핵에너지

핵에너지(nuclear energy; Kernenergie)는 원자핵의 변환에 따라 방출되는 에너지이다. 원자핵의 변환에는 핵붕괴와 핵반응 등이 있으며, 이에 따라 방출되는 에너지를 총칭한다.

1905년 알버트 아인슈타인의 특수상대성이론에 의해 질량과 에너지가 동등함이 밝혀진 이후, 원자핵이 형성될 때, 핵을 구성하는 핵자들의 질량 일부가 결합에너지로 변환되어 원자핵 내부에 축적됨이 알려졌다. 즉, 핵 내부의 양성자와 중성자의 결합에너지를 말하며, 이러한 축적된 에너지를 핵반응 등을 통하여 방출시킬 수 있는데, 이러한 에너지를 핵에너지라고 한다.

핵에너지 방출

그림 1은 대표적인 우라늄의 핵분열 반응으로 우라늄에 중성자가 충돌하여 루비듐(Rubidium)과 세슘(Cesium)으로 원자핵이 쪼개진다. 이때, 2개의 중성자와 매우 큰 에너지가 방출된다. 이와 같은 핵에너지를 활용하면 에너지원으로 사용할 수 있다. 대표적인 에너지원이 원자력발전소이다. 그림2에서 보는 바와 같이 원자력 발전소에서는 핵분열에 의한 에너지로 증기를 발생시켜 가스터빈을 돌리는 에너지원으로 사용하며, 이를 통해 전기를 생산한다.

그림 1 핵분열에 의한 에너지 방출

 

핵분열 외에도 핵융합을 통해서도 핵에너지를 방출 시킬 수 있다. 대표적인 경우가 중수소 또는 삼중수소를 융합시켜 방출되는 에너지이다. 그림3에 나타낸 것과 같이 양성자 1개, 전자 1개로 이루어진 일반적인 수소 이외에, 핵 안에 중성자가 추가적으로 들어있는 중수소, 두 개의 중성자가 추가적으로 들어있는 삼중수소가 있다. 중수소 2개를 융합시켜 에너지를 발생시킬 수 있는 반응식은 아래와 같다. 중수소 핵융합을 통해서는 3.3 MeV의 에너지를 방출시킬 수 있다.

그림 2 원자력 발전소 개념도

 

더 큰 핵에너지를 방출 시킬 수 있는 핵융합 반응은 아래 식에 표현된 것과 같이 중수소와 삼중수소의 핵융합으로부터 발생되는 에너지이다. 이 경우 17.6 MeV의 에너지를 발생시킬 수 있어 훨씬 효율적인 에너지 생산이 가능하다.

그림 3. 수소, 중수소, 삼중수소

 

이와 같이 다양한 핵반응으로 핵에너지를 방출시킬 수 있으며, 이를 잘 활용하면 에너지원으로 활용 가능하다.

참고자료

• 〈핵에너지〉, 《물리학백과》

같이 보기

• 원자핵
• 에너지
• 핵분열
• 핵붕괴
• 핵반응

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