원자로는 핵반응로라고도 불리며, 핵반응에 의해 생성되는 열을 이용하여 전기 에너지를 얻는 장치이다. 핵반응은 원자핵이 양성자·중성자 등 다른 입자와 충돌하여 별개의 원자핵으로 변환되는 과정을 의미한다. 이 때 아인슈타인이 발표한 질량-에너지 등가원리인 ‘E=mc²’가 적용된다. 핵반응이 일어나면 반응 전·후의 양성자와 중성자 수는 보존되지만 질량(m)이 변하게 된다. 변화한 질량에 빛의 속도(c=3.0×108m/s)가 제곱만큼 곱해진 양의 에너지(E)가 발생하기 때문에 핵반응은 막대한 에너지를 끌어낼 수 있다.

  핵반응은 두 가지로 나뉜다. 우선 핵분열은 무거운 원자핵이 중성자를 흡수해 두 가지 이상의 가벼운 원자핵으로 쪼개지는 반응이다. 핵분열이 발생하면 많은 열과 함께 평균적으로 2.5개의 중성자가 다시 나오는데, 이 중성자들이 연속적으로 핵분열을 일으켜 연쇄반응이 일어난다. 현재 가동되는 거의 모든 원자로는 핵분열 발전에 기초하고 있다. 핵분열 발전은 연쇄적인 핵반응으로 큰 에너지를 얻을 수 있지만, 반응 속도를 조절해 안정적이고 일정한 에너지를 발생시키도록 해야 한다. 반응 속도를 조절하지 못하면 한꺼번에 많은 핵반응이 일어나 막대한 에너지가 방출되면서 사고로 이어질 수 있기 때문이다.

  반면 핵융합에서는 핵분열과 정 반대의 반응이 일어난다. 두 개의 가벼운 원자핵이 모여 하나의 무거운 원자핵을 형성하는 것이다. 태양이 높은 열과 빛을 내는 것도 핵융합 반응에 의해 가능하다. 핵융합 발전은 주로 중수소, 삼중수소와 같은 원자핵이 충돌할 때 발생되는 에너지를 사용한다. 이런 핵융합 발전은 미래의 친환경에너지로 주목받고 있다. 핵분열 발전과 달리 방사성 폐기물이 생기지 않으며 안전성이 보장되기 때문이다. 그러나 현재 기술로는 핵융합 발전의 상용화가 멀기만 하다. 원자핵은 양전하를 띠고 있기 때문에 서로 밀어내는 힘을 갖는데, 이를 이겨내고 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 상당히 높은 에너지가 필요하다. 따라서 고온의 플라스마 상태로 가열해야 하는데 현재 기술로는 초고온의 플라스마상태를 지속적으로 가둘 수 있는 장치가 없는 상황이기 때문이다.

  한편 영화 속 아이언맨의 아크원자로는 팔라듐을 사용한 핵융합 방식이다. 일반적으로 연구되는 핵융합과 달리 전기분해를 사용하는 상온핵융합인 것이다. 한 때 연구자들은 팔라듐 안에 중수소가 고밀도로 모이게 되면 핵융합이 일어날 수 있다고 보았다. 그러나 오늘 날에는 사실상 재현이 불가능하다고 밝혀졌다. 따라서 아이언맨처럼 상온핵융합 원자로를 몸에 착용하는 것은 더욱 요원해 보인다.

*참고자료 : <2015 핵융합 설명 브로슈어>, 국립핵과학연구소