핵융합

한자: 核融合
영어: Nuclear fusion

1 개요

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핵융합과 핵분열 비교.[1]

고온에서 가벼운 원자핵들을 융합시켜 더 무거운 원자핵이 되는 과정에서 에너지가 생성되는 현상으로, 자연적인 현상으로는 그 유명한 태양 같은 항성이 있다. 말하자면 현재의 인공적인 핵융합은 조그맣고 수명도 아주 짧은 태양을 만드는 작업이라고 표현 할 수 있겠다.
태초에 핵물리학이 있었다

2 원리

기본적으로 모든 원자핵은 양성자 때문에 양전하를 띤다. 때문에 본래라면 원자핵은 서로 충돌하기 전에 척력이 작용해 서로 결합하는 경우가 없다. 하지만 초고온으로 가열되어 분자의 운동 에너지가 매우 강력해지면 이 척력을 이겨내고 원자를 충돌시키는 것이 가능하며, 이렇게 원자가 가까워지면 그 이후부터는 강한 핵력이 작용해 원자가 서로 결합하게 된다. 이 결합 과정을 핵융합이라 하고, 상용 핵융합 발전은 핵융합 부산물로 결손된 질량만큼 발생하는 에너지를 발전에 이용하려는 것이다.

태양을 포함한 우주의 모든 항성들은 막대한 중력으로 원자핵들 사이의 전자기적 반발력을 이겨내고 핵융합을 발생시킨다. 태양의 경우 태양의 핵에서 핵융합이 발생하는데 태양은 간단히 말해서 플라즈마 상태인 기체가 구 모양으로 뭉친 덩어리라고 할 수 있다. 중력은 전자기력이나 핵력에 비해 매우 약한 힘이지만 막대한 물질의 양으로 이를 이겨내는데 때문에 엄청난 무게에 짓눌린 태양의 핵은 매우 높은 압력을 받게 되고 핵융합이 발생한다. 태양 핵의 온도는 핵융합이 일어나는 데 보통 필요한 온도인 섭씨 수억도에 비해 훨씬 낮은 온도인 섭씨 1500만도 이지만 높은 압력으로 핵에서 안정적으로 핵융합이 발생할 수 있고 핵융합 연료로 쓰이는 원자핵의 수가 엄청나기 때문에 극히 낮은 확률로 발생하는 양자 터널링 현상이 빈번하게 일어나 낮은 온도에도 핵융합을 유지할 수 있다.[2] 이를 중력 가둠 핵융합이라고 하며 항성의 종류와 나이에 따라 양성자-양성자 체인 반응, CNO 사이클, 삼중 알파 과정 등의 다양한 핵융합 반응이 일어나고, 모든 항성은 가장 가벼운 연료(수소)부터 핵융합을 시작해 가장 무거운 부산물(철)이 발생할 때까지 핵융합 반응을 일으킨다.

우주 탄생 초기 우주의 온도가 아주 높았으므로 수소 원자가 생성된 후 온도가 핵융합을 할 수 없을 정도로 되었을 때 까지 핵융합을 계속 해 왔다. 때문에 우주원소들의 성 분 비도 여기에 맞춰서 수소가 가장 많고 그다음은 헬륨, 리튬 순인 것이다. 리튬도 다량 생성된 것으로 봐서 수소 핵융합 이후 헬륨 핵융합도 우주 전반에 걸쳐 일어났다고 할 수 있다.

여느 반응이 그렇듯 모든 반응은 계 전체의 관점에서 보았을 때 가장 안정한 형태를 향해 진행되는데, 앞서 간략히 설명했듯이 핵융합은 원자핵의 결합 에너지가 가장 큰 철이 되려는 경향을 보인다. 따라서 철보다 가벼운 분자끼리 반응하는 경우에는 질량이 에너지의 형태로 변환되면서 질량이 줄어들게 된다. 여담으로 이 이론은 초기에 그러면 우주에 다양하게 존재하는 철보다 무거운 원소는 어떻게 생성되었나를 설명하지 못했는데, 이는 초신성이라는 어마무시하게 높은 온도가 발생하는 존재가 확인되면서 해결되었다. 철보다 무거운 원소는 핵융합을 진행하면서 오히려 주변의 에너지를 흡수한다! 그렇기 때문에 우라늄이 핵분열할 때 에너지를 내놓는 것이다.[3] 일반인의 상식과는 다른 부분. 초신성 항목 참조.

핵이란 단어가 사용되기 때문에 핵융합이랑 핵분열을 구분 못하는 사람도 많다.

2.1 예시

존재하는 원소들의 대부분은 핵융합 과정으로 형성된다. 주계열성은 수소 핵융합 반응을 통해 에너지를 만든다. 별이 늙어가며 내부의 수소를 거의 다 쓰고 내부 온도가 1억 K에 도달하게 되면, 헬륨 핵융합 반응을 일으키며 베릴륨-8을 거쳐 탄소를 만들어낸다. 이후에는 탄소, 네온, 마그네슘, 산소 반응을 거치며 별의 중심 온도가 27억~35억 켈빈에 도달하게 되고, 최후의 핵융합 반응인 규소 핵융합 반응을 시작한다. 이 과정에서 황, 아르곤, 칼슘, 타이타늄, 크로뮴, 철, 니켈이 만들어진다. 이렇게 생성된 니켈-56은 방사성 붕괴를 일으켜 철-56으로 변한다. 철-56 이후로는 핵융합 반응을 하면 에너지를 소모하게 되어(흡열 반응), 별의 중력이 외부를 끌어당겨 수축하는데 이때 엄청난 열이 발생하여 중심핵의 외피 부근에 폭발적 핵반응이 일어나면서 별 전체가 폭발한다. 이것이 초신성이다.
태양과 비슷하거나 그보다 작은 항성에서 이루어지는 수소와 수소의 핵융합을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

