Observation of Thermal Deuteron-Deuteron Fusion in Ion Tracks

별의 중심부와 목성 같은 거대 행성의 내부 깊은 곳에서는 원자들이 매우 강렬하게 압착되어 서로 융합하며, 이 과정에서 발생하는 에너지가 이 천체들을 빛나고 따뜻하게 만듭니다. 지구에서 과학자들은 실험실에서 이 과정을 재현하기 위해 오랫동안 노력해 왔지만, 그 작업은 매우 까다롭습니다. 원자핵은 양전하를 띠고 있어 마치 두 개의 강력한 자석이 서로 밀어내는 것처럼 자연적으로 서로를 밀어냅니다. 이들을 융합시키려면 이 반발력을 극복할 수 있도록 믿을 수 없을 정도로 빠른 속도로 충돌시켜야 하며, 이 장벽은 보통 수백만 도의 온도를 필요로 합니다. 그러나 행성 내부의 조밀하고 차가운 환경에서는 원자들이 훨씬 느리게 움직이며, 이곳에서 핵융합은 불가능해야 합니다. 하지만 물질 세계에는 이 그림을 바꿀 수 있는 미묘한 힘이 존재합니다. 금속 내부의 주변 전자들이 차폐막 역할을 하여 핵 사이의 반발력을 약화시키고, 상대적으로 낮은 온도에서도 핵들이 충분히 가까워져 융합할 수 있게 해줄 수 있다는 것입니다.

수십 년 동안 연구자들은 중수소(수소의 무거운 형태) 빔을 금속 표적에 쏘아 이 '전자 차폐(electron screening)'라고 알려진 현상을 관찰하려고 시도해 왔습니다. 이전의 실험들은 빔의 속도가 느려질수록 반응률이 증가하는 모습을 보여주었지만, 원자들이 따뜻한 방 안에서처럼 매우 느리게 움직이는 진정한 '열 에너지(thermal energies)' 수준에서 핵융합 반응이 일어나는 것을 성공적으로 관찰한 사례는 없었습니다. 이제 폴란드의 물리학자 팀이 중요한 진전을 이루어냈으며, 이러한 열 속도에서 발생하는 중수소-중수소 핵융합을 직접 관찰했다고 보고했습니다. 이들은 중수소 이온을 지르코늄, 티타늄, 팔라듐 블록에 쏘아 부딪히게 했고, 그 과정에서 놀라운 새로운 행동을 발견했습니다. 즉, 가장 낮은 에너지 단계에서 반응이 예상대로 단순히 느려지거나 멈추는 것이 아니라, 빔이 아무리 느려지더라도 지속되는 일정하고 일정한 반응률에 안착했다는 것입니다.

연구진은 이 데우테륨 빔을 에너지 수준이 625 전자볼트(eV)까지 낮출 수 있는 고도로 정밀한 가속기 시스템을 사용하여 이를 달성했는데, 이는 이 유형의 실험에서는 이전에 도달할 수 없었던 정밀함이었습니다. 그들은 중수소 원자가 포화된 금속 표적에 빔을 조사하고, 핵이 융합할 때 생성되는 양성자를 측정했습니다. 빔 에너지를 낮춤에 따라 융합 횟수는 원자 간의 반발력을 극복하기 어려워짐에 따라 나타나는 예측 가능한 곡선을 따라 급격히 감소했습니다. 그러나 에너지가 특정 임계값 아래로 떨어지자, 반응 수율은 더 이상 떨어지지 않았습니다. 그것은 하나의 평탄한 구간(plateau)으로 변하여, 들어오는 입자의 속도가 얼마나 느려지든 상관없이 지속되는 꾸준한 융합 이벤트의 흐름을 보였습니다.

이 평탄한 구간은 단순한 직선이 아니었습니다. 그것은 사건의 본질을 드러내는 뚜렷한 특징을 가지고 있었습니다. 표준적인 핵융합 반응에서는 충돌 에너지에 의해 결정된 특정한 속도로 결과물인 양성자가 튀어나갑니다. 하지만 이 저에너지 평탄 구간에서 검출된 양성자들은 느리게 움직이는 빔이 만들어낼 수 있는 것보다 훨씬 높은 에너지를 가지고 있었습니다. 이는 융합이 빠른 속도의 빔과 정지된 표적 사이에서 일어난 것이 아니라, 서로에 대해 사실상 정지 상태에 있는 중수소 원자들 사이에서 일어났음을 의미했습니다. 반응은 들어오는 빔의 속도가 아니라 금속 자체에서 발생하는 열에 의해 핵들이 융합하는 열적 평형 상태에서 일어나고 있었던 것입니다.

이 현상이 어떻게 가능한지 설명하기 위해, 연구팀은 빔 자체에 의해 발생하는 미세한 손상 모델을 활용했습니다. 고에너지 이온이 금속을 타격하면 '이온 트랙(ion track)'이라고 불리는 매우 뜨거운 원통형 경로가 생성됩니다. 이 미시적인 트랙 내부에서는 온도가 급격히 상승하여 금속 격자를 순간적으로 녹이며 극심한 열적 요동이 발생하는 영역을 만듭니다. 이렇게 녹아내리고 고도로 흥분된 상태에서는 금속 안에 갇혀 있던 중수소 원자들이 매우 활발하게 움직이며 서로 빠르게 확산하고 충돌합니다. 연구진은 금속의 특성이 결정적인 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 수소를 매우 쉽게 통과시키는 팔라듐이 지르코늄이나 티타늄보다 훨씬 더 강한 효과를 보였습니다. 이는 금속 내에서 가열된 트랙을 따라 중수소가 이동하기 쉬운 정도가 핵융합을 일으키는 핵심 요소임을 확인시켜 주었습니다.

또한 이 연구는 재료의 내부 구조의 중요성을 강조했습니다. 사용된 금속들은 전자를 가두는 데 도움을 주는 미세한 결함과 불순물을 포함하고 있었으며, 이는 핵이 융합할 수 있을 만큼 가까워지도록 하는 차폐 효과를 더욱 강화했습니다. 티타늄의 경우, 이 효과가 매우 두드러져서 이러한 효과가 없을 때 예상되는 것보다 반응률이 만 배나 증가했습니다. 연구팀은 이 전자 차폐, 반응을 위한 일시적인 가교 역할을 하는 헬륨 핵의 특정 공명, 그리고 이온 트랙 내의 고온이 결합하여 핵융합률을 수천 배 이상 높일 수 있다고 계산했습니다.

이 발견이 당장 내일 새로운 발전소를 지을 수 있다는 의미는 아니지만, 자연계에서 핵융합이 어떻게 일어날 수 있는지에 대한 우리의 이해를 근본적으로 변화시킵니다. 이는 전통적인 핵융합이 일어나기에는 온도가 너무 낮은 거대 행성의 조밀하고 차가운 내부에서, 전자 차폐와 국부적 가열을 포함한 유사한 과정들이 에너지를 생성하고 있을 수 있음을 시사합니다. 또한 이번 연구 결과는 재료를 신중하게 선택하고 미시적 행동을 이해함으로써, 과학자들이 열 에너지 수준에서 핵융합이 일어나는 조건을 만들 수 있음을 보여줌으로써 새로운 연구의 문을 열어주었습니다. 이 연구는 한때 불가능하다고 여겨졌던 현상에 대한 구체적인 설명을 제공하며, 금속 속의 차갑고 느린 원자와 별의 뜨거운 심장 사이의 간극을 메워주고 있습니다.