핵융합으로 전력을 생산하는 것은 새로운 개념이 아니다. 75년 이상 동안 우리는 태양과 같은 별이 수소 원자를 함께 압축하여 헬륨을 생성한다는 사실을 알고 있었습니다. 이 가벼운 원자들이 서로 융합되면 에너지가 방출됩니다. 전력망에 연결된 현재 원자로에서 사용되는 과정인 핵분열은 무거운 원자를 쪼개어 저장된 에너지를 방출함으로써 전력을 생성합니다.
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핵분열은 핵폐기물을 생성하지만 핵융합은 훨씬 더 깨끗합니다. 에너지 공급에 대한 우려가 커지면서 핵융합 발전은 수세기 동안 풍부한 청정 에너지를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 우리는 아직까지 효율적으로 전력을 끌어내는 데 필요한 지속적이고 제어된 핵융합 과정을 달성하지 못했습니다.
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핵융합 발전은 더 이상 물리학적 문제가 아니라 공학적 문제입니다. 제어된 핵융합은 1951년 세계 최초로 핵융합 실험에 성공하면서부터 가능해졌습니다.
로스앨러모스 국립연구소 Z-핀치 기계를 사용합니다. 그러나 실험실 실험을 산업 공정으로 전환하는 것은 최상의 상황에서도 어렵습니다. 이는 본질적으로 인공 태양에서 에너지를 추출할 때 특히 그렇습니다.
일반적인 핵융합로는 중수소와 삼중수소를 함께 압축하고 진공에서 최대 150,000,000°C까지 가열하여 플라즈마를 생성하며, 플라즈마는 강력한 자기장에 의해 고정됩니다. 이러한 자기장은 스타쉽 엔터프라이즈의 워프 코어에서 볼 수 있는 것과 다르지 않습니다.
JET 태양을 만나보세요
그만큼합동 유럽 토러스 (제트)에서컬햄 핵융합 에너지 센터 (CCFE)는 순전히 실험적인 것입니다.토카막 원자로. 1977년에 건립됨유로퓨전JET는 핵융합발전소 구현의 첫 단계다.
“ITER는 JET보다 3배 더 크고 무게는 23,000톤으로, 대왕고래 115마리의 무게에 해당할 것으로 예상됩니다.”
JET의 많은 연구 결과는 다음의 설계에 영향을 미칩니다. ITER (라틴어로 '길'을 뜻함) 차세대 실험용 핵융합로로 현재 프랑스에서 건설 중이다. ITER는 JET보다 3배 더 크고 무게는 23,000톤(대왕고래 115마리의 무게)에 달할 것으로 예상됩니다. ITER의 발견은 차례로 최초의 실증 핵융합 발전소 건설로 이어질 것입니다. 데모.
그러나 핵융합 발전소가 완전히 실현되기 전에 해결해야 할 몇 가지 주요 문제가 있습니다. CCFE의 운영 부서 책임자인 Damian Brennan은 "우리는 JET에서 핵융합을 수행했습니다. 플라즈마 물리학이 대부분 해결되었습니다."라고 말했습니다. "이제 엔지니어링 작업을 하세요."
핵융합로는 거대한 기계입니다. JET용 원자로는 큰 집 크기로 항공기 격납고 크기의 건물 안에 들어있습니다. 이 원자로는 또한 엄청나게 복잡합니다. JET를 관리하려면 2,500개 이상의 제어실이 필요합니다. 큐비클 하나가 실패하면 프로세스가 작동하지 않습니다.
"CCFE는 National Grid에 과도한 부하를 가하는 것을 피하기 위해 인기 TV 프로그램 중 광고가 중단되는 등 전력 수요가 가장 많은 시간에 JET를 실행하지 않아야 합니다."