  • 수소 원자가 두 개 던져졌다. 수소 원자는 양성자 하나와 전자 하나로 구성되었으니, 양성자 두 개와 전자 두 개라는 재료가 주어진 셈이다.
  • 여튼 주어진 재료를 있는 힘껏 충돌시킨다.[4]
  • 전자기력에 의해 척력만 받는[5] 전자와는 달리, 양성자들은 강한 힘으로 억지로 붙이면 강력으로 서로 끌어당긴다. 하지만 양성자 두 개는 불안정하다. 고로 안정화되어야 한다.
  • 얘네들이 서로 갖다 박을 때, 일정량의 에너지를 갖고 있다. 그 중 일부를 양성자 하나가 흡수한다. 이제 양성자는 양전자와 중성미자를 뱉어내면서 더 무거운 중성자가 된다.
  • 중성미자는 그대로 멀리 날아간다. 이 중성미자가 얼마만큼의 에너지를 낸다.
  • +전하를 띤 양전자는 주어진 두 개의 전자 중 하나와 합쳐진다. 그런데 양전자는 반물질이다. 고로 전자와 양전자가 충돌하여 전자 두 개 분량의 에너지를 내면서 사라진다.
  • 결국 나온건 양성자 하나와 중성자 하나와 전자 하나. 그리고 어느 정도 에너지를 갖고 튀어나간 중성미자와, 전자와 양전자가 충돌하면서 방출한 에너지.

간단히 말해 원자핵이 가진 위치에너지가 열에너지로 전환된다. 이 과정에서 당연히 계의 질량-에너지는 보존되며 엔트로피는 증가한다.

반대로 철보다 무거운 원자핵들은 척력을 이기는 것 뿐만이 아니라 융합 과정에서 소모하는 에너지까지 공급해줘야 하므로 더더욱 많은 에너지를 투입해야만 한다. 전기먹는 하마인 입자가속기로 무거운 방사성 동위원소를 만드는 것을 생각해보자. 그리고 그런 무거운 원자핵들은 나눌 때 에너지가 더 많이 나온다. 우라늄이 쪼개지면서 에너지를 방출하는 것을 생각해보자. 이게 핵분열이다. 우주에서도 일반적인 항성에서는 철보다 무거운 입자는 융합하지 못한다. 융합되는 경우는 초신성이라고 파악되는 편.

3 왜 주목받는가?

가벼운 원자를 융합시킬 때 튀어나오는 에너지는 우라늄 등을 이용한 핵분열에서 나오는 것에 비해 에너지의 산출량이 막대하고 [6] 발생되는 방사선 및 방사성 폐기물이 훨씬 적다.[7]

핵융합 이후 막대한 에너지가 방출되는데, 이것은 아인슈타인의 질량과 에너지의 등가성(等價性)의 원리([math]E=mc^2[/math])[8]에 의해 정확히 계산된다. 태양과 같은 별은 그 빛과 열 에너지가 핵융합에서 생긴다. 수소 1kg이 핵융합을 하면 1kg의 헬륨이 나오는 것이 아니라 0.9929kg의 헬륨이 만들어지는데, 이 때 사라진 0.0071kg의 질량이 에너지로 전환되어 태양의 막대한 에너지를 만들어내는 것.

결정적으로 핵융합의 재료는 거의 무한하다. 중수소는 바닷물에 풍부한데 이것을 전기분해하여 수소와 중수소의 질량 차이를 이용해 농축시켜 중수소를 얻을 수 있기 때문에 핵융합 발전이 상용화 된다면 완전히 무한하지는 않지만 그래도 엄청난 양의 전기를 생산할 수 있게된다.

그래서 차세대 인류의 에너지 창출원으로 각광받고 있다. 사실 인류뿐만 아니라 지구의 생태계 거의 전부가 여태껏 태양에너지 기반의 생활[9]을 했으므로 완전히 새롭지는 않지만, 인류가 제어하게 된 것은 처음이다.

3.1 핵융합 발전

핵분열과 마찬가지로, 막대한 에너지를 발전에 이용할 수 있다. 하지만 이를 위해서는 여러 산을 넘어야한다.
그리고 핵분열 발전과는 달리 방사능 물질이 훨씬 적게 배출되기에 기존의 화력발전소를 대체할 수 있다.

핵융합 반응이 일어나려면 매우 높은 온도와 압력이 필요하다. 가장 유리한 조건인 중수소-삼중수소(D-T)반응의 경우만 해도 실용화를 하기 위해서는 1억도 이상의 온도가 필요하며, 이 외에 중수소-중수소(D-D), 중수소-헬륨3(D-He3), 양성자-붕소(p-b11) 등의 경우는 핵융합이 일어나기 위한 조건이 훨씬 까다롭다.[10] 따라서 현재까지는 DT반응이 핵융합 발전의 가장 이상적인 모델이며, 삼중수소는 자연상태에서 획득하기 어렵지만, 리튬에 중성자를 충돌시켜 인공적으로 생산해 낼 수 있다.

현재 핵융합 발전을 위해 연구되고 있는 메커니즘은 여러가지가 있으나 이 곳에선 3개를 거론한다. ITER과 KSTAR를 비롯해 대표적으로 토카막을 이용하는 자기장 가둠(Magnetic Confinement) 방식이 그 중 하나이고, 다른 하나의 방법으로는 미국 국립점화시설등에서 연구되고 있는 관성 가둠(Inertial Confinement Fusion, ICF) 방식, 자기 가둠과 관성 가둠의 혼합 방식(MTF, MIF, MagLIF 등)이다.

