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무한하고 깨끗한 핵융합 에너지의 꿈을 실현하는 중대한 돌파구 본문
GARETH WILLMER, HORIZON 2022 년 6월 29일
핵융합 시설: 중첩된 플라즈마가 있는 JET 내부. 핵융합 에너지는 재생 에너지를 보완하는 중추적인 지속 가능한 에너지원이 될 수 있습니다. 크레딧: UKAEA
오래된 농담은 핵융합은 항상 30년은 걸린다는 것입니다. 그러나 우리가 원자로 시설의 진행 상황을 따라잡기 위해 ITER 연구원을 만나는 동안 풍부한 청정 에너지에 대한 꿈은 웃을 일이 아닙니다.
핵융합을 통해 빛과 열을 생성함으로써 태양은 수십억 년 동안 지구에 생명을 불어넣었습니다. 그 놀라운 힘과 수명을 감안할 때 우리 태양을 포함하여 별에서 발생하는 것과 동일한 핵 과정을 이용하는 것보다 에너지를 생성하는 더 좋은 방법은 없을 것 같습니다.
핵융합 원자로는 수소 원자를 융합하여 헬륨을 생성하여 열 형태로 에너지를 방출함으로써 이 과정을 재현하는 것을 목표로 합니다. 이를 대규모로 유지하면 안전하고 깨끗하며 거의 고갈되지 않는 전원 공급 장치를 생산할 수 있습니다.
내부에서는 강력한 자기장에 의해 제자리에 고정된 하전 입자를 포함하는 융합 반응이 일어나는 플라즈마라고 하는 과열된 가스가 생성됩니다. 이러한 플라즈마는 섭씨 1억 5천만 도에 이를 수 있으며 , 이는 태양의 핵보다 10배나 더 뜨겁습니다.
5초 동안 지속된 폭발로 EURO fusion 컨소시엄의 연구원들은 기록적인 59MJ(메가줄)의 핵융합 에너지를 발표 했습니다. 이는 1997년 같은 시설에서 세운 이전 21.7MJ 기록의 거의 세 배에 달하는 것이며, 그 결과는 "25년 만에 안전하고 지속 가능한 저탄소 에너지를 전달할 수 있는 융합 에너지의 잠재력에 대한 가장 명확한 시연"이라고 선전했습니다. JET에서 성공적인 핵융합 실험에 대해 자세히 알아보려면 링크를 클릭하세요 .
JET 실험용 핵융합로 플라즈마의 모습. 크레딧: © EUROfusion 컨소시엄(2022)
탐구는 수십 년 전에 시작되었지만 핵융합은 항상 30년이 걸린다는 오랜 농담이 곧 옛날 농담이 될 수 있을까요?
일부 에서는 2021년 말 핵융합 실험에서 획기적인 돌파구를 마련한 후 그렇게 되기를 희망 합니다. 이것은 영국 옥스퍼드셔에 있는 JET(Joint European Torus) 연구 시설에서 토카막(tokamak)이라고 불리는 거대한 도넛 모양의 기계에서 나왔습니다.
그 결과는 핵융합 개발의 다음 단계를 앞두고 큰 힘이 되었습니다. ITER (라틴어로 "길"을 의미) 로 알려진 더 크고 고급 버전의 JET 가 프랑스 남부 Saint-Paul-lès-Durance의 180헥타르 부지에 건설 중입니다.
EU 등 35개국이 공동으로 건설 중인 ITER은 융합 개념을 더욱 공고히 하는 데 목적이 있다. 역사상 가장 복잡한 기계 중 하나인 이 기계는 2025년에 첫 플라즈마 생성을 시작하여 2035년경에 고출력 작동에 들어갈 예정이었지만 프로젝트의 연구원들은 전염병으로 인해 약간의 지연이 예상됩니다.
주요 이정표
유럽 전역의 4,800명의 전문가, 학생 및 시설로 구성된 주요 컨소시엄인 EUROfusion 프로젝트 의 프로그램 관리자인 Tony Donné 교수는 JET의 결과가 주요 랜드마크라고 말했습니다 . “이것은 엄청난 이정표입니다. 오랜 기간 동안 가장 큰 것입니다.”라고 그는 말했습니다.
"모든 모델링이 확인되었으므로 ITER이 작동하고 의도한 대로 수행할 것이라는 확신이 정말 높아졌습니다." JET에서 생성된 에너지는 몇 초 동안 지속되지만 목표는 에너지를 생성하는 지속적인 반응으로 이를 증가시키는 것입니다.
결과는 1997년 이후의 주요 개발 중 하나가 JET 선박의 내벽을 변경하는 것과 관련되어 있다고 Donné 교수가 설명하면서 수년간 준비한 결과였습니다.
“그것은 핵융합의 거대한 이정표이며, 오랜 기간 동안 가장 큰 것입니다. 모든 모델링이 확인됐다”고 말했다.