JET를 시작하려면 준비하는 데 16주가 걸리므로 종료에는 시간과 비용 측면에서 비용이 많이 듭니다. 재시동에는 1×10의 진공 압력을 보장하기 위해 장기간의 누출 테스트가 필요합니다.‑8플라즈마 생성에 필요한 mbar가 유지됩니다. 그 다음에는 최적의 작동 조건이 달성될 때까지 중성 빔 시스템과 플라즈마에 대한 전력이 증가합니다.
현재 JET는 20분마다 최대 30초 동안만 플라즈마 버스트를 생성할 수 있으며 각 플라즈마 버스트에 대해 National Grid 용량의 1%가 필요합니다. CCFE는 전력 수요가 가장 많은 시간("펄스 회피 기간"이라고 함)에 JET 실행을 피해야 합니다. 예를 들어, 인기 TV 프로그램 도중에 광고가 중단되어 전국 방송에 과도한 부담을 주지 않도록 합니다. 그리드.
핵융합 과정에 노출될 물질은 중성자 손상을 견딜 수 있어야 하고, 활성화가 낮아야 하며, 몇 달이 아닌 몇 년 동안 지속될 수 있을 만큼 충분히 견고해야 합니다.
핵융합 발전은 원자로 부품에 엄청난 마모를 야기합니다. 플라즈마는 핵융합에 필요한 막대한 열과 압력뿐만 아니라 빠른 중성자를 방출하여 원자로 노심을 둘러싸는 보호 타일에 박히게 됩니다.. 시간이 지남에 따라 이는 조사 취성을 유발하여 원자로 구조 재료의 악화를 가속화합니다.
따라서 핵융합 과정에 노출될 물질은 중성자 손상을 견딜 수 있어야 하고, 활성화가 낮아야 하며, 몇 달이 아닌 몇 년 동안 지속될 수 있을 만큼 충분히 견고해야 합니다. 따라서 재료 개발은 주요 엔지니어링 과제 중 하나입니다.
핵융합 발전소가 실행 가능하려면 단순하고 컴팩트하며 신뢰할 수 있어야 합니다. 더욱이, 그러한 원자로는 지속적인 발전의 "길고 낮은 웅웅거림"을 제공해야 합니다. 예를 들어, ITER는 초전도 자석을 사용하여 런타임을 연장하여 최대 1시간 동안 펄스하도록 설계됩니다.
석탄보다 친환경적이지만 핵분열보다 안전함
“도전에도 불구하고 핵융합은 매우 매력적인 발전 형태입니다. 온실가스를 발생시키지 않고 잠재적으로 풍부한 연료 공급을 제공하며 핵분열과 비교할 때 방사선 위험이 크게 감소합니다.”
이러한 어려움에도 불구하고 핵융합은 매우 매력적인 발전 형태입니다. 온실가스를 발생시키지 않고, 잠재적으로 풍부한 연료 공급량을 가지며, 핵분열에 비해 방사선 위험이 크게 감소합니다. 핵융합로에서 나오는 방사성 폐기물은 한 세기 안에 재활용해도 안전할 것입니다. 핵분열 폐기물은 수천년 동안 환경에 부담을 줍니다.
또한 핵융합은 에너지 저장 문제가 없기 때문에 핵분열보다 본질적으로 안전합니다. 원자로 노심이 파열되면 균열이 눈에 띄기도 전에 진공 손실로 인해 플라즈마 장이 붕괴됩니다. 원자로에 남을 것은 모두 삼중수소인데, 이는 삼중수소 여과 시스템을 통해 안전하게 회수될 수 있습니다.
그러나 플라즈마는 매우 불안정한 물질 상태입니다. JET에서는 소위 가장자리 국부 모드(태양 플레어와 유사)의 기둥이 플라즈마 필드에서 호를 그리며 나타나는 경우가 종종 있습니다. 플라즈마의 이러한 불안정성은 원자로가 움직일 수 있을 정도로 강력한 혼란을 야기합니다.