3.1.1 자기장 가둠

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자기장 가둠 방식의 발전이 이뤄지는 기본 구조 자체는 매우 간단하다. "핵융합로에 중수소와 삼중수소를 넣는다. → 융합로에 자기장을 걸어 중수소와 삼중수소로 이뤄진 플라즈마[11]를 가둔다 → 플라즈마를 초고온으로 가열한다. → 자발적으로 핵융합 반응이 일어난다. → 핵융합 반응으로 얻은 에너지로 증기를 발생시킨다 → 증기로 터빈을 돌린다."[12] 다른 나머지 과정은 화력 발전이나 핵분열 발전(보통 원자력 발전이라고 불리지만 핵융합 발전과의 구분을 정확히 하기 위해 이하 핵분열 발전으로 칭한다)과 거의 일치하며, 핵융합 반응 단계를 좀 더 자세히 살펴보면, 중수소와 삼중수소가 융합되어 고에너지의 알파선과 중성자선이 발생한다. 먼저, 알파선은 전하를 가지고 있으므로 자기장에 영향을 받기 때문에 플라즈마를 벗어 날 수 없고, 알파선이 가진 에너지는 열로 전환되어 플라즈마를 가열하는데 소모되며,[13] 에너지를 잃은 알파선은 평범한 헬륨핵으로 변해 융합로 밖으로 배출된다.[14] 다음으로, 중성자선은 전하가 없으므로 전자기장의 영향을 받지 않고 플라즈마 밖으로 빠져나와 외부의 리튬 블랭킷에 충돌되고 새로운 삼중수소를 발생시킨다.[15] 또한 중성자선이 가진 에너지는 리튬 블랭킷에 전달되어 블랭킷을 가열하며 이 에너지를 통해 터빈을 돌려 전기를 생산하게 된다.

보통 수억도의 플라즈마를 어떻게 보관하는가가 가장 큰 문제일거라고 생각하겠지만, 자기장으로 가둬버리는 이론적 방안이 핵융합 개발의 초기부터 마련되어 있었으므로 과학자들은 이는 별로 문제될 것이 없다고 생각했었고, 핵융합 발전의 상용화에 대한 전망은 매우 고무적이었다. 문제는 자기장을 어떤 모양으로 만드냐는 것. 자기장 가둠 방식의 기본은 도넛모양의 가둠이다.[16] 반지모양의 자기 코일을 도넛모양으로 배치해 그 안에 플라즈마를 가두는 것. 하지만 여기에도 구조적으로 플라즈마가 불안정해지게 하는 요소가 담겨있으니, 도넛모양의 자기장 가둠 장치 구조상 플라즈마에 작용하는 외부 자기장은 도넛 바깥 방향으로 약해지기 때문에 플라즈마 내의 이온과 전자 쏠리면서 상하로 움직이고 포텐셜차에 따라 내부 전기장이 생기게 된다. 그러면 다시 이 전기장 때문에 플라즈마가 전체적으로 도넛 바깥 쪽으로 휘어 벽과 닿아서 붕괴.[17] 이를 막기 위해서는 플라즈마 띠 자체를 꼬아 줘야 한다. 이온과 전자를 위아래로 섞어 전기장을 상쇄하려는 것. 이때 자기장 가둠 방식에 회의를 가지고 관성 가둠 방식으로 선회하는 학자들이 많았다.

1955년 소련의 연구진에서 이 문제를 획기적으로 해결할 장치를 개발하는데, 그것이 바로 토카막(Tokamak)이다.[18] 토카막은 플라즈마에 전류를 흐르게 해 유도 자기장을 만들어 나선 운동을 하게 유도하는 방식을 취한다. 이로서 아예 제어가 거의 되지 않았던 초기의 다른 도넛모양의 관성가둠 방식에 비해선 플라즈마 가둠 시간이 비약적으로 향상되었다. 그래도 토카막이라고 해도 플라즈마를 무한정 장기간 안정된 상태로 유지할 수 있는 건 아니다. 따라서, 현재 토카막으로 대표되는 자장 가둠 발전의 상용화의 가장 큰 관건은 이 가둠 시간을 얼마나 오래 유지할 수 있는가이다. 당연히 토카막이라는 발상은 핵융합 발전의 문제점을 뚫어주는 단비같은 존재였기 때문에 자기장 가둠 방식을 연구하던 대다수 학계와 국가들은 이 방식에 몰두하게 된다. 특히 1970년대 이후부터 연구되는 거의 대다수 핵융합 실험로는 모두 토카막 방식. TFTR, JET등의 여러 시험용 토카막 핵융합로들은 자장 가둠 핵융합이 충분히 손익분기점을 넘을 수 있음을 확인하였고, 현재 가동중인 우리나라의 KSTAR는 2016년에 55초간 플라즈마를 유지하는데 성공했으며 2020년대에 300초에 도달할 것을 목표로 하고 있다(전문가들은 가둠 시간이 300초에 이르면 상용화의 수준은 이미 넘어서게 될 것이라고 전망하고 있다). 세계의 여러나라가 손잡고 함께 만들고 가동할 ITER도 토카막 방식으로 짓기로 결정되었고, KSTAR보다 더 장시간 플라즈마를 유지하는 것을 목표로 건설되고 있다.

그런데, 스텔러레이터(Stellarator)라는 방식도 존재한다. 겉으론 매끈하고 평범한 도넛모양의 토카막과 달리 스텔러레이터는 아예 뫼비우스의 띠처럼 여러번 꼬아서 만든 모양이다. 이론상으론 소련의 토카막보다 먼저 미국의 라이먼 스피처가 1951년에 고안한 것이지만 당연히 설계와 건설에서부터 괴악한 난이도를 자랑하기 때문에 토카막이 1970년대부터 활발히 연구되고 건설된 것에 비해 별로 각광받지 못하였다.[19] 그러다가 90년대가 되면서 슈퍼컴퓨터의 도움으로 상대적으로 쉽게 설계 및 시뮬레이션이 가능해졌고 여러 나라에서 관심을 가지게 되었다. 스텔러레이터는 토카막과 달리 플라즈마 자체에 전류를 흘릴 필요가 없어 플라즈마 유지에는 더 탁월하다. 도넛형 모양을 유지하게 하는 자기 코일 외에도 나선형 코일을 추가 배치해 자기장에 의한 플라즈마 회전 경로를 기하학적으로 풀어 플라즈마 스스로 수축되게 만드는 핀치 원리를 이용했기 때문. 이러니 당연히 만드는게 빡시다. 그래도 2015년 12월 독일이 스텔러레이터 디자인을 도입한 세계 최대 핵융합로인 벤델슈타인 7-X를 완공하였다. 이 실험로에서의 결과에 따라 다른 나라들도 스텔러레이터를 진지하게 고민하게 될 듯 싶다.[20] 하지만 ITER이 토카막 방식으로 하기로 확정이 된 상황이라, 자금적 여유가 없는 나라들은 토카막 방식을 유지할 것 같다. [21]

