핵융합 과정의 종류에 대해서 알려주세요.
핵융합 과정에 여러 가지가 있다고 알고 있어요. 수소 헬륨 핵융합이 잘 알려져 있지만, 그것 말고 특별히 CNO 사이클, 삼중 알파 과정, 그리고 양성자-양성자 연쇄 반응에 대해서 자세히 설명해주세요.
안녕하세요. 이성현 과학전문가입니다.
CNO 순환(CNO cycle, 문화어: 탄소질소산소순환)은 항성이 수소를 헬륨으로 변환시키는 핵융합 과정으로서 밝혀진 두 기작 중 하나입니다. (다른 하나는 양성자-양성자 연쇄 반응). pp-연쇄반응과 달리 CNO 순환은 촉매순환입니다. 이론적 모형에 따르면 CNO 순환은 질량이 태양의 1.3배 이상인 무거운 별들에서 우세한 에너지원입니다.
삼중알파과정(triple alpha process)은 세 개의 헬륨 원자핵(알파 입자)가 탄소로 변화하는 핵융합 과정입니다. 이 급격한 핵융합 반응은 100,000,000 켈빈의 온도에서, 즉 헬륨이 풍부한 항성 내부에서만 발생할 수 있습니다. 오래된 항성 내부에는 양성자-양성자 연쇄나 CNO 순환의 결과로 생성된 헬륨이 쌓여있게 됩니다. 항성의 붕괴를 지탱하던 수소 연소가 끝나게 되면, 중심핵은 스스로의 중력에 의해 붕괴하게되며, 붕괴는 압력을 증가시키고, 따라서 중심핵의 온도는 급격히 증가합니다.
양성자-양성자 연쇄 반응(proton–proton chain reaction)은 항성이 수소를 헬륨으로 바꾸는 두 가지의 핵융합 반응 가운데 하나이다. 다른 하나는 CNO 순환이다. 양성자-양성자 연쇄 반응은 태양 혹은 그 이하 크기의 항성에서 더욱 중요하다. 두 수소 원자핵 사이의 전자기 척력을 극복하려면 많은 에너지가 필요하며, 항성에서 이 과정이 완전히 끝나려면 대개 1010(100억)년 정도가 걸린다. 반응이 느리기 때문에, 태양은 여전히 타오르고 있다. 만약 빨랐다면, 태양은 오래전에 수소를 소진했을 것이다. 일반적으로 양성자-양성자 핵융합은 양성자의 온도(즉 평균 운동 에너지)가 충분히 높아서 쿨롱 힘을 극복 가능할 때에만 발생할 수 있다. 양성자-양성자 연쇄 반응이 태양을 비롯한 다른 항성의 기본 원리라는 사실을 1920년대 아서 에딩턴이 처음으로 제안하였다. 당시 태양의 온도는 쿨롱 장벽을 넘기에는 너무 낮다고 여겨졌다. 양자역학의 발전과 함께, 양성자가 양자 터널링을 통해서 고전물리학에서 계산하였던 온도보다도 낮은 온도에서 핵융합을 할 수 있음을 발견하였다.핵융합 과정에는 수소-수소 연쇄 반응을 비롯하여 CNO 사이클, 삼중 알파 과정, 양성자-양성자 연쇄 반응 등이 있습니다. 수소-수소 연쇄 반응은 2개의 수소 핵이 합쳐져 헬륨 핵과 중성자를 생성하는 과정입니다. CNO 사이클은 태양의 중심부에서 일어나는 과정으로, 태양에서는 가장 중요한 핵융합 반응 중 하나입니다. 삼중 알파 과정은 3개의 헬륨 핵이 결합하여 탄소 핵을 생성하는 과정입니다. 양성자-양성자 연쇄 반응은 수소 핵 2개가 결합하여 헬륨 핵과 양성자를 생성하는 과정입니다. 이러한 핵융합 과정은 태양과 같은 핵융합 별에서 일어나며, 높은 온도와 압력이 요구됩니다.
