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Start Up Innovation / Science
핵융합, 소입자가 촉매로 작용
‘뮤온’ 활용으로 효율 높아져

-- 새로운 아이디어를 기반으로 연구 --
‘뮤온(Muon) 촉매 핵융합’이라고 하는 독특한 방식의 핵융합이 최근 다시 주목 받고 있다. 핵융합을 일으키는데 필요한 소입자 ‘뮤온(뮤 입자)’을 촉매처럼 반복해 사용하는 방법이다. 대량의 뮤온이 만들어지는 대강도(大强度) 양자가속기 시설 ‘제이팍(J-PARC, 이바라키 현)’에서 새로운 아이디어를 기반으로 연구가 시작되고 있다.

태양의 에너지원인 핵융합 반응. 수소와 그 동위체(중수소와 삼중수소)가 결합해 헬륨이 될 때 에너지를 만들어낸다. 프랑스에서 건설 중인 국제열핵융합실험로(ITER) 등은 원자핵과 전자가 초고온∙고압으로 뿔뿔이 흩어지는 플라즈마 상태를 만들어 핵융합이 일어나기 쉬워지도록 하는 방식을 이용한다.

-- 낮은 온도에서 발생 --
이에 반해, 뮤온 촉매 핵융합은 훨씬 낮은 온도에서 수소 등의 핵융합을 일으킬 수 있다고 알려져 있다. 이 뮤온이라고 하는 소입자를 융합하려는 수소에 포획시키는 등을 통해 핵융합 반응을 연속적으로 추진할 수 있게 된다.

뮤온 촉매 핵융합에서는 뮤온 중에서 마이너스 전하를 가진 마이너스 뮤온을 이용한다. 마이너스 뮤온은 전자와 성질이 매우 비슷하다. 중수소와 삼중수소에 뮤온 빔을 조사(照射)하면 이들 원자가 뮤온을 포획한 ‘뮤온 원자’를 만들고 이로 인해 핵융합이 일어나기 쉬워진다.

뮤온은 전자보다도 약 200배 무겁기 때문에 뮤온 원자로는 뮤온이 원자핵을 회전하는 궤도가 전자에 비해 약 200분의 1로 축소된다. 이 때 원자핵이 가지고 있는 플러스 전하가 뮤온의 마이너스 전하에 의해 없어져 중성이 되기 때문에 그 주위에 있는 통상적인 원자가 접근하기 쉬워진다.

이렇게 해서 만들어진 ‘뮤온 분자’의 핵들은 높은 확률로 핵융합 반응을 일으킨다. 핵융합이 이루어지면 알파입자(헬륨 원자핵)가 만들어져 중성자를 방출한다. 발전 등의 경우는 이 중성자를 에너지로써 이용하는 것이다.

핵융합 반응 이후, 뮤온은 자유로운 상태가 되고 자연 붕괴될 때까지 다시 뮤온 수소 원자를 만들어 다음 핵융합 반응의 매개가 된다. 이처럼 하나의 뮤온이 몇 번이고 핵융합 반응의 매개가 되기 때문에 뮤온 촉매 핵융합이라고 부르는 것이다.

뮤온 촉매 핵융합 가능성은 1950년대 후반에 실험을 통해 확인되었지만, 당시에는 에너지원으로는 도움이 되지 못한다고 생각되었다. 1970년대에 들어 구소련을 중심으로 이에 대한 연구가 추진되었고 1980년대부터는 세계적으로 연구가 활발해졌다.

일본에서는 뮤온 연구의 권위자 나가미네(永嶺) 도쿄명예교수의 연구팀이 고에너지가속기연구기구와 영국의 러더퍼드애플턴연구소(Rutherford Appleton Laboratory, RAL)에 이화학연구소가 설립한 뮤온 연구시설에서 활동했다. 이후 한 동안 중단되었지만 작년부터는 고에너지가속기연구기구 등이 운용하는 제이팍에서 새롭게 뮤온 연구가 시작되었다.

새로운 프로젝트는 문부과학성의 과학연구비 보조사업인 우주관측검출기와 양자 빔을 연구하는 새로운 학술 영역 연구로서 실시. 기노(木野) 도호쿠(東北)대학 조교 팀이 새로운 방식을 통한 뮤온 촉매 핵융합 가능성을 검증하고 있다.

-- 중수소로 충격파 일으켜 --
기존의 연구에서는 뮤온 촉매 핵융합을 통해 얻을 수 있는 에너지가 뮤온을 만들어내기 위해 투입되는 에너지에 미치지 못한다는 문제가 있었다. 지금까지의 방법은 중간에 극저온에서 뮤온 수소 원자로부터 생성되는 분자를 만드는 과정이 있어 기노 조교 연구팀은 이것이 저효율의 원인이라고 보고 있다.

이것을 피하기 위해 연구팀은 뮤온 원자를 고온의 수소 동위체와 충돌시켜 분자 생성 과정을 거치지 않는 ‘비행중(飛行中) 뮤온 촉매 핵융합’을 목표로 하기로 결정했다. 중수소와 삼중수소의 혼합 가스의 초음속 기류를 통해 충격파를 일으키고 이 충격파의 중첩을 통해 고밀도의 핵융합 반응이 일어나기 쉬운 상태를 만드는 것이다.

제이팍에서 뮤온 실험을 총괄하는 미야케(三宅) 고에너지기구 교수는 “처음에는 중수소만을 이용한 실험을 시행하는 등 단계적으로 연구를 추진해나가는 것을 검토하고 있다”라고 실험 계획에 대해 말한다.

같은 연구 영역에서는 뮤온 촉매 핵융합 반응을 뮤온 빔을 냉각 수단으로 이용해 여러 가지 물질을 파괴하지 않고 나노미터의 분해능(分解能)으로 관찰할 수 있는 혁신적인 마이너스 뮤온 빔을 만들어낸다는 계획도 있다. 이처럼 새로운 아이디어를 통해 뮤온 핵융합 연구가 다시 활성화되기 시작하고 있다.

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