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헬륨3
헬륨3(Helium-3)은 가볍고 안정한 헬륨의 동위 원소 중의 하나로, 두 개의 양성자와 한 개의 중성자를 갖고 있다. 헬륨-3은 양성자-양성자 연쇄 반응을 일으킬 때 생성된다. 또한 삼중수소가 베타 붕괴를 일으킬 때도 딸핵종으로 생성된다. 헬륨-3를 바닷물에 풍부한 중수소와 핵융합을 시키면 엄청난 에너지가 생산되기 때문에 달의 자원 중 가장 인류의 주목을 받고 있는 물질이다.
개요[편집]
헬륨3은 헬륨의 동위원소로 차세대 핵융합발전의 연료가 된다.
헬륨3는 지구에는 거의 존재하지 않고, 달 표면에 풍부한 것으로 알려져 있다. 헬륨3는 양성자 2개ㆍ중성자 1개로 이뤄져 있는데 이것은 바닷물에 풍부한 중수소(양성자 1개ㆍ중성자 1개)와 핵융합시키면 양성자 2개ㆍ중성자 2개의 정상적인 헬륨 원자가 되면서 막대한 전기에너지를 방출한다. 1g의 헬륨3는 석탄 약 40t이 생산해 내는 정도의 전기에너지를 생산할 수 있다.
존재[편집]
헬륨-3은 지구의 대기 중 헬륨-4의 100만분의 1밖에 존재하지 않는다. 그렇지만 태양의 대기 중에는 0.0142%가 존재하며, 달 표면에도 지구보다 훨씬 많은 헬륨-3이 존재한다. 이 때문에 달 표면의 암석에서 헬륨-3의 채굴을 시도하는 연구도 이루어지고 있다. 태양의 헬륨-3은 빅뱅으로 생성된 헬륨-3이 쌓였지만, 지구 대기에는 지구가 만들어질 적에 존재했던 헬륨-3이 대부분 우주공간으로 흩어져, 현재에는 토륨이나 우라늄 등의 알파 붕괴의 결과로 생긴 암석에 존재한다. 한편, 달 표면에는 태양풍이 불기 때문에 헬륨-3이 존재한다.
1995년, 탐사선 갈릴레오 호가 목성 대기에 측정용 프로브를 돌입시켜, 대기를 질량분석계로 측정한 결과 3He와 4He의 비율이 약 1:10,000이었다.
인공적인 합성[편집]
지구의 헬륨은 아주 적기 때문에, 리튬-6(6Li)에 양성자를 쏘아서 인공적으로 만드는 방법이 검토되었지만, 반응 단면적이 좁기 때문에 실용적이라고 할 수 없었다.
- 6Li + 1p → 3He + α
또, 리튬 원자에 중성자를 쏘아 삼중수소를 만들어, 이것을 베타 붕괴를 시킴으로 헬륨-3을 합성하는 방법도 있지만, 이 방법은 3H의 반감기(12.3년)를 기다려야 한다.
- 6Li + 1n → 4He + 3H
- 3H → 3He + β
특성[편집]
원자량이 다르기 때문에 상온의 기체 헬륨-4(4He)보다 밀도를 비롯한 끓는점, 임계점 모두 4He보다 낮다. 끓는점에서 액체의 밀도도 원자량과 증발열 모두 예측된 수치보다 낮다. 이런 사실은 헬륨 원자 사이에 작용하는 매우 약한 쌍극자 쌍극자 상호작용보다도 영점에너지의 기여량이 더 크기 때문이다.
| 3He | 4He | |
|---|---|---|
| 끓는점(1 atm) | 3.19 K | 4.23 K |
| 임계점 | 3.35 K | 5.19 K |
| 증발열 | 0.026 kJ mol−1 | 0.0829 kJ mol−1 |
| 끓는점에서의 액체의 밀도(1 atm) | 0.059 g cm−3 | 0.12473 g cm−3 |
핵융합에서의 응용[편집]
중수소와 헬륨-3과의 핵융합은 쿨롱 장벽이 높기 때문에, 핵융합으로의 실현이 비교적 쉽다고 생각되는 DT 반응으로 인한 질량 편차도 높다. 또 헬륨-3은 삼중수소와 달리 비방사성이며, 한편 D-3He 반응은 중성자가 발생되지 않기 때문에, 비교적 취급하기 쉽다.
- 2H + 3H → 4He + 1n , 17.571 MeV
- 2H + 3He → 4He + 1p , 18.354 MeV
중성자 검출[편집]
헬륨-3은 중성자를 검출하기 위해 자주 이용된다. 이것은 3He의 중성자 흡수 단면적이 크기 때문에, 반응으로 인해 생성된 삼중수소와 되튀어진 양성자를 계측할 때 측정할 수 있다.
- 1n + 3He → 3H + 1H , 0.764 MeV
현황[편집]
달에는 물·산소와 같은 생명 자원은 물론 헬륨3(Helium-3)라는 차세대 에너지 자원이 있다. 헬륨3은 탄소 배출이나 방사능 오염 등의 걱정이 없는 핵융합 발전의 연료로 사용할 수 있다. 널리 쓰이는 삼중수소와 비교해도 방사선도 거의 없습니다. 약 1g으로 석탄 약 40t에 맞먹는 에너지를 만들 수 있을 만큼 효율적인 자원이기도 하다.