스텔러레이터의 하위 변종으로는 토카막과 스텔러레이터를 섞어서 만든것 같은 헬리오트론(Heliotron), 스텔러레이터 방식에서 외장 자기 코일을 제거하고 나선형 코일만 이용하는 톨사트론(Torsatron)같은 방식이 있다. 현재 헬리오트론 방식의 스텔러레이터는 일본의 LHD(Large Helical Device: 거대나선장치)가 유명하며 톨사트론 방식 또한 독일 등지에서 소규모로 제작되기도 하였다. 일단 2016년 현재로서는 토카막이 가장 대중적이며 일반인들에게도 널리 알려져있는 방식이다.

핵융합 발전(發電) 기술의 발전(發展)은 냉전의 도움이 대단히 컸다고 볼 수 있다. 냉전초기 미국과 구소련 양국 모두 핵무기에 필요한 핵물질의 생산 속도가 대단히 느린 점에 불안감을 가지고 있었고, 짧은 시간 동안 대량의 핵물질을 생산해낼 수 있는 방법을 경쟁적으로 찾고 있었는데, 양자 모두 핵융합로가 효과적인 중성자 증식로로 사용 될 수 있다는 점에 주목했다. 앞서 설명한 리튬 블랭킷을 우라늄 블랭킷으로 교체하는 것만으로도 핵융합로는 최고의 플루토늄 생산로로 완벽히 탈바꿈된다(당연한 얘기지만, 이 경우에는 더 이상 에너지를 생산하지 못하고 소비하게 된다). 평시에는 발전소로 사용하던 시설을 그대로 전시에는 최고의 핵무기 생산 공장으로 활용할 수 있다는 점은 양국 수뇌부에게 금상첨화가 아닐 수 없었고(물론 전술한 것처럼 블랭킷의 교체등 소소한 전환 작업은 필요하다), 중성자 증식로로 사용할 수만 있다면 심지어 핵융합 발전에 실패해도 나무랄 바 없었다. 결국 미소 양국 모두 제사보다는 젯밥에 관심을 가지고 핵융합 발전에 전폭적인 지원을 하게 되었던 것이다. 현재 원자력 발전소를 운용하는 나라들이 엄청나게 쌓여가는 플루토늄으로 골머리를 앓는 것을 보면 엄청난 아이러니. 미국과 구소련외에 다른 나라들이 핵융합 발전에 별로 관심을 두지 않다가 오일 쇼크 이후에 본격적으로 핵융합 발전에 투자하기 시작한 것도 같은 맥락에서 이해할 수 있다. 또한 관성 가둠 방식이 미국에서 유일하게 연구 되고 있는 것도 같은 이유다. 미국과 구소련을 제외한 다른 나라들은 모두 토카막의 개발이후 핵융합 발전에 뛰어들었으므로 관성 가둠 방식에 관심을 가질 필요가 없었고, 유이하게 그 이전부터 핵융합 발전을 연구하던 구소련이 망하면서 미국만 남게 된 것. 물론 미국이 관성 가둠 방식을 계속 연구하는데는 레이저 기술 향상의 목적도 있다(재미난 것은 미국의 레이저 기술 개발의 목적 또한 군사적 이유가 크다).

3.1.2 관성 가둠

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반면, 미국에서 주로 연구되는 ICF 방식 핵융합은 레이저를 이용하는데, 이는 중수소와 삼중수소의 혼합물로 이루어져있는 연료 펠릿 (Pellet)에 레이저를 쏘아 열과 압력을 가함으로서 핵융합이 시작된다.

레이저 에너지가 인가되면 펠릿이 정지하고 있는 사이 레이저 타겟 표면에서 플라즈마가 분출, 펠릿이 압축되고 압축된 연료 타겟의 중심부에서 핵융합 반응이 일어나는데, 레이저 세팅을 세밀하게 조정하여 충격파를 모두 중심부로 향하게 해 최대한 펠릿을 압축시키는 것이 가장 큰 기술적 과제이다.

220px-Nif_hohlraum.jpg

NIF에서 쓰는 금제 Hohlraum의 사진. 크기에 주목하라.

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NIF 연료 펠릿. 이 펠릿이 위의 Hohlraum에 장전되어 레이저 챔버에 설치된다.

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레이저 챔버에 설치 될 준비가 된 Hohlraum과 연료 펠릿.

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NIF 레이저 시스템. 무려 2조와트(즉 2테라와트)급으로, 세계최대, 최고의 레이저이다.
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레이저 타겟 챔버. 연료와 Hohlraum이 챔버에 장전되고 나면, 위의 레이저 시스템이 발생시키는 모든 에너지가 바로 이 챔버 내의 2mm짜리 연료펠릿에 집중된다.

현재 미국 에너지부 아래의 로렌스 리버모어 국립 연구소에 있는 국립점화시설(NIF, National Ignition Facility)에서는 2mm정도 너비의 연료 펠릿을 금으로 만든 hohlraum(공동)에 장전하여 타겟에 500TW(500조 와트) 규모의 레이저를 쏘아 핵융합을 시도하고 있는데, 기술력 한계로 인해 인가된 레이저의 20%만이 실제로 펠릿에 조사되므로, 실험에 큰 어려움을 격 겪고있다.美서 500조와트 레이저빔 照射 성공

이로 인해 2012년에 모 기관인 에너지부의 감사까지 받게 되는 등, 관성 핵융합에 대한 기대는 사라져가고 있었으나....

