이론이라고 볼 수 있다.

학자들은 많은 학자들이 저온핵융합에 성공했다는 이유를 추적하기 시작했다.

결론은 두 과학자가 발견한 삼중수소는 이미 그전에 팔라듐 전극 속에 이물질의 상태로 들어가 있었다는 것이다. 당연히 각 국의 연구소에서도 유사한 결과를 얻을 수 있었다는 설명이다.

그러나 이미 팔라듐 전극 속에 들어있었던 것이라 한다면 추후에 더 이상 결과가 나오지 않을 것은 자명한 사실이다. 그럼에도 불구하고 많은 학자들이 두 교수를 지지해 준 이유는 간단하다고 독일의 페터 크뢰닝 박사는 다음과 같이 적었다.

 

‘플라이시만과 폰스 두 과학자에 대한 평판이 워낙 좋았기 때문에 나머지 과학자들은 모두 이들 두 사람의 주의력과 성실함을 과신했다. 다시 말하자면 많은 사람들이 별다른 수고를 들이지 않고 핵융합의 대열에 슬쩍 끼어서 학문적 위업을 성취하는 데 동참해보려고 한 셈이다.’

 

세계를 깜짝놀라게 한 소형저온핵융합에 대한 이야기가 헐리우드에서 그대로 지나칠 리 없는 일이다. 「세인트」가 바로 이 내용을 주제로 한 것으로 「세인트」에서는 간단하게 성공하여 트레티악의 음모를 단숨에 저지하지만 물리학자들은 단호하게 저온으로 태양과 같은 에너지를 만들 수 없다고 단언한다. 그동안 전 세계를 놀라게 한 저온핵융합은 당치 않다는 이야기다.

사실 영화에서 현 과학의 척도를 가늠할 일은 아니지만 실제로 저온핵융합이 성공하면 영화와 같은 장면이 불가능한 것은 아니다. 「세인트」를 비롯하여 이후 에너지 문제가 나오는 영화에서는 저온핵융합이 다방면으로 성공한다. 「아바타」, 「스파이더맨2」, 「아이언맨 Iron Man」이 등장시킨 에너지도 저온핵융합이다.

영화 '스파이더맨2'

「스파이더맨2」에서 악당 옥토퍼스가 되는 천재과학자 오토 박사는 소형핵융합장치 개발에 성공한다. 화면만 보면 한국의 주력 원자력발전소 1기 발전량에 해당하는 백만킬로와트 정도인데 그의 연구실에서 작동할 수 있을 정도로 엄청난 소형이다. 그가 성공한 핵융합장치는 전세계에 10킬로그램만 매장된 트리늄을 사용한다고 하는데 그의 몸에 이식한 4개의 로봇 팔 즉 4개의 구동 장치로 핵융합반응을 통제하도록 계획했다. 4개의 팔이 달린 액추에이터(IT)를 목 뒤에 꽂고 나노와이어(NT)에 의해 신경계(BT)와 연결하는 것이다. 이것은 현재 많은 곳에서 연구하는 브레인컴퓨터 기술과 관련된다.

문제는 4개의 팔이 오토박사의 의지를 어기고 오토 박사를 통제한다는 것이다. 오토박사가 로봇 팔의 지배를 받자 성격도 포악하게 바뀐다. 물론 우리의 슈퍼영웅 스파이더맨이 나타나 오토박사가 변한 ‘옥토퍼스’를 개과천선하게 만들어 지구는 물론 그의 애인인 메리제이(엠제이)를 구하지만 여기에 나오는 소형핵융합장치가 바로 저온핵융합장치이다.

「아이언맨」도 엄청난 과학기술을 갖고 있다. 영화 속의 주인공 스타크는 심장에 있는 ‘아크원자로’라는 원천기술로 강력한 힘을 발휘하는데 그것도 소형핵융합장치다. 핵융합은 수소원자 두 개가 융합하면서 생성되는 에너지를 이용하는데 한마디로 태양 에너지의 원천도 핵융합이라는 것을 앞에서 설명했다. 그런데 「아이언맨」이 얼마나 환상적인지는 사람의 몸에 이식할 만큼 작은 핵융합로를 만들었다는 것인데 언젠가 이런 핵융합로가 만들어진다면 인류에 큰 도움이 될 것은 물론이다. 「아이언맨」이 그런 희망을 품게 해 준다는데 큰 의의가 있지만 현실 세계에서 1억 도나 되는 초고온 즉 태양 내부와 같은 온도를 사람의 몸에 넣고 만들 수 있다는 사람이 있는지 모르겠다.

「나잇 & 데이」는 사람의 손에 들어갈 정도의 소형 배터리 확보를 두고 벌어지는 알력을 그렸는데 소형 배터리의 성능이 장난이 아니다. 사이먼 팩이라는 과학자가 발명했는데 영화 설명에 따르면 이 배터리는 대형 군함을 가동시킬 수 있는 파워를 가진 것은 물론 소모되지도 않는 무한동력이라고 한다.

현 단계에서 소형핵융합이라는 아이디어를 통해 에너지를 확보한다는 것 자체는 오류 중 오류라 보지 않을 수 없다. 물론 감독들이 골머리 아픈 에너지 문제를 소형핵융합장치로 해결하는 것 자체를 막을 수는 없는 일이다. 단지 영화에서 소형핵융합을 이용하는 장면이 나오면 감독이 활용하는 방법에 어떤 아이디어가 들어있는지를 판단하면서 영화를 보면 색다른 감을 느낄 수 있을 것이다.

2002년 <사이언스>에 새로운 방식의 상온핵융합에 관한 논문이 게재되었다.

러시 테일야르칸과 리처드 레이키 박사는 아세톤에 초음파를 쏜 결과 적은 양의 기체와 증기의 기포들이 생겨나 내파(impplosion)로 이어졌다고 보고했다. 그 과정에서 국부적이기는 하지만 온도가 1,000만 도까지 치솟았는데 그 정도 온도면 핵융합을 일으키기에 충분하다는 설명이다.

실제로 융합이 일어나기도 했다는 사실은 방사능을 띤 3중수소와 중성자를 발견된 것으로 증명된다고 기염을 토했지만 많은 학자들이 중성자를 전혀 확인할 수 없었다고 보고했다. 그러나 <사아이언스>지에서 이런 우려가 있음에도 이들 논문을 게재한 것은 그만큼 상온핵융합이 매력적이기 때문이다.

현재 대세는 토카막이다. 토카막은 거대 프로젝트로 이론 자체에 문제가 있는 것은 아니다.

그러나 상온핵융합처럼 매력있는 분야는 거의 없으므로 수많은 학자들이 상온핵융합에 도전할 것임은 틀림없다. 학자들은 지금까지의 경험을 토대로 상온핵융합의 결과에 너무 지나친 기대는 하지 않는 것이 좋다고 설명한다. 물론 500년 이내에 상온핵융합 기술이 현실화될 것이라는 기대마저 저버릴 필요는 없을 것이다.

 

참고문헌 :

『뭔가 특별한 것이 있는 히어로, 아이언맨』, 원자력문화, 2012년 4월(제204호)

『오류와 우연의 역사』, 페터 크뢰닝, 이마고, 2005

『과학의 사기꾼』, 하인리히 창클, 시아출판사, 2006