핵분열 발전, 핵융합 발전의 차이와 장단점은 무엇인가요?

Question

에너지를 생산하기 위한 가장 효과적인 방법으로 알려진 핵분열, 핵융합 발전에 대해 궁금한 게 있는데요.

핵분열 발전, 핵융합 발전의 차이와 장단점은 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 김석진 과학전문가입니다.

핵분열 발전과 핵융합 발전은 둘 다 원자력을 이용하여 에너지를 생산하는 방법이지만, 동작 원리에서 차이가 있습니다.

핵분열 발전 (Nuclear Fission Power Generation)은 핵분열을 원자핵을 물리적으로 분열시켜 더 작은 원자핵과 중성자, 에너지를 생성하는 과정을 말합니다. 일반적으로 우라늄-235, 플루토늄-239와 같은 핵연료가 사용됩니다.

반면에 핵융합 발전 (Nuclear Fusion Power Generation)은 핵융합을 두 개의 가벼운 원자핵이 서로 결합하여 더 무거운 원자핵과 에너지를 생성하게 됩니다. (태양과 같은 핵융합 반응에서는 수소 원자가 융합되어 헬륨과 에너지가 발생)

상대적으로 핵분열은 상용화가 진행되고 있는 반면 핵융합은 아직 기술개발중으로 볼 수 있고, 핵융합으로 에너지를 생산하는 것은 엄청난 열과 압력을 다루는 기술적 어려움 때문에 어려운 상황입니다.

Answer 2

안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.

핵분열과 핵융합은 비슷한 이름에도 불구하고 정반대 성격을 갖고 있다.

핵분열은 말 그대로 하나의 무거운 원소를 분열시키며 에너지를 만들고, 핵융합은 가벼운 원소들이 융합하면서 에너지를 만든다.

이중 핵분열은 우리가 잘 알고 있는 원자력 발전의 원리가 된다.

이를 위해선 무거운 원자핵(우라늄)이 외부에서 낮은 에너지를 가진 중성자(열중성자)와 충돌하는 과정이 필요하다.

중성자와 충돌한 원자핵은 각기 다른 원자핵 2개로 분열되며 중성자 2~3개와 막대한 에너지를 방출하게 되고, 이 에너지로 물을 끓여 터빈을 돌리는 방식으로 '원자력발전'이 이뤄진다.

이미지 갤러리 가기

원자력발전은 핵분열 과정에서 나오는 에너지로 물을 끓이고, 그 물로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 사진은 신고리 1, 2호기. 출처: 한국수력원자력

반면 핵융합은 수소와 같은 가벼운 원소들이 합쳐지는 과정이다. 이들 원자핵을 초고온으로 가열시키면 원자핵 간 거리가 가까워지며 강한 핵력에 의해 결합하게 된다.

이 과정에서 역시 어마어마한 에너지가 발생한다. 태양이 내뿜는 엄청난 에너지가 바로 이 핵융합을 통해 만들어진다.

핵분열과 핵융합 모두 막대한 에너지 획득이 가능하면서도 탄소배출이 없다는 장점이 있다. 대신 핵분열의 경우 방사성 폐기물이 발생하므로 높은 수준의 관리가 필요하다.

반면 핵융합은 원료인 중수소와 삼중수소의 고갈 가능성이 거의 없고, 방사능으로부터도 안전하다.

다만 1억˚C가 넘는 플라즈마 상태를 약 300초 이상 유지해야 하기에 아직까진 연구 단계에 머물러 있다.

핵융합발전은 지난 2021년 11월 한국핵융합에너지연구원이 만든 한국형 인공태양 KSTAR가 30초 동안 플라즈마 유지에 성공하며 가능성을 내비치고 있다.

이에 더해 총 34개국이 참여하는 국제핵융합실험로(ITER) 설치가 완료되면 핵융합 발전의 가능성은 더 올라갈 것으로 보인다.