2013년 9월, 마침내 Energy Milestone (에너지 시금석)을 지나는데에 성공했다!!

이는 핵융합 점화로까지 평가되기는 힘들지만, 알파입자를 밖으로 빠져나오게 그대로 두는게 아닌, 강제로 펠릿의 온도를 높이는데에 사용해야한다는 이론의 입증에는 성공한 것 이다. Alpha Particle Self Heating을 통해, 마침내 펠릿이 실제로 흡수한 에너지보다 많은 에너지를 핵융합으로 방출해 내는 것에 성공한것.

물론, 펠릿에 레이저 에너지가 전해지면서 잃어버리는 에너지가 실제로 펠릿에 조사되는 에너지보다 훨씬 많으므로, 레이저의 출력에 비하면 핵융합으로 생산된 에너지는 보잘것 없다. 실제로 2013년 실험에서 핵융합으로 생산된 에너지는 14KJ, 조사된 레이저의 출력은 1.8MJ였으니....

하지만 더욱 강력한 핵융합을 유도해낼 이론적 가능성을 실험적으로 확인했다는 것에 큰 성과라고 볼 수 있다.

관성 가둠 방식은 레이저만 이용한 것이 있는게 아니다. 레이저 대신 음파발광 현상을 이용한 관성 방식(Bubble)도 있다. [22] 아래에서 소개할 관성정전기 가둠(Inertial electrostatic confinement)도 관성 가둠 방식. 또 다른 대중적인 관성 가둠 방식으로 Z-pinch도 있는데, 대표적으로 미국의 Z machine이 유명하다. 전자기파 충격을 이용해 핵융합 원료로 이루어진 플라즈마를 사실상 압축 폭발시켜버리는 방법. 사용할 때마다 대포 터지는 소리가 들리니 이런 것이 실용화되면 엄청난 민폐가 될 것 같다..

관성 가둠 방식에 많은 회의적, 비판적 시선이 존재하는데, 관성 가둠 방식은 모든 에너지가 단 한번의 작용에서 발생한다는 쟁점이다. 자기장 가둠 방식은 현재 단지 몇초~분 밖에 플라즈마를 유지하지 못하지만 장기적으로 보아 ITER 목표인 16분 이상이라도 유지한다면, 그동안 지속적으로 열을 받은 물이 증기가 되고 터빈을 돌려 전기를 만들 것이다. 하지만 관성 가둠 방식은 터빈을 돌릴 물(증기)에 열을 '지속적'으로 제공해주는 방식이 아니다. 그러므로 관성 가둠 방식의 다음 기술적 난점은 이 작용을 얼마나 빨리, 자주 연쇄적으로 일으켜줄 수 있는가이다. 위에서 예로든 NIF의 경우 핵융합을 일으킬 때마다 새로운 연료 펠릿을 넣어줘야 하는데 과연 중간에 물(증기)이 식지않게 작업할 수 있을까? 이 때문에 많은 관성 가둠 방식은 발전에 적합하지 않는다고 생각하는 사람들이 많다. 더욱더 군사적인 의도로 핵융합을 개발 중이라는 의심에 부채질하는 꼴.[23]

3.1.3 관성+자기 가둠

관성 가둠과 자기 가둠을 혼합한 방식도 있는데 대표적인 것으로 자화표적핵융합(MTF: Magnetized Target Fusion), 자기관성핵융합(MIF: Magneto Inertial Fusion), 자화선형관성핵융합(MagLIF: Magnetized Linear Inertial Fusion)등이 있다. 이들 방식은 주류는 아니지만 일본이나 유럽 일부 국가들에서 연구가 되고 있으며 최근 미국 에너지부 소속 연구기관이나 대학, 스타트업 기업 등에서 자주 시도되고 있다.

대표적인 예로 미국 Tri Alpha Energy 사와 Helion Energy 사, 캐나다의 General Fusion 사의 핵융합로를 들 수 있는데, 세 회사 모두 두 개의 대포 포신을 맞댄 모양을 하고 있는 핵융합로를 개발하였다. 헬리온 에너지와 트라이 알파 에너지는 핵융합로의 양쪽 끝에서 발생시킨 플라즈마를 마치 레일건처럼 자기력을 이용해 고속으로 가속시켜 가운데에서 충돌시키는 방식을 사용하였고 제너럴 퓨전사는 앞의 두 회사와 마찬가지로 양쪽 끝에서 플라즈마를 발생시키지만 고속으로 가속시키지는 않고 두 플라즈마를 가운데로 쏘는 동시에 피스톤을 이용해 외부에서 추가로 압력을 가하는 방식을 사용하였다.

Tri Alpha Energy 사의 핵융합로. Helion Energy 사의 핵융합로도 거의 비슷한 방식이다.
General Fusion 사의 핵융합로

3.1.4 집에서 만드는 핵융합로

일으키기도 어렵고 유지하기도 어려운 핵융합이지만, 취미의 영역에서 핵융합을 일으키는 사람들도 있다. 그것도 집에서 개인적으로. 심지어 17살 고딩도 집에서 뚝딱뚝딱해서 만든 핵융합로가 신문 기사에도 떴던 적이 있었다!

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위 사진은 실제 핵융합중인 모습으로, Philo Farnsworth[24]가 관성정전기 가둠(Inertial electrostatic confinement, IEC)[25]을 응용하여 만들어낸 Farnsworth–Hirsch Fusor란 놈으로, 그냥 Fusor라고 부른다. 사실 아이디어는 필로 판스워스가 TV개발하면서 진공 튜브에서 벌어지는 현상을 갖고 핵융합을 할수 있을까 하고 연구한게 시조라고...아무튼 IEC 핵융합에서 가장 대표적인 방식은 Fusor 이지만 Polywell 이라는 또다른 관성정전기 가둠 핵융합 방식도 있다. 이 방식은 로버트 버사드라는 물리학자가 고안하였다. 한국인이 대표로 있는 미국의 EMC2(Energy/Matter Conversion Corporation)사에서 개발하는 핵융합로도 Polywell이다(이 회사를 세운 사람도 로버트 버사드다!).

