새로운 미니 핵융합로, 플라즈마의 전자를 처음으로 3,700만도까지 가열
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-04-25 10:29:49
4'00" 읽기
Z-Pinch 원자로는 작은 원자로에서 한계점을 극복한 최초의 핵융합 장치
플라즈마의 손익분기점은 약 650kA
원자가 융합하려면 엄청난 밀도와 온도가 필요하다. 레이저 융합 중에 융합 물질이 들어 있는 작은 캡슐이 모든 면에서 방출되는 강력한 레이저 펄스에 의해 가열되고 압축된다. JET, Wendelstein 7-X 또는 대형 원자로 ITER와 같은 자기 밀폐 원자로에서는 강력한 자석이 원자로 챔버의 링을 흐르는 핵융합 플라즈마를 가열하고 억제한다. 두 원칙 모두 대규모 시설이 필요하다.
번개가 치는 추진력
또 다른 방법이 있다. 호주의 물리학자들이 1950년대에 우연히 발견한 것이다. 그들은 번개가 피뢰침의 금속 막대를 거대한 주먹처럼 압축하는 것을 관찰했다. 그 이유는 소위 Z 핀치 효과다. 번개에 의해 생성된 자기장은 막대를 압축하는 방사형 압력을 가하고 초기 테스트에서 보여주듯이 플라즈마도 압축할 수 있다.
그러나 문제는 강한 감전의 압축 효과가 몇 초 동안만 지속되고 그 다음에는 플라즈마 압축이 불안정해진다는 것이다. "이러한 불안정성은 초기 Z 핀치 시도가 핵융합을 일으킬 만큼 오랫동안 플라즈마를 유지할 수 없다는 것을 의미한다"고 워싱턴 대학과 기타 미국 연구 기관이 설립한 핵융합 발사 회사인 Zap Energy의 연구원은 설명했다.
도넛부터 다층실까지
연구 리더인 벤 레빗(Ben Levitt)이 이끄는 물리학자들은 솔루션으로 소위 전단 흐름 안정화를 개발했다. Zap 에너지 시스템은 최대 500킬로암페어의 전류 급증을 생성해 중수소 원자 구름을 끌어들여 먼저 고리 모양으로 형성한 다음, 길고 얇은 실 모양으로 만든다. "우리의 융합 챔버에서 플라즈마 흐름은 서로 다른 속도로 움직이는 층으로 분리된다"고 Levitt는 설명했다.
중수소 플라즈마의 더 빠른 외부 층은 불안정성을 완화하여 플라즈마 스레드의 내부 코어가 더 오랫동안 안정적으로 유지된다. 길이는 약 50cm이지만 두께는 약 1mm에 불과하다.
핵융합 플라즈마의 전자 온도를 극복
이제 Zap Energy 팀은 또 다른 장애물, 즉 핵융합 플라즈마의 전자 온도를 극복했다. 일반 물질과 달리 원자핵보다 온도가 훨씬 낮아 융합을 방지할 수 있다. 효과적인 융합은 플라즈마 전자의 에너지가 1~3KeV(섭씨 1100만~3700만도)인 경우에만 발생할 수 있다.
미국 에너지부의 핵융합 프로젝트 코디네이터인 Scott Hsu는 “수십 년간의 핵융합 연구에도 불구하고 소수의 핵융합 개념만이 1KeV의 전자 온도를 달성하는 데 성공했다”고 설명했다. Zap Energy의 Z-Pinch 원자로는 이제 이러한 작은 원자로에서 이러한 한계점을 극복한 최초의 핵융합 장치다. 측정 결과 원자로의 전자는 최대 3,700만도까지 뜨거웠으며 이는 플라즈마의 원자핵만큼 뜨겁다.
손익분기점에 도달할 수 있을까?
Zyp Energy의 CEO인 Benj Conway는 “Zap 기술은 다른 원자로보다 훨씬 저렴하고 구축하기 쉽다”고 말했다. "이를 통해 우리는 시스템을 더욱 신속하게 개발하고 가장 저렴한 핵융합 중성자를 생성할 수 있다." 플라즈마가 발생한다.
그들의 계산에 따르면, 그러한 플라즈마의 손익분기점은 약 650kA가 될 수 있다. 그때부터 핵융합에 의해 생성된 에너지는 그에 투입된 에너지보다 더 커질 것이다. "아직 해야 할 일이 많지만 우리 시스템의 성능은 이제 세계 최고의 핵융합로와 어깨를 나란히 할 정도로 향상되었다. 하지만 복잡성과 비용은 훨씬 적다"고 말했다. 레빗.
