핵융합발전(Fusion power)

핵융합발전(Fusion power)

핵융합 발전은 핵융합 반응에 의한 열을 이용하여 전기를 발생시키는 발전 방식의 제안이다. 핵융합 과정에서 두 개의 가벼운 원자핵이 결합하여 더 무거운 핵을 형성하는 동시에 에너지를 방출한다. 이 에너지를 이용하도록 설계된 장치를 핵융합로라고 한다.

핵융합 과정은 핵융합이 일어날 수 있는 플라즈마를 만들기 위해 충분한 온도, 압력 및 구속 시간을 가진 제한된 환경과 연료를 필요로 한다. 전력 생산 시스템을 초래하는 이러한 수치들의 조합은 로슨 기준이라고 알려져 있다. 별에서 가장 흔한 연료는 수소인데, 중력은 핵융합 에너지 생산에 필요한 조건에 도달하는 극히 긴 구속 시간을 제공한다. 제안된 핵융합로들은 일반적으로 중수소나 삼중수소와 같은 수소 동위원소를 사용하는데, 이 동위원소는 수소보다 더 쉽게 반응하여 극한 조건이 덜한 로슨 기준 요건에 도달할 수 있도록 한다. 대부분의 디자인은 수천만 도까지 연료를 가열하는 것을 목표로 하고 있는데, 이것은 성공적인 디자인을 만드는 데 큰 어려움을 준다.

힘의 원천으로서 핵융합은 핵분열보다 몇 가지 장점이 있을 것으로 예상된다. 운영 중 방사능 감소와 고준위 핵폐기물 발생량 감소, 연료 공급량 충분, 안전성 증가 등이 그것이다. 그러나 필요한 온도, 압력, 지속시간의 조합은 실용적이고 경제적인 방법으로 생산하기 어렵다는 것이 입증되었다. 1940년대에 핵융합로에 대한 연구가 시작되었지만, 현재까지 그 목적을 물리치고 전력 투입량보다 더 많은 핵융합 출력물을 생산한 설계는 없다. 일반적인 반응에 영향을 미치는 두 번째 문제는 반응 중에 방출되는 중성자를 관리하는 것인데, 시간이 지나면서 반응실 내에서 사용되는 많은 공통 물질을 저하시킨다.

핵융합 연구자들은 다양한 구속 개념을 연구해왔다. 초기의 강조는 z-핀치, 항성, 자기 거울의 세 가지 주요 시스템에 있었다. 현재 선도적인 디자인은 레이저에 의한 도카막과 관성 구속(ICF)이다. 두 설계 모두 매우 큰 규모로 연구되고 있는데, 특히 프랑스의 ITER 토카막과 미국의 국립 점화 설비 레이저가 그 중 가장 두드러진다. 연구원들은 또한 더 저렴한 접근법을 제공할 수 있는 다른 디자인을 연구하고 있다. 이러한 대안들 중에서는 자화된 표적 융합과 관성 정전기 구속, 그리고 항성의 새로운 변형에 대한 관심이 증가하고 있다.

메커니즘

핵융합 반응은 두 개 이상의 원자핵이 서로 끌어당기는 원자력이 그들을 서로 밀어내는 정전기력을 충분히 초과하여 더 무거운 핵으로 융합할 때 발생한다. 철보다 가벼운 핵의 경우 반응은 발열성이며 에너지를 방출한다. 철보다 무거운 핵의 경우 반응은 내열성이므로 외부 에너지원이 필요하다. 따라서 철보다 작은 핵은 융합될 가능성이 더 높은 반면 철보다 무거운 핵은 분해될 가능성이 더 높다.

강한 힘은 단거리에서만 작용하는 반면, 혐오스러운 정전기력은 더 먼 거리에서도 작용한다. 핵융합을 겪기 위해서는 연료 원자들이 강한 힘이 활동할 수 있을 만큼 가까이 접근할 수 있는 충분한 에너지를 주어야 한다. 연료 원자를 충분히 가까이 하는 데 필요한 운동 에너지의 양을 "쿨롱 장벽"이라고 한다. 이 에너지를 제공하는 방법에는 입자가속기에서 원자를 빠르게 하거나 고온으로 가열하는 방법이 포함된다.

원자가 일단 이온화 에너지 위로 가열되면, 그 전자는 벗겨지고(이온화된다) 맨핵(이온화)만 남게 된다. 그 결과 이온과 전자가 이전에 이온에 붙어 있던 뜨거운 구름이 생긴다. 이 구름은 플라즈마라고 알려져 있다. 전하가 분리되어 있기 때문에 플라즈마는 전기적으로 전도성이 있고 자기적으로 제어할 수 있다. 많은 퓨전 장치들이 열을 가하면서 입자들을 제어하기 위해 이것을 이용한다.

에너지 포획을 위한 복수의 접근법이 제안되었다. 가장 간단한 것은 액체를 가열하는 것이다. 대부분의 설계는 중성자 안에서 많은 에너지를 방출하는 D-T 반응에 집중한다. 전기적으로 중립적인 중성자는 구속 상태에서 탈출한다. 대부분의 그러한 설계에서, 그것은 궁극적으로 원자로 노심을 둘러싸고 있는 두꺼운 리튬의 "블랭크"에 포착된다. 고에너지 중성자에 부딪히면 리튬은 삼중수소를 생산할 수 있으며, 이 삼중수소는 원자로로 다시 공급된다. 이 반응의 에너지는 담요를 가열하기도 하는데, 이 담요는 작동 유체로 활발하게 냉각되고 그 유체는 기존의 터보마이클을 구동하기 위해 사용된다.

또한 핵분열-퓨전 하이브리드로 알려진 개념인 핵폐기물 이불 속에서 핵분열연료를 추가로 번식시키기 위해 중성자를 사용하는 것도 제안되었다. 이들 시스템에서는 핵분열 사건에 의해 출력력이 향상되고, 기존의 핵분열 원자로와 같은 시스템을 이용하여 출력을 추출한다.

다른 연료, 특히 p-B 반응을 사용하는 설계는 전하 입자의 형태로 훨씬 더 많은 에너지를 방출한다. 이 경우, 이러한 전하의 이동에 기초한 대체 전력 추출 시스템이 가능하다. 직접 에너지 변환은 1980년대 LLNL에서 핵융합 반응 제품을 사용하여 전압을 유지하는 방법으로 개발되었다. 이것은 48퍼센트의 에너지 포획 효율을 입증했다.