CCFE의 Brennan은 "오래 전에 [JET 운영자]가 자신이 할 수 있는 일이 무엇인지 확인하고 꽤 좋은 결과를 얻었으나 큰 혼란을 겪어 일찍 문을 닫고 집으로 돌아갔습니다."라고 회상합니다. “다음날 아침 옥스퍼드 대학 지진 관측소에서 '어젯밤 오후 8시 45분에 도대체 무엇을 했나요?'라는 전화가 왔습니다. 귀하의 사이트에 이벤트를 등록했습니다!'”
“병 속의 태양”
“다음날 아침 옥스퍼드 대학 지진 관측소에서 '어젯밤 오후 8시 45분에 도대체 무엇을 했나요?'라는 전화가 왔습니다. 귀하의 사이트에 이벤트를 등록했습니다!'”
플라즈마 기둥은 엄청난 양의 에너지를 원자로 벽에 쏟아 부어 타일을 부식시킵니다. 중수소-삼중수소의 냉동 펠렛은 "딸랑이" 소리와 함께 플라즈마에 발사되어 진동을 약화시킬 수 있습니다. 또 다른 방법은 플라즈마 주변의 공명 자기 섭동(RPM) 코일을 사용하여 교란을 줄이는 것입니다.
순환 가열을 통해 가장 큰 스트레스를 받는 영역 중 하나는 전환기입니다. 전환기는 원자로가 작동하는 동안 플라즈마에서 폐열을 제거합니다. 이는 최대 30MW/m²의 전력 부하를 경험할 수 있습니다. 관점에서 볼 때, 우주 왕복선의 타일은 대기 재돌입 중에 "단지" 10MW/m²를 받습니다. 과학자들은 질소로 구성된 가스 버퍼를 사용하여 열이 전환기에 도달하기 전에 열의 일부를 흡수하여 열 부하를 줄이는 방법을 모색하고 있습니다.
현재 JET의 첫 번째 벽 보호 타일은 베릴륨과 텅스텐으로 만들어졌습니다. 이전에는 핵융합 노심이 비슷하게 낮은 원자 질량을 가진 탄소 타일로 보호되었지만, 이는 중수소와 삼중수소 연료를 너무 쉽게 흡수하여 효율성에 부정적인 영향을 미쳤습니다.
중수소는 지구상에 상대적으로 풍부하지만(해수에서 추출 가능) 삼중수소의 한정된 공급 문제를 해결해야 합니다. 핵융합로를 감싸는 리튬 담요에서 킬로그램 분량의 삼중수소를 생산할 수 있는 새로운 기술이 개발되고 있습니다. Brennan은 “이론적으로 가능하고 수학적으로 매우 쉽지만 여전히 담요를 설계해야 합니다.”라고 말합니다.
“핵융합 발전이 직면한 수많은 기술적 문제에도 불구하고 우리는 50년 이내에 경제적으로 실행 가능한 핵융합 발전소를 갖게 될 것으로 예상됩니다.”
CCFE메가 앰프 구형 토카막 업그레이드 (MAST-U)는 영국의 최신 핵융합 실험이자 핵융합 설계의 다음 단계입니다. JET보다 작고 단순한 MAST-U는 심이 있는 사과 모양을 사용합니다. 동일한 수준의 성능을 위해 더 낮은 자기장이 필요하므로 잠재적으로 훨씬 더 효율적인 설계를 제공할 수 있습니다. 또한 잠재적으로 열 부하를 분산시킬 수 있는 두 개의 전환기가 통합됩니다. MAST-U의 결과는 ITER 설계에 더 많은 정보를 제공하고 더 많은 플라즈마 실험을 수행할 수 있게 해줄 것입니다.
핵융합 발전이 직면한 수많은 기술적 문제에도 불구하고, 50년 이내에 경제적으로 실행 가능한 핵융합 발전소를 갖게 될 것으로 예상됩니다. Brennan은 “우리는 그래야 합니다.”라고 결론지었습니다. “에너지 자원과 지구 온난화 때문에 우리는 뭔가 다른 일을 해야 합니다. 이제 병 안에 태양이 있으니 엔지니어링을 해보자!”
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사진: 피터 게이트하우스
