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원자의 에너지

원자의 거대한 에너지

핵융합과 핵분열

핵융합
핵분열

원자력은 원자로부터 방출되는 에너지를 의미합니다.
우리 눈에 보이지 않는 원자는 어떻게 에너지를 방출하는 것일까요?

원자핵을 이루는 양성자와 중성자는 아주 좁은 공간에서 서로 결합해 갇혀 있습니다. 이렇게 양성자와 중성자의 결합하고 있는 힘을 핵력이라고 하며 이 결합을 끊는데 필요한 최소한의 에너지를 결합에너지라고 합니다. 이 값은 원소마다 조금씩 다르며 핵자 1개에 대한 평균 결합에너지가 클수록 원소는 안정적인 상태를 갖게 됩니다.

자연계에 존재하는 원소 중에서 핵자 당 평균 결합에너지가 가장 큰 것은 철(Fe)입니다. 모든 원소는 안정적인 상태가 되려는 경향이 있기 때문에 철(Fe)을 기준으로 질량수가 작은 원소는 서로 결합해 철에 가까운 원소가 되려고 하고 질량수가 큰 원소는 쪼개져서 가능한 철에 가까운 원소가 되고자합니다. 합쳐져서 질량수가 큰 원소로 바뀌는 것이 핵융합 반응이고, 쪼개져서 질량수가 작은 원소로 되는 것이 핵분열 반응입니다.
핵융합과 핵분열 반응이 발생하면 거대한 에너지가 방출됩니다. 이는 핵반응 후 원자핵의 질량이 반응 전 질량보다 줄어드는데 이 때 줄어든 질량이 에너지로 변환되기 때문입니다. 다시 말해 핵반응을 통해 사라진 질량만큼 에너지가 방출된다는 것입니다. 이것이 바로 질량과 에너지의 상호 교환이 가능하다는 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리(-)입니다.

핵융합 반응은 태양계에서 일어나는 반응입니다. 가벼운 핵들이 서로 결합해 더 무거운 원소가 될 때 질량이 줄어들면서 에너지가 방출됩니다. 이 반응은 수소가 풍부한 태양이나 다른 항성들에서 에너지를 생성하는 반응으로 중수소와 중수소, 혹은 삼중수소와 중수소의 반응이 있습니다. 아직까지 핵융합 에너지 생산 기술은 연구 단계이며 국가핵융합연구소에 ‘K-STAR’라는 한국형 초전도 핵융합 연구 장치를 통해 핵융합 기초 실험을 진행하고 있습니다.

핵분열 반응은 현재 인류가 활용하고 있는 원자력 기술입니다. 우라늄과 같이 무거운 원소가 중성자와 충돌하면 두개의 작은 핵으로 나눠지고 줄어든 질량만큼 에너지를 방출하게 됩니다. 이 때, 2~3개의 중성자가 함께 방출되는데 이는 또 다른 우라늄 원소와 충돌해 연속적인 핵분열을 일으키게 됩니다. 이렇게 수많은 핵분열이 모여 발생한 에너지는 전기를 생산하거나 엔진의 동력으로 사용하며 중성자와 같이 핵분열로 발생한 입자들을 이용해 여러 가지 실험과 연구를 수행하고 있습니다.

담당부서
과학문화소통팀
담당자
김충환
연락처
042-868-4946

최종수정일2019.01.09

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