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Fusor의 구조도... TV카메라는 덤.

현재 여러 사람들이 취미로 이 Fusor를 만들고 있다고 한다. 실제 핵융합이 되긴 하지만, 여러 이유로 매장상태다.
제일 큰 이유는 연료 : 에너지 비율이 1 : 10은 넘어야 "이야 씡난다! 상업운전 하자!"인데, 이놈은 10 : 1이 나온다는 거다. 그러나 여기에 태클거는 사람들도 있어서 어찌될지는 미지수...

어쨌든 테슬라 코일과 마찬가지로 Fusor도 설계도는 인터넷에 있으며, 재료들을 불법적으로 구하지만 않는다면 만들어도 상관없다고 한다. 물론 중수소를 구할수 있다면 말이지...[26]

그런고로 이 놈은 거의 취미생활에 사용하거나, 아님 값싼 중성자원으로 써먹고 있다고 한다. 중성자원이 되는 이유는 아까 말했다시피 안에서 실제 핵융합이 일어나면서 중성자를 내뱉기 때문(...)퉷

3.2 군사적 이용

이 핵융합 현상을 이용한 핵무기가 바로 수소폭탄이라고 불리는 핵폭탄이다. 수소폭탄의 경우 핵융합을 이용한 것이기 때문에 수소 융합반응에서는 분열생성물과 같은 다량의 방사능이 발생되지 않으므로 수소폭탄 자체만 놓고 보면 비교적 "깨끗한 수폭"이지만, 사실상 최초의 기폭수단으로 대량의 X선 방출이 없으면 반응이 성립하지 않는다.[27] 때문에 실질적으로 수소폭탄의 주위를 우라늄 238로 싼 초우라늄 폭탄은 수폭의 융합반응에서 발생하는 고속중성자에 의해 보통은 비분열성인 우라늄 238로 분열반응을 일으키게 함으로써 보다 큰 폭발력과 함께 다량의 방사능을 발생하는 더러운 수폭이며, 이 폭탄을 3F 폭탄이라 한다.[28]

우라늄 238 대신에 코발트를 사용한 코발트 폭탄, 질소화합물을 사용한 질소폭탄도 있다. 이러한 메가톤급 폭탄은 지표폭발(地表爆發)의 경우 풍향에 따라 150km 이상에 걸친 방사능의 국지적 강하에 의한 치사지구(致死地區)를 형성한다. 오늘날 전략무기라고 하는 대형 핵무기는 이에 속한다. 순융합폭탄은 아직도 연구 중에 있으나, 만약 실제로 개발이 된다면 원자폭탄을 방아쇠로 사용하지 않는, 잔류방사능(殘留放射能)이 거의 없는 "아주 깨끗한 폭탄"이 될 것이다.[29] 단, 현재까지 순융합폭탄의 질량대비 효율은 같은 질량의 TNT와 고작해야 대등한 수준으로,[30] 사실상 군사무기는 고사하고 실험용 장비로서의 가치도 없다.

또한 레이저 관성 가둠 방식은 군사적 전용이 가능 할 수 있다. 이 기술이 발전하게 되면 우주에서 레이저를 집중해 핵폭탄을 기폭시킬수 있게 된다. 위에서 설명하고 있는 NIF는 미국의 아임계 핵실험 프로젝트에서도 사용하고 있다.이게 주 목적

4 루머

상온핵융합이라 하여 상온 상태에서 핵융합이 일어나는 현상이 있다고 하며 연구도 진행중이나 과학계에서는 부정적이며 불가능한 것으로 본다. 80년 후반에 처음 나온 이래 조사가 이루어졌으나 결론은 똑같이 부정적이었다. 상온 핵융합 이야기가 나오면 거의 반드시 팔라듐이 따라나오곤 한다.

2010년 5월 12일, 북한 측이 단독으로 실험에 성공했다고 주장했으나 당연히 개소리.

2014년 10월, 록히드 마틴측에서 핵융합을 밀어붙여서 1년안에 실증로, 5년안에 대형 원자로, 10년안에 핵융합 발전소를 짓겠다고 주장했다. 만일 성공하면 이제까지 내놨던 공밀레들의 목록에 한개 더 끼일듯. 또한, 2014년 10월 16일 핵융합원자로를 10배 축소해 트럭에 탑재 가능한 원자로를 개발했다고 발표했으며, 10년 안에 상용화 할것이라 주장했다. 터무니 없는 소리로 치부할 수도 있으나, 록히드 마틴의 스컹크 웍스 부서는 외계인 고문이라 부를 수 있는 수준의 별의별 말도 안되는 것들을 만들어 온지라 무시할 수도 없는 상황이다. 비행기 만드는 회사에서 왜? 그거야 군수산업은 떼돈은 못 벌거든 록히드 마틴의 15년 8월 현재 연구 현황 발표 발표회 모양을 보면 자기장 가둠 방식 중 자기 거울을 이용한 것으로 보인다.
어째 둘 다 말도 안 되는 소리를 했는데 반응이 다르다... 부칸 후새드...

