핵융합 — 태양은 무엇을 태우길래 46억 년을 타고 있을까

태양은 46억 년째 같은 밝기로 빛나고 있습니다. 만약 태양이 석탄 덩어리이고 그것이 타고 있는 것이라면 어떨까요. 태양만 한 석탄에 산소를 넉넉히 주어 태워도 몇 천 년이면 재만 남습니다. 46억 년은 어림도 없습니다. 태양은 무언가를 태우는 것이 아닙니다. 태양이 빛을 만드는 방법은 핵융합입니다.

태양의 중심은 1,500만 도입니다

태양은 거의 다 수소와 헬륨인 기체 덩어리입니다. 스스로의 무게에 눌려 중심으로 갈수록 뜨겁고 빽빽해지는데, 중심의 온도는 약 1,500만 K 에 이릅니다.

이 온도가 왜 필요한지가 핵심입니다. 원자핵은 모두 (+)전기를 띠고 있어 서로 밀어냅니다. 가까이 갈수록 미는 힘은 더 세집니다. 그래서 두 원자핵이 맞붙으려면 그 반발을 이기고 달려들 만큼 빠르게 움직여야 합니다. 온도가 높다는 것은 알갱이가 빠르게 움직인다는 뜻이고, 압력이 크다는 것은 알갱이가 빽빽해 부딪힐 기회가 많다는 뜻입니다. 태양의 중심은 그 두 조건이 함께 갖춰진 곳입니다. 핵융합이 일어나는 곳은 이 중심핵뿐이고, 거기서 만들어진 에너지는 바깥의 복사층과 대류층을 오래 거쳐 표면에 이릅니다.

수소 넷이 모여 헬륨 하나가 됩니다

태양 중심에서 일어나는 일을 한 줄로 적으면 이렇습니다. 수소 원자핵 네 개가 합쳐져 헬륨 원자핵 하나가 됩니다.

수소 원자핵은 양성자 하나입니다. 헬륨 원자핵은 양성자 둘과 중성자 둘입니다. 그러니 네 개가 합쳐지는 동안 양성자 둘이 중성자로 바뀌어야 합니다. 실제로는 네 개가 한꺼번에 부딪히는 것이 아니라 둘씩 만나는 단계를 여러 번 거칩니다. 하지만 들어간 것과 나온 것만 보면 결과는 위의 한 줄입니다.

이렇게 가벼운 원자핵이 합쳐져 무거운 원자핵이 되는 반응을 핵융합이라고 합니다.

줄어든 질량이 에너지가 됩니다

여기서 이상한 일이 벌어집니다. 수소 원자핵 네 개의 질량을 모두 더한 값보다, 만들어진 헬륨 원자핵 하나의 질량이 더 작습니다. 약 0.7 % 가 사라집니다. 이 줄어든 질량을 질량 결손이라고 합니다.

사라진 질량은 없어진 것이 아니라 에너지로 모습을 바꾼 것입니다. 얼마나 되는지는 아인슈타인이 적어 두었습니다.

$c$ 가 초속 30만 km 나 되고 그것을 제곱하니, 아주 작은 질량도 어마어마한 에너지가 됩니다. 태양은 이 방식으로 1초에 약 400만 톤씩 가벼워지면서 그만큼의 에너지를 빛으로 내보냅니다. 그래도 태양이 워낙 커서 앞으로 50억 년쯤은 더 탈 수 있습니다. 태양보다 무거운 별의 중심에서는 헬륨이 다시 뭉쳐 더 무거운 원소가 만들어지는데, 그 이야기는 별의 진화와 원소의 형성에 있습니다.

핵분열과는 반대 방향입니다

원자력 발전소에서 쓰는 것은 핵융합이 아니라 핵분열입니다. 우라늄처럼 무거운 원자핵이 쪼개지면서 에너지를 냅니다. 방향이 서로 반대인데도 둘 다 에너지가 나오는 것이 헷갈리는 자리입니다.

핵심은 둘 다 질량 결손이 생긴다는 것입니다. 아주 가벼운 원자핵은 합쳐질 때, 아주 무거운 원자핵은 쪼개질 때 질량이 줄고 그만큼 에너지가 나옵니다. 어느 쪽이든 화학 반응인 연소와는 견줄 수 없이 큰 에너지입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 태양 에너지의 근원을 고르게 하기. 수소 핵융합입니다. 연소도, 핵분열도 아닙니다.
• 반응식을 주고 들어간 것과 나온 것을 세게 하기. 수소 원자핵 4개가 헬륨 원자핵 1개가 됩니다.
• 반응 전후의 질량을 주고 질량 결손을 구하게 하기. 전체 질량에서 나온 질량을 뺍니다.
• 핵융합과 핵분열을 가려내기. 가벼운 것이 합쳐지면 융합, 무거운 것이 쪼개지면 분열입니다.
• 태양 중심의 조건을 묻기. 높은 온도와 큰 압력이 함께 있어야 원자핵 사이의 반발을 이깁니다.

자주 헷갈리는 것

• "태양이 탄다" — 연소가 아닙니다. 연소는 산소와 결합하는 화학 반응이고, 태양에는 태울 산소도 없습니다. 원자핵 자체가 바뀌는 반응입니다.
• "질량이 사라지면 보존 법칙이 깨진 것 아닌가" — 질량과 에너지를 따로 세면 그렇게 보일 뿐, 둘을 한 묶음으로 보면 보존됩니다. 줄어든 질량만큼 에너지가 늘었습니다.
• "온도만 높으면 핵융합이 일어난다" — 빽빽해야 부딪힙니다. 높은 온도와 큰 압력이 함께 필요합니다.
• "수소 원자 네 개가 한 번에 부딪힌다" — 둘씩 만나는 단계를 여러 번 거칩니다. 한 줄로 적은 식은 처음과 끝만 요약한 것입니다.

정리합니다. 태양은 무언가를 태우는 것이 아니라, 중심의 높은 온도와 큰 압력 속에서 수소 원자핵 넷을 헬륨 원자핵 하나로 뭉치고 있습니다. 그 과정에서 질량의 약 0.7 % 가 줄고, 줄어든 질량이 $E = \Delta m c^2$ 만큼의 에너지가 되어 빛으로 나옵니다. 작은 질량이 큰 에너지가 되기에 46억 년을 버틸 수 있었습니다.