— Tony Donné 교수, EUROfusion
이전에는 벽이 탄소로 만들어졌지만 이것은 핵융합 반응에 사용되는 수소의 두 가지 무거운 동위원소 또는 변형인 중수소와 삼중수소의 연료 혼합물과 너무 반응성이 큰 것으로 판명되었습니다. 이로 인해 탄화수소가 형성되어 삼중수소 연료가 벽에 갇히게 되었습니다.
16,000개의 부품과 4,000톤의 금속이 포함된 재건축에서 탄소는 삼중수소 보유를 줄이기 위해 베릴륨과 텅스텐으로 대체되었습니다. 결국 팀은 갇힌 연료의 양을 크게 줄일 수 있었고 최근의 핵융합 발사 성공에 기여했습니다.
데모 실행
융합의 장대한 여정의 다음 단계를 준비하기 위해 JET로의 업그레이드는 구성이 ITER에 대한 계획과 일치하도록 했습니다. 더 나아가 미래에 ITER을 넘어선 다음 단계는 전력망에 전력을 보내도록 설계된 DEMO로 알려진 시범 발전소가 될 것이며, 이는 융합 발전소가 상업 및 산업 현실이 되도록 하는 것입니다.
Donné 교수는 “ITER는 플라즈마를 가열하는 데 사용되는 에너지보다 10배 더 많은 핵융합 에너지를 생성하는 장치입니다. “하지만 실험 시설이기 때문에 전력망에 전력을 공급하지 않습니다. 이를 위해서는 DEMO라고 하는 또 다른 장치가 필요합니다. 이것은 우리를 1세대 융합 발전소의 기초로 이끌 것입니다.”
Donné 교수는 다음과 같이 덧붙였습니다. “JET는 이제 핵융합이 그럴듯하다는 것을 보여주었습니다. ITER는 그것이 더 실현 가능하다는 것을 보여줘야 하고, DEMO는 그것이 실제로 작동한다는 것을 보여줘야 할 것입니다.”
그리드에 최대 500MW를 공급할 계획인 그는 DEMO가 2050년경에 가동되는 것이 현실적이라고 생각합니다. "라고 말했다.
그러나 핵융합을 시작하고 실행하는 과정에서 극복해야 할 다른 주요 과제가 있습니다. 특히 중수소는 해수에 풍부하지만 삼중수소는 극히 드물고 생산하기 어렵습니다.
"만약 우리가 핵융합을 시작하고 실행한다면 수천 년 동안 우리에게 에너지를 제공할 수 있는 매우 안전하고 깨끗한 에너지원을 갖게 됩니다."
— Tony Donné 교수, EUROfusion
따라서 연구원들은 리튬을 함유한 "번식 담요"를 사용하여 토카막 내부에서 이를 생성하는 방법을 개발할 계획입니다. 아이디어는 핵융합 반응의 고에너지 중성자가 리튬과 상호작용하여 삼중수소를 생성한다는 것입니다.
필수 에너지
Donné 교수는 핵융합이 미래를 위한 중추적인 친환경적이고 지속 가능한 에너지원이 될 수 있다고 말했습니다. 그는 "필수적이라고 말하고 싶다"고 말했다. "나는 2050년까지 재생 가능 에너지만으로 이산화탄소를 배출하는 기존 발전 방식을 대체할 수 있을지 확신이 서지 않습니다. 그리고 우리는 다른 것들이 필요합니다."
그리고 그는 현재 핵분열을 통해 원자력을 만드는 방법이 점점 더 안전해지고 있다고 말하지만 핵융합은 핵심적인 이점을 가지고 있습니다. ITER 지지자들은 핵융합 은 수명이 긴 방사성 폐기물을 생성하지 않으며 원자로 재료는 100년에서 300년 이내에 재활용되거나 재사용될 수 있다고 덧붙이며 용융 위험이 없는 것과 같은 이점 에 대해 이야기합니다.
“확실히 훨씬 더 안전합니다.”라고 Donné 교수가 말했습니다. 그는 원자력 에너지의 낙인을 언급하면서 “대중과 교류할 때 보는 것은 사람들이 핵융합에 대해 들어본 적이 없다는 것입니다. 하지만 장단점을 설명하면 사람들이 긍정적으로 생각하는 것 같아요.”
그는 “토카막의 아버지”라 불리는 레프 아르시모비치를 언급하며 “아르시모비치는 사회가 진정으로 필요로 할 때 융합이 있을 것이라고 항상 말했다. 우리가 핵융합을 시작하고 실행한다면 수천 년 동안 우리에게 에너지를 제공할 수 있는 매우 안전하고 깨끗한 에너지원을 갖게 됩니다.”
이 기사의 연구는 EU의 지원을 받았습니다.
이 기사는 원래 EU Research & Innovation Magazine인 Horizon에 게재되었습니다 .
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