김치 산업화에 (!?!?) 핵융합 기술을 사용한다고 한다. 풀무원 삼중수소김치 누카 김치

5 서브컬처에서의 핵융합

  • 폴아웃 시리즈에서는 이걸 소형화 시켜서 에너지 무기 탄약에 쓰인다. 폴아웃 4에서는 파워아머를 구동시키는 데에도 이용한다.
  • 인터스텔라의 인듀어런스 호의 엔진모듈 네 개는 각각 소형 토카막을 하나씩 탑재하고있다.
  • 이브온라인에서 갈란테는 핵융합 발전을 통해 함선 내의 에너지 계통을 책임진다는 설정이 있다. 外
참고로, 캐피탈급이 넘어가면 함선 한대가 왠만한 국가의 전력 발전량에 맞먹는다는 계산결과도 있다.(...)
사실, 대부분의 스페이스 오페라 및 관련 게임에서는 핵융합정도는 기초기술에 해당(!!)하는 경우가 대부분인지라...
  • 헤일로 시리즈에서 스파르탄들이 입고 있는 묠니르 전투복의 동력원이 소형화된 핵융합로를 사용하고 있다. 사실 헤일로 시리즈에서는 전함이건 뭐건 핵융합 발전을 사용하는 경우가 많아서(적어도 인간쪽 에서) (애초에 선조는 그런 하찮은 기술을 사용할리가...) 소형화 핵융합로를 탑재한 슈트는 놀라운 정도도 아니다 흠좀무

