HOME > 원자력 홍보관 > 원자력 이야기
어떻게든 태양처럼 무공해 에너지를 공급하는 미니태양을 만들 수 없을까? 그런 생각들이 과학자들간에 논의되기 시작하였다. 그렇다면 우선 태양은 어떻게 그 많은 무공해 에너지를 그토록 오랫동안 공급할 수 있을까? 태양이 어떻게 그 많은 에너지를 만들어 낼 수 있는가를 가장 먼저 과학적으로 생각한 사람은 캘빈 공(Lord Kelvin)이었다. 그는 태양이 가진 막대한 중력이 에너지를 만들어내고 있다는 생각을 했다.

태양은 사실상 거대한 수소가스의 뭉치인데 중심을 향한 막강한 중력이 수소가스가 공중으로 달아나지 못하도록 잡고 있는 것이다. 중력에 의하여 잡혀있는 수소가스 원자들은 가만히 있지 않고 움직이고 있기 때문에 그 운동에너지가 바로 열에너지로 변하여(사실상 불규칙한 원자의 운동에너지가 바로 열에너지인 것이다) 태양을 저렇게 뜨겁게 만들어 빛을 내고 있다는 생각이었다.

그러나 구체적인 계산을 해보면, 태양 정도의 질량을 가진 물체가 중력에 의한 에너지 생산으로 표면온도를 6,000도(태양의 표면온도임)로 유지하려면 수천만 년 밖에 지탱하지 못한다. 태양표면이 6,000도 정도를 유지하여야만 이 지구상에 생명체가 살아갈 수 있는데, 지층에서 나오는 화석을 보면 수십억 년 전부터 우리 지구에는 생명체가 있었다는 확증이 나온다. 따라서 중력에너지 때문에 태양이 저렇게 뜨겁게 불타고 있다는 말은 사실이 아니다.

해결책이 요원할 때 마침 E=mc²으로 표현되는 질량과 에너지의 등가 원리에서 무거운 핵이 갈라지는 핵분열 반응뿐만 아니라 핵이 합치는 핵융합 반응에서도 막대한 에너지가 나올 수 있다는 결론이 알려지게 된다. 이를 이용하여 미국 코넬 대학의 한스 베테(Hans Bethe)교수는 태양에너지는 핵융합 반응에서 생성된다는 이론을 내세우게 된다.

그의 주장에 따르면 중력 때문에 짓눌린 태양의 중심부의 온도는 2,500백만도 정도로 상승한다. 이렇게 높은 온도가 되면 수소핵인 양성자가 서로 융합하면서 중수소가 되고 이 중수소들이 다시 융합하면서 헬륨이 된다. 이런 과정에서 막대한 핵융합 에너지가 나오며, 이 에너지가 표면에 전달되면서 태양을 저렇게 뜨겁게 만들어 우리들에게 고마운 빛을 보내주고 있다는 결론이다.

중력에 의한 수축 때문에 생기는 에너지보다 상상조차 할 수 없는 강한 에너지를 만들어내는 핵융합 반응이기에 태양정도 크기의 수소뭉치라면 거의 백억 년 정도 태양 표면을 6,000도로 유지할 수 있는 핵연료가 된다는 계산이 나온다.

그뿐만 아니라 수소핵과 수소핵이 융합하면 중수소와 더불어 중성미자라는 소립자와 전자의 반입자인 양전자(Positron)가 나온다. 이 중에서 양전자는 태양이 가지고 있는 전자와 부딪쳐서 소멸하여 없어지고 에너지를 생성하지만, 중성미자는 물질들과는 거의 상호작용을 하지 않으므로 태양 중심부에서 그냥 빠져 나온다.

중성미자는 보통 물질과 아무런 상호작용도 없기 때문에 마치 태양의 물질이 존재조차 하지 않는 것처럼 빠져 나온다. 사실상 태양에서 나오는 광량자(빛도 물질처럼 최소단위의 알갱이로 되어있다. 물질의 최소단위를 원자라고 하듯이 빛의 최소단위인 알갱이를 광량자라고 한다)보다 수천 배 많은 중성미자가 태양으로부터 우리 지구에 날아오고 있다. 그렇지만 우리들은 그런 중성미자를 보지도 못하고 느끼지도 못하고 있다. 그 이유는 ‘중성미자’란 무게도 없고(정확히는 거의 없고) 전기량도 가지지 않으며 냄새도 나지 않는 ‘겨우 존재하는’ 실체이기 때문이다. 태양이 정말로 핵융합 반응을 일으키고 있는 거대한 원자로라면 그런 이론의 확증을 실험적으로 알아내야 한다. 그런 증거를 잡으려면 수많은 중성미자를 잡아야 한다.

1960년대에 이르러 미국의 데이비스 박사팀은 노스 다코타(North Dakota)주에 있는 폐광이 된 금광 속에 거대한 중성미자 검출기를 만들어 태양에서 날아오는 ‘중성미자’를 포획하였다. 지상에 있으면 빛 뿐이 아니라 온갖 전파 그리고 우주선의 소립자 때문에 ‘겨우 잡을 수 있는’ 중성미자를 식별하기란 불가능하기에 땅속 깊이 중성미자 검출장치를 설치한 것이다.

지하 깊은 곳이기에 빛을 포함한 다른 모든 소립자는 차단되고, 물질과는 상호작용을 하지 않는 중성미자만이 그대로 땅을 뚫고 검출장치까지 올 수 있기 때문에 지하 1㎞나 되는 금광 속에 그런 장치를 설치하는 것이다. 그 장치가 작동하면서 드디어 태양으로부터 날아 온 중성미자를 처음으로 포획하게 되었고, 이로써 태양이 핵융합 반응에 의하여 그 에너지를 공급하고 있다는 것이 과학적 확증으로 받아들여지게 되었다.

그로부터 30년이 지난 지금에는 태양에서 날아오는 ‘제3의 빛’인 중성미자를 통해서 우주를 관측하는 중성미자 망원경이 일본, 미국 및 구라파에 설치되어 있다. 일본의 경우 오사카에서 기차를 타고 약 한 시간 반 정도 동해를 향해서 가면 가미오카(神岡)라는 인구 8,000명 정도의 광산촌이 나타난다. 그곳에 이미 폐광이 된 아연 광산의 지하 1.5㎞되는 곳에 슈퍼 가미오칸데(Super Kamiokande)라는 이름의 중성미자 망원경이 있다. 이 중성미자 망원경으로 지구의 반대편에 있는 태양의 사진을 찍고 있다.


‘제3의 빛’인 중성미자로서 본 태양은 눈으로 본 태양과는 사뭇 다르게 그 내부가 보인다. 태양 뿐만 아니라 폭발하는 초신성의 내부도 이 중성미자 망원경으로 볼 수 있다. 그러기에 작은 광산촌인 가미오카 시청에는 “우리는 땅속에서 별을 봅니다”라는 자랑스러운 간판이 붙어 있다. 이제 본론으로 돌아가서 어떻게 ‘미니태양’을 만들 수 있는지 알아보자.
서울 영등포구 여의도동 45-13 코오롱 포레스텔 1408호 | ☎ (02) 784-4060
Copyrightⓒ 2016 WIIN. All rights reserved.