문제는 헬륨3가 지구가 아닌 달에만 존재한다는 점이다. 과학계는 달 표면에만 약 100~200만t의 헬륨3이 있다고 추정한다. 이는 인류가 약 1만 년 넘게 사용할 수 있는 양이다. 달에서 헬륨3를 확보하는 일이 중요하지만, 현재 기술로는 헬륨-3를 채취해 지구로 옮기는 방식, 달에서 직접 가공하는 방식 모두 너무 큰 비용이 들거나 기술적으로 불가능하다.
비관적으로 보는 시각이 없지 않다. 달에서 헬륨3를 발견한 이후 30년이 넘도록 1g도 확보하지 못했고, 이를 확보한다고 해도 핵융합을 일으키기까지 기술적 난관이 많기 때문이다. 하지만 채굴의 기술적 문제, 핵융합 원자로 개발 문제 등은 21세기 중반에는 극복될 것이란 전망이 지배적이다. 제2의 서부개척 시대와 같은 새로운 금광 열풍이 자본과 기술을 집중시키고 있기 때문이다.
실제로 달 표면 물질을 1~2m 채굴해 섭씨 600도로 가열해 분리해내는 기술은 연구되고 있다. 개발 중인 우주선을 이용하면 지구로 가져오는 데도 큰 어려움이 없는 편이다.
헬륨3를 지구로 가져온다 해도 이를 활용하려면 핵융합 원자로가 필요하다. 핵융합 원자로를 건설하는 비용과 상용화에 걸리는 시간을 고려하면 단기간 내에 에너지원으로 활용할 수 있을지 미지수이다. 하지만 헬륨3를 활용하기 위한 노력 덕분에 우주 산업은 물론 로봇, 사물 인식, 자율주행 등 다양한 산업 분야가 발전하고 있다.[1][2]
전망[편집]
2023년 방한한 챗GPT의 아버지, 샘 알트먼오픈AI 최고경영자(CEO)가 투자한 스타트업 헬리온 에너지(Helion Energy)는 핵융합 에너지의 상용화를 꿈꾸고 있다. 헬리온 에너지는 2028년부터 핵융합 발전소를 가동, 헬륨3를 활용한 새로운 전력을 생산할 계획이다. 이를 위해 지금까지 5억 달러(약 6398억원) 이상의 자금을 조달했고, 샘 알트먼도 이 기업에 3억7500만 달러(약 4798억원)를 투자했다.
핵융합 에너지를 활용하면 효율적으로 저렴하고 풍부한 에너지를 사용할 수 있다. 샘 알트먼이 핵융합 에너지 스타트업에 투자한 이유도 여기에 있다. 값싸고 환경 문제가 없는 에너지로 전기를 충당한다면 챗GPT와 같은 거대 AI를 마음껏 개발하고 활용할 수 있기 때문이다.
2023년 5월 마이크로소프트(MS)도 최근 헬리온 에너지와 2028년부터 핵융합 전기를 공급받는 계약을 체결, 첫 번째 고객이 됐다. MS는 "앞으로 큰 혁신은 AI와 핵융합 전력에 있다"고 밝혔다. 탄소 배출과 더불어 막대한 전력 소모가 환경 문제로 확장되고 있는 시점에서 인공지능(AI)·양자 컴퓨팅·블록체인 등의 개발을 위해 지금보다 더욱 막대한 양의 전기가 필요하다는 것이다.
헬륨3를 찾기 위한 달 탐사 로봇과 AI 개발에도 더욱 속도가 나고 있다. 달 탐사로봇의 내비게이션은 AI가 맡는다. 4K 이상의 카메라로 이미지와 영상을 분석하고 위험 장소를 피해 주행이 가능하다. 특정 광물의 위치를 파악하고 학습 데이터로 광물을 분류하는 작업에도 AI가 활용될 전망이다. 레이저와 센서를 통해 거리를 측정하고 지도를 작성하는 것은 라이다(LIDAR)의 몫이다.
수십, 수백 대의 AI 로봇이 사람 대신 달 기지 건설 작업에도 참여한다. 사람이 달의 대기환경에서 직접 작업을 하기는 쉽지 않다. 앞으로 달 탐사와 헬륨3과 같은 달의 자원을 확보하기 위해 AI·로봇 등 관련 기술이 더욱 빠르게 발전할 것이다.[1]
각주[편집]
- ↑ 1.0 1.1 윤준탁 IT 칼럼니스트, 〈달 표면의 헬륨-3가 인류를 구원할 수 있을까〉, 《중앙일보》, 2023-06-15
- ↑ 이태규 기자 , 〈달에서 찾은 '헬륨3' 정말 인류의 미래인가?〉, 《한국일보》, 2021-07-05
참고자료[편집]
- 〈헬륨-3〉, 《위키백과》
- 〈헬륨3〉, 《시사상식사전》
- 윤준탁 IT 칼럼니스트, 〈달 표면의 헬륨-3가 인류를 구원할 수 있을까〉, 《중앙일보》, 2023-06-15
- 이태규 기자 , 〈달에서 찾은 '헬륨3' 정말 인류의 미래인가?〉, 《한국일보》, 2021-07-05
같이 보기[편집]