5.1 관련 캐릭터

6 관련 문서

  1. ↑ 물론 핵융합을 중수소와 삼중수소만 할 수 있다거나 우라늄만 핵분열이 된다는 건 절대 아니다.
  2. ↑ 양자 터널링 현상은 낮은 에너지 상태에 있음에도 반응에 필요한 에너지 장벽을 양자적 효과로 넘어설 수 있는 현상이다.
  3. ↑ 반대로 중수소부터 망간까지는 핵분열시 에너지를 흡수한다고 추측되지만 정말 그런지는 아직 밝혀지지 않았다. 그럴 수밖에 없는게 애초에 중성자를 충돌시키면 베타붕괴를 할 뿐 핵분열을 하진 않으니 다른 방법으로 강제로 떼어내야 하는데....
  4. ↑ 여기에 필요한 에너지는 항성을 구성하는 물질을 압축하고 가열하는 중력에서 얻는다.
  5. ↑ 중력, 약력은 일단 논외로 한다.
  6. ↑ 일단 수소 자체가 가벼운 원소이기 때문에 동일한 질량이라면 우라늄에 비해 유리한 점도 있고, 원자핵 자체가 가진 일종의 잠재 에너지가 매우 높아서 헬륨으로 갈 때 나오는 에너지가 크다.
  7. ↑ 심지어 수소 핵융합 반응에서 나오는 헬륨은 매우 유용하다! 헬륨은 최근 갈수록 가격이 오르고 있는데, 핵융합 발전이 상용화되면 전기와 헬륨을 동시에 생산해낼 수 있다!
  8. ↑ 이때 방출되는 에너지의 양에 대해 감이 오지 않는다면, [math]c[/math]에 주목하라. 여기서 [math]c[/math]는 빛의 속도인데, 그걸 제곱(!)한 값을 곱하는거다.
  9. ↑ 화석연료도 결국 출발은 태양에너지
  10. ↑ D-He3과 p-b11 반응은 도달하기 매우 어렵지만 기존의 D-T, D-D 방식에 비해 중성자가 거의 발생하지 않으며 고효율의 직접 에너지 전환(Direct Energy Conversion)이 가능하다는 장점이 있다.
  11. ↑ 플라즈마는 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 제 4의 상태를 말한다.
  12. ↑ 이는 화력 발전이나 핵분열 발전(원자력 발전)과 구조적으로 매우 비슷한데, 화력 발전의 경우 "화로에 석탄을 넣는다 → 석탄에 불은 붙인다 → 자발적으로 화학적 반응이 일어난다 → 화학 반응으로 얻은 에너지로 증기를 발생시킨다 → 증기로 터빈을 돌린다." 핵분열 발전의 경우 "핵분열로에 핵연료봉을 넣는다 → 핵연료봉을 임계 질량이상으로 합친다 → 자발적으로 핵분열 반응이 일어난다 → 핵분열 반응으로 얻은 에너지로 증기를 발생시킨다 → 증기로 터빈을 돌린다." 즉, 물을 끓여 대량의 증기를 만들고 이 증기로 터빈을 돌리는 것은 화력 발전이나 핵분열 발전과 동일하며, 이 물을 끓이는 에너지원을 어디서 구할 것인가가 차이점일 뿐이다.
  13. ↑ 초고온의 플라즈마는 여러 원인에 의해 빠른 속도로 식어 버리는데(이 중 제동복사가 대표적이며 제동복사가 가진 에너지는 인공적으로 사용하는 것이 불가능하기 때문에, 제동복사의 발생은 곧 열손실을 의미한다), "알파 입자가 플라즈마를 가열하는 속도" > "플라즈마가 식는 속도"의 등식이 성립하면 더 이상 인위적으로 추가적인 가열을 할 필요가 없고 플라즈마는 스스로 계속해서 열을 낼 수 있다. 이 점은 핵융합 발전의 상용화에 있어서 1차 관건중 하나인데, TFTR(Tokamak Fusion Test Reactor ; 토카막 융합 시험로)등에서 이 부등식이 충분히 성립할 수 있음이 확인 되었다. 단, 이 부등식이 성립하지 않더라도 핵융합으로 발생한 에너지의 80%가량을 중성자선이 가지고 있으므로 중성자선을 이용해 발전한 전력으로 부족분을 메꿀 수 있다. 하지만 알파입자가 스스로 플라즈마를 가열하는 것보다는 아무래도 효율이 많이 떨어질 수 밖에 없다.
  14. ↑ 간단히 말해 헬륨은 핵융합시 발생하는 배기가스라고 할 수 있다. 다량의 방사성 딸원소가 발생하는 핵분열 발전, 다량의 온실가스와 탄화물이 발생하는 화력 발전등이 지구상에 큰 악영향을 끼치는 것과 대비되는 부분이다. 헬륨은 자연 생태계에 완전 무해하다.들이마시면 목소리가 우스꽝스럽게 변하는 피해는 입을 수 있다 오히려 지구상 희소원소로 현대 과학 기술에 꼭 필요하다. 다만, 핵융합시 발생한 헬륨은 상업적으로 이용할 수 없다. 수 kg의 중수소와 삼중수소 만으로 핵분열로 수십기를 하루종일 가동해서 얻을 수 있는 전력을 생산할 수 있는데, 따라서 고출력의 핵융합 발전소라 할지라도 헬륨 생산량은 하루에 수 kg정도가 고작이다. 이마저도 초전도체 설비를 위해 자체적으로 소모된다. 안 그래도 청정 에너지인데 배기가스마저도 버릴데가 없다
  15. ↑ 핵융합 과정에서 삼중수소 하나당 중성자 하나가 발생하며 따라서 중성자 하나당 하나 이상의 삼중수소를 재생산할 수 있어야 핵융합에 필요한 삼중수소를 계속 보충할 수 있는데, 중성자의 손실이 불가피하다는 점이 문제가 된다. 천연 상태의 리튬은 92.5%의 리튬-7과 7.5%의 리튬-6의 동위원소로 존재한다. 리튬-7은 고에너지의 중성자와 반응하고 리튬-6은 저에너지의 중성자와 반응하는데, 각 동위원소의 반응을 살펴보면 "Li-7 + n → He-4 + T + n - 2.5MeV", "Li-6 + n → He-4 + T + 4.8MeV"으로 리튬-7은 삼중수소 하나를 생산하고 2차 중성자(물론 이 2차 중성자는 다시 삼중수소를 만드는데 쓰일 수 있다. 즉, 계속해서 삼중수소를 연쇄적으로 생산해 낼 수 있다)를 생산하는데, 문제는 이게 흡열 반응이기 때문에, 이 반응으로 계속해서 삼중수소를 생산하는 건 불가능하다. 리튬-6은 발열 반응이긴 하지만, 중성자 하나당 삼중수소 하나만을 생산할 수 있기 때문에, 중성자의 손실이 일어나는 이상 소모되는 만큼의 삼중수소를 보충하지는 못한다. 따라서 리튬-7과 리튬-6의 동위원소비를 적절히 조정함으로써 DT반응 한 번당 다시 하나 이상의 삼중수소를 생산하는 것이 가능하다.
  16. ↑ 자기 거울 방식도 초기에 연구되었으나 플라즈마 자체가 유출되니 이래저래 애로사항.
  17. ↑ 물론 그렇다고 해서 핵분열 발전소가 폭발하는 것처럼 대재앙이 발생하진 않는다. 플라즈마는 융합로 내벽에 닿으면 즉시 냉각된다. 그저 더 이상 핵융합 발전이 이뤄지지 않을 뿐이다. 사실 애초에 필요한 온도까지 가열하는 것부터 불가능해진다.
  18. ↑ 러시아어 тороидальная камера с магнитными катушками의 앞글자들을 딴 줄임말이다. токамак. 영어로 해석하자면 toroidal chamber with magnetic coils 즉, 자기장 코일로 만든 도넛형의 가둠장치
  19. ↑ 다만 처음 고안된 후 60년대까지는 꽤나 인기가 있었는데 아무래도 건설이 훨씬 간단한 토카막에 묻혔다.
  20. ↑ 물론 기존에도 스텔러레이터 방식의 핵융합로가 있었다. 일본의 LHD(1998년)라던지 미국의 HSX라던지.
  21. ↑ 이 때문에 ITER설립 초기에 토카막 지지파와 스텔러레이터 지지파로 나뉘어 공방이 오고갔다.
  22. ↑ 그러나 추가 연구 결과 거품 핵융합에서 발생했다는 중성자는 사실이 아닌 것으로 밝혀졌으며 발생하는 온도도 핵융합을 일으키기에는 매우 부족한 온도로 확인되었다.
  23. ↑ 미국방성이 정의한 4세대 핵폭탄의 정의는 핵분열을 통한 핵융합을 일으키는 폭탄이 아닌 비핵수단을 이용한 핵융합 기폭인데 이 중 비핵 기폭 방법으로 강력한 레이저 조사를 통한 핵융합 기폭을 거론하고 있다.
  24. ↑ 전자식 텔레비전의 발명가로, 퓨처라마의 판스워스 교수의 성을 이 사람에게서 따왔다. 퓨처라마에선 어린이 비만을 발명(...)한 인간으로 언급된다.
  25. ↑ 간단하게 토카막 같은 유형은 플라스마를 자기장에 묶어버리는데, 이 형식은 플라스마를 진공튜브안의 정전기에 묶어버린다.
  26. ↑ 사실 순수한 중수를 사서 전기분해하면 된다. 중수는 시그마 알드리치 등에서 실험실용으로 판매한다. 그냥 물보다 1000배쯤 비쌀(1L에 8~90만원 정도) 뿐.
  27. ↑ 반면 핵분열 원자폭탄은 임계질량을 모아놓기만 하면 알아서 반응을 한다. 엄밀히 말하면 핵융합도 마찬가지인데 전자기력이 모이는 것을 방해하는 것이지만...
  28. ↑ 폭발 후 순서대로 1단계 핵분열(Fission) 2단계 핵융합(Fusion) 3단계 핵분열 반복(Fission)
  29. ↑ 물론 핵융합시 발생하는 대량의 방사선은 잔류방사능이 아니므로 논외로 친다.
  30. ↑ 참고로 가장 질량 대비 효율 높은 기존 방식의 수소폭탄은 TNT의 1000만배 효율이다.
  31. ↑ 신을 얌얌했을때 손바닥 위에 인공태양을 연성했다.
  32. ↑ 순찰함과 습격함의 주포에서 핵융합탄이 발사된다.
  33. ↑ 필살주식중 하나가 핵융합 열선포다!