핵융합과 핵분열의 차이 (에너지 발생 차이, 핵융합산업, 핵융합 주요 투자, 핵융합 관련주)

 최근 AI의 ChatGPT가 온 세상을 떠들썩하게 하고 있지만, 정작 openAI의 CEO인 샘 올트먼은 더 먼 미래의 기술을 보고 있습니다.

바로 폐기물을 남기지 않고 무한 동력을 얻을 수 있어 '꿈의 에너지원'으로 불리는 핵융합 관련 산업입니다.

 

 올트먼 뿐 아니라 아마존의 창업자인 제프 베이조스, 마이크로소프트의 빌게이츠 등 미국 빅테크 업계의 거물들은 최근 몇 년 사이에 핵융합 관련 기업에 집중 투자를 하고 있습니다.

 

 

아마존의 창업자, 제프 베이조스

마이크로소프트의 창업자, 빌게이츠

 

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 핵융합 산업은 수십 년 후에나 실현 가능한 그저 이론적인 상상일 뿐이라는 오랜 편견이 깨지고 있는 시대입니다.

 

 핵융합 산업이 이처럼 폭발적으로 성장하기 시작한 때는 2021년 8월, 미국 에너지부 산하 로렌스 리버모아 국립 연구소가 핵융합 반응 실험에서 순에너지 생산에 처음 근접한 시기와 맞물립니다. 이때부터 대규모 머신러닝 등 AI 기술 발전으로 핵융합 실험에 들어가는 비용과 시간을 대폭 줄일 수 있게 되었습니다.

 

그럼 도대체 핵융합이란 무엇이고 우리가 그저 위험하다고 생각했던 핵분열과는 어떻게 다른 것일까요?

핵융합과 핵분열은 원자 반응에 의한 것이라는 공통점이 있으나 그 발생 방향을 기준으로 차이가 있다고 할 수 있습니다.

 

 핵분열은 원자량이 큰 원소가 원자량이 작은 원소로 쪼개지면서 반응하는 것이며, 반대로 핵융합은 원자량이 작은 원소들이 합쳐져 원자량이 큰 원소로 변화하는 것입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

원자핵이 분열하는 힘, 핵분열

 핵분열은 크고 무거운 원자핵이 외부의 힘에 의하여 쪼개지는 현상을 말합니다. 원자는 중성자와 양성자로 이루어진 원자핵과 원자핵 주변의 전자로 이루어져 있는데요.

 

 원자핵을 이루는 중성자와 양성자는 강한 '핵력'으로 단단히 결합되어 있는데 외부의 어떠한 힘에 의해 (+) 전하를 가지는 양성자의 수가 중성자 수보다 많아지면 원자핵끼리의 결합력이 점점 약해지게 됩니다.

 

 결합력이 약해진 원자핵은 어느 순간 쪼개지게 되는데 이 과정에서 질량의 일부가 줄어들면서 많은 양의 에너지가 발생하게 됩니다. 이처럼 무거운 원자핵이 쪼깨 지면서 에너지를 내보내고 더 가벼운 원자로 변하는 것을 핵분열이라고 합니다.

 

 실제 핵분열 반응에서는 자연계에 존재하는 원소 중 가장 무거운 원소인 우라늄을 사용합니다. 우라늄을 이용한 핵분열을 통해 바륨, 크립톤, 스트론튬 등의 더 가벼운 원소로 쪼개지게 되며 이러한 과정을 반복적으로 발생시키면서 핵 에너지를 긴 시간에 걸쳐 꾸준하게 얻을 수 있습니다. 이 에너지로 물을 끓여서 터빈을 돌려 전기를 얻는 것이 바로 '원자력발전'인 것입니다.

 

 원자핵이 쪼개지면서 생성된 물질에서는 강한 방사선이 나오는 경우가 많습니다. 불안정한 상태의 원자핵이 안정한 상태로 변하면서 에너지가 방출될 때 방사선이 방출되는데요. 마지막 생성물이 가볍고 안정한 철 (Fe) 정도의 원소 상태가 될 때까지 방사선은 계속적으로 방출되기 때문에 핵분열 생성물이 방사선을 내지 않기까지는 아주 오랜 시간이 필요하다고 할 수 있습니다.

 

원자핵이 뭉치는 힘, 핵융합

 반대로 수소와 같은 아주 작은 원자핵에 아주 강한 외부의 힘이 가해지게 되면 헬륨과 같은 무거운 원자로 결합하면서 질량의 일부를 잃고 큰 에너지를 방출하게 됩니다.

 

 태양을 비롯한 별들에서 나오는 에너지 역시 중수소, 삼중수소 등의 가벼운 수소 원자들이 서로 결합하여 좀 더 무거운 헬륨과 같은 원자가 되면서 나오는데, 이와 같은 개념으로 핵융합 방식을 '인공태양'이라고도 부릅니다.

 

 핵분열과 핵융합은 거의 모든 면에서 반대의 과정을 따르는데요. 핵분열의 경우, 무겁고 불안정한 원자핵이 반응 물질이지만 핵융합은 안정되고 가벼운 원소핵이 반응 물질입니다.

 

 

핵융합 산업의 장점

 핵융합 발전이 주목받는 이유는 원자핵의 막대한 에너지를 이용하면서도 핵분열 반응의 문제점을 대부분 해소할 수 있기 때문입니다. 핵융합 발전의 효율로만 본다면 핵융합 연로 1g이 석유 8t에 해당하는 에너지를 생산할 수 있다고 합니다.

 

 그리고 핵분열과는 다르게 방사성 폐기물이 중, 저준위 폐기물만 소량 발생하므로 수십 년만 보관해도 자연의 상태로 되돌릴 수 있어서 환경오염에 대한 우려도 원자력 발전에 비해 적은 편입니다.

 

핵융합 발전에 대한 앞으로의 기대

 미국 핵융합산업협회 (FIA)는 현재까지 핵융합산업에 대한 누적 민간 투자금이 총 50억 달러를 넘어선 것으로 추정하고 있으며 이 중 75% 이상이 2021년 이후에 집중되었다고 확인하였습니다.

 

 특히 openAI의 CEO 올트먼은 핵융합 스타트업 회사인 헬리온에너지의 든든한 투자자인데 2013년 이후부터 지금까지 3억 7500만 달러의 투자를 하고 있습니다. 그 외에도 MIT에서 분사한 핵융합 기업인 코먼웰스퓨전시스템, 캐나다 제너럴퓨전, 애벌랜치에너지 등 핵융합 산업 관련 회사들에게 집중된 투자금은 점점 확대되고 있습니다. 미국의 인플레이션 감축법 (IRA)이 핵융합산업에 대규모의 보조금을 풀면서 핵융합 원자로 산업에 대한 육성 조항들이 적용될 것이라는 전망도 나오고 있습니다.