작은 태양을 만들어 전기를 생산하다 - 핵융합 발전

중수소와 삼중수소로 핵 융합하다.

핵융합은 우리가 전기를 생산하는 방식을 혁신할 수 있는 잠재력을 지닌 유망한 청정 에너지원입니다. 방사성 폐기물을 발생시켜 핵사고로 이어질 수 있는 핵분열과 달리 핵융합은 안전하고 온실가스 배출이 없습니다. 이를 실현하기 위해 중요한 기술적 과제를 극복해야 하며 그중 하나는 플라즈몬을 안정적으로 가두는 것입니다.

이 글에서는 핵융합에서 플라즈몬을 가두는 방법, 핵융합의 연료와 특성, 현 상황 등에 대해 설명하겠습니다.

 

핵융합에서 플라즈몬을 가두는 방법:

 

핵융합에서 플라즈몬을 가두는 방법은 수소 동위원소(중수소 및 삼중수소)의 플라즈마를 생성하고 이를 섭씨 수백만 도까지 가열하는 것을 포함합니다. 이 온도에서 수소 동위원소는 이온화되고 핵이 함께 융합되어 많은 양의 에너지를 방출합니다.

플라즈몬을 가두기 위해서는 핵융합에 필요한 플라즈마의 높은 온도와 밀도를 유지하는 데 있습니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 자기장을 사용하여 플라즈마를 포함하는 것입니다. 이를 '자기 가둠'라고 하며 토카막 및 스텔라레이터와 같은 장치에 사용됩니다.

또 다른 접근 방식은 고출력 레이저를 사용하여 작은 수소 연료 펠릿을 빠르게 가열하고 압축하여 핵을 융합시키는 '관성 가둠'입니다. 이 방법은 최근 실증 가능성이 확보되어 상대적으로 작은 규모의 핵융합 발전 시설에 적합합니다. 현재 미국에서 사용되는 핵융합 연구 예산의 절반이 이 '관성 가둠'방식의 행융합에 집중되고 있습니다.

 

핵융합의 연료와 특성:

핵융합의 연료는 수소 동위원소, 주로 중수소와 삼중수소입니다. 중수소는 바닷물에서 추출할 수 있고 삼중수소는 원자로에서 생산할 수 있습니다.

핵융합의 주요 특징은 다음과 같습니다.

 

• 친환경: 핵융합은 온실 가스 배출이 없고 수명이 긴 방사성 폐기물이 없습니다.
• 안전성: 핵분열과 달리 핵융합은 방사선 오염이나 핵 용융 등의 위험이 낮습니다.
• 풍부함: 지구상에는 수소 동위원소가 거의 무제한으로 공급되어 핵융합이 잠재적으로 지속 가능한 에너지원이 됩니다.
  (다만 삼중 수소의 경우 생산량이 한정되어 이 부분에 대한 연구가 진행중입니다)

 

바닷물의 중수소 농도는 약 0.0156%로 낮아 보이지만, 바닷물 1리터당 약 25밀리그램의 중수소가 있다는 것을 의미합니다. 바닷물은 워낙 풍부하기 때문에 세계 바다의 중수소 총량은 33조 톤 정도로 추정되는데, 이는 효율적으로 추출해 사용할 수 있다면 수백만 년간 세계 에너지 수요를 충족시키기에 충분합니다.

 

현 핵융합 발전의 상황:

융합 에너지 획득 계수(Q 비율)는 반응을 유지하는 데 필요한 에너지 양과 비교하여 핵융합 반응에 의해 생성되는 에너지 양을 측정한 것입니다. 쉽게 말해 투입되는 에너지 대비 얻을 수 있는 에너지 량이라고 보시면 됩니다. Q가 22 이상은 되어야 상업성이 있는데 현재, Q=1.54 (22년, 미국)이 가장 높은 값이라고 보면 됩니다. 

 

결론적으로 궁극적인 목표는 다른 에너지원과 비교하여 경쟁력 있는 비용으로 전기를 생산할 수 있는 상업용 핵융합 발전소를 개발하는 것입니다. 이를 위해서는 플라즈마의 극한 온도와 방사선을 견딜 수 있는 재료 개발과 플라즈몬 제어 능력 등의 기술적 한계를 극복해야 합니다.