핵융합
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- 반대문서: 핵분열
개요[편집]
Nuclear fusion, 核融合
고온에서 가벼운 원자핵들을 융합시켜 더 무거운 원자핵이 되는 과정에서 에너지가 생성되는 현상이다. 우주공간에서 빛나는 항성이 에너지를 만드는 원리다. 아인슈타인이 내놓은 질량-에너지 등가 공식(E=mc2)에 따라 가벼운 원자 둘이 융합해서 무거운 원자가 되면서 질량 차이 만큼 (가벼운 원소 2개 질량의 합은 무거운 원소 하나보다 더 많다) 에너지로 변한다.
현재 헬지구를 구원할 미래의 에너지기술이다.
쉽게 설명하자면 핵분열의 반대라고 생각하셈
상세[편집]
이 반응을 일으키려면 물리학의 4가지 기본 힘 중 가장 강도가 높은 강력을 무시할 정도로 극고온이거나(인간이 일으키기 가장 쉬운 중수소-삼중수소 반응을 일으키려면 온도가 1억3600만 켈빈을 넘어야 한다), 극고압(태양의 중심핵은 온도가 1500만 켈빈이지만 압력이 2600억 바에 달한다)이어야 한다. 항성이 에너지를 얻는 과정이며 이 때 발생하는 에너지는 아인슈타인의 상대성 이론을 따른다. (E=mc2)
우주상에 존재하는 원소들 중 빅뱅으로 탄생한 수소, 헬륨을 제외한 철까지의 원소는 모두 항성 내부의 핵융합으로 만들어진다. 주계열 영년 시 항성의 질량에 따라 가능한 핵융합 반응이 정해지는데 태양 질량의 12배가 넘는 무거운 항성들만이 수소-헬륨-탄소-네온-산소-규소까지 진행할 수 있고 그보다 질량이 작으면 중간에 이탈하여 백색왜성이 되어 영겁의 시간 동안 식어가게 된다.
항성 핵융합의 마지막 과정인 규소 핵융합은 규소 원자에 헬륨 원자(알파 입자)가 결합하면서 황->아르곤->칼슘->티타늄->크롬->철->니켈 순으로 원소를 뱉는다. 그런데 이 과정으로 탄생한 니켈-56은 핵융합을 할 수는 있지만 발열 반응이 약해서 중력 붕괴에 저항할 복사압을 충분히 형성하지 못하는데다가, 규소 핵융합은 지속시간이 길어봐야 1일에 불과할 정도로 극히 짧고 중심핵의 온도가 28억~35억 켈빈에 달하는 극고온 상태라서 원자핵이 고에너지 감마선을 흡수해 양성자나 중성자를 배출하고 들뜬 상태가 되는 광붕괴(Photodisintegration) 현상이 발생해서 핵융합 과정을 방해한다. 이 때문에 중심핵은 자신을 짓누르는 중력 붕괴에 버티지 못해 급속하게 축퇴되어 광속의 4분의 1 속도로 항성의 구성물질들이 전부 핵으로 쏟아지는 내파 현상이 발생해 철을 넘어서는 무거운 원소들이 형성된 후, 2형 초신성 현상을 일으켜 거대한 폭발을 일으켜 외피 부분을 우주로 날려보내고 중심핵 부분만 극히 밀도가 높은 중성자별로 남게 된다.
철보다 무거운 원소는 우주 전체에서도 희귀한데 초신성 폭발이나 밀집성(중성자별, 블랙홀)의 충돌, 주변 물질을 흡수하며 제트를 방출하는 블랙홀에서나 생성되고, 그나마도 원자번호 110번인 다름슈타튬이 한계다. 그 이후의 원소들은 불안정하여 자발적인 핵분열을 통해 더 가벼운 원소로 돌아가려는 성질이 매우 강하기 때문.
수소폭탄도 이걸 이용한거다. 물론 터뜨리기 위해서 기폭제가 따로 필요하지만....
많은 사람들(특히 환경 단체)이 핵분열과 핵융합을 구별 못하는 경우가 많은데 2016년에는 정부의 핵융합 예산을 전체 삭감시키는 만행도 저질렀다. 이유가 웃기는게, 별이 에너지를 만드는 과정은 재현할 수 없댄다.
디씨에는 핵융합 갤러리도 있다. 핵융합 에너지 마이너 갤러리
항성의 핵융합 반응[편집]
다음과 같은 종류가 있으며, 주계열 영년(별이 탄생한 때)의 초기 질량이 무겁다면 끝까지 이어가지만 질량이 충분치 않으면 중간에 이탈해 백색왜성이 되어 오랜 세월에 걸쳐 식어가게 된다.
양성자-양성자 연쇄 반응 : 양성자는 수소 원자와 동일하기 때문에 경수소 핵융합 반응이다. 항성으로 정의되려면 이 반응을 유지할 수 있어야 하며 갈색왜성이 항성 취급을 못 받는 이유이기도 하다. (경수소 핵융합 반응을 못한다) 탄소-산소-질소 순환(CNO 순환) : 수소에서 헬륨이 만들어지는 과정은 동일하나 탄소와 산소, 질소 원자가 촉매처럼 관여한다. 중원소가 필요하기 때문에 빅뱅 직후 태어난 1세대 항성은 이 반응을 할 수 없었다. 삼중알파과정 : 헬륨 원자 3개가 결합하여 탄소 원자를 생성한다. 태양 질량의 0.5배를 넘는 항성들이 이 반응을 일으킬 수 있고, 8배를 넘기지 못하는 항성들의 마지막 단계다. 탄소 핵융합 : 탄소 원자 2개가 결합하여 나트륨, 마그네슘, 네온을 형성하는 반응이다. 네온 핵융합 : 태양 질량의 12배를 넘는 항성이 탄소 핵융합을 마친 후 발생하는 핵융합 과정으로 네온 원자가 알파 입자(헬륨 원자)와 반응하여 마그네슘을 생성한다. 산소 핵융합 : 두 개의 산소 원자가 결합하여 규소, 인, 황을 생성하는 반응이다. 규소 핵융합 : 항성에서 발생할 수 있는 마지막 핵융합 반응으로 규소 원자에 알파 입자가 결합하여 황->아르곤->칼슘->티타늄->크롬->철->니켈 순으로 새로운 원소를 형성한다. 이 반응은 지속시간이 길어야 하루에 불과할 정도로 짧고, 니켈-56의 핵융합은 발열반응이 약해서 이 과정까지 온 항성의 결말은 초신성이 되어 밀도가 극히 높은 핵이 중성자별로 남고 나머지는 폭발로 우주로 날아가버린다.