(Physical Review Letters, 2024; doi: 10.1103/PhysRevLett.132.155101)
출처: Zap Energy
Z-Pinch 원자로는 작은 원자로에서 한계점을 극복한 최초의 핵융합 장치
플라즈마의 손익분기점은 약 650kA
핵융합 플라즈마의 3,700만도(℃)
미니 리액터는 최초로 작은 공간에서 높은 전자 온도를 생성한다.
새로운 방식의 핵융합:
새로운 미니 핵융합로는 핵융합 플라즈마의 전자를 처음으로 3,700만도까지 가열했다. 이는 이러한 소형 시스템에서 새로운 기록이다. 거대한 자석이나 레이저 시스템 대신 소위 "Z 핀치" 프로세스는 강한 전류 서지에 의해 가열되고 동시에 압축되는 얇은 중수소 원자 실을 사용한다. 생성된 플라즈마에서 높은 전자 온도를 감지하면 모든 융합 방법에 대한 중요한 장애물이 제거된다.
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| ▲ 처음으로 Zap Energy의 미니 핵융합로는 전자를 포함하는 실 모양의 중수소 플라즈마를 최대 3,700만도까지 가열했다. 이렇게 작고 단순한 원자로로서는 기록이다. © Zap Energy |
원자가 융합하려면 엄청난 밀도와 온도가 필요하다. 레이저 융합 중에 융합 물질이 들어 있는 작은 캡슐이 모든 면에서 방출되는 강력한 레이저 펄스에 의해 가열되고 압축된다. JET, Wendelstein 7-X 또는 대형 원자로 ITER와 같은 자기 밀폐 원자로에서는 강력한 자석이 원자로 챔버의 링을 흐르는 핵융합 플라즈마를 가열하고 억제한다. 두 원칙 모두 대규모 시설이 필요하다.
번개가 치는 추진력
또 다른 방법이 있다. 호주의 물리학자들이 1950년대에 우연히 발견한 것이다. 그들은 번개가 피뢰침의 금속 막대를 거대한 주먹처럼 압축하는 것을 관찰했다. 그 이유는 소위 Z 핀치 효과다. 번개에 의해 생성된 자기장은 막대를 압축하는 방사형 압력을 가하고 초기 테스트에서 보여주듯이 플라즈마도 압축할 수 있다.
그러나 문제는 강한 감전의 압축 효과가 몇 초 동안만 지속되고 그 다음에는 플라즈마 압축이 불안정해진다는 것이다. "이러한 불안정성은 초기 Z 핀치 시도가 핵융합을 일으킬 만큼 오랫동안 플라즈마를 유지할 수 없다는 것을 의미한다"고 워싱턴 대학과 기타 미국 연구 기관이 설립한 핵융합 발사 회사인 Zap Energy의 연구원은 설명했다.
도넛부터 다층실까지
연구 리더인 벤 레빗(Ben Levitt)이 이끄는 물리학자들은 솔루션으로 소위 전단 흐름 안정화를 개발했다. Zap 에너지 시스템은 최대 500킬로암페어의 전류 급증을 생성해 중수소 원자 구름을 끌어들여 먼저 고리 모양으로 형성한 다음, 길고 얇은 실 모양으로 만든다. "우리의 융합 챔버에서 플라즈마 흐름은 서로 다른 속도로 움직이는 층으로 분리된다"고 Levitt는 설명했다.
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| ▲ 번개와 같이 강하고 집중된 전기 방전은 압축 효과가 있는 원형 자기장을 생성한다. © Zap Energy |
중수소 플라즈마의 더 빠른 외부 층은 불안정성을 완화하여 플라즈마 스레드의 내부 코어가 더 오랫동안 안정적으로 유지된다. 길이는 약 50cm이지만 두께는 약 1mm에 불과하다.
핵융합 플라즈마의 전자 온도를 극복
이제 Zap Energy 팀은 또 다른 장애물, 즉 핵융합 플라즈마의 전자 온도를 극복했다. 일반 물질과 달리 원자핵보다 온도가 훨씬 낮아 융합을 방지할 수 있다. 효과적인 융합은 플라즈마 전자의 에너지가 1~3KeV(섭씨 1100만~3700만도)인 경우에만 발생할 수 있다.
미국 에너지부의 핵융합 프로젝트 코디네이터인 Scott Hsu는 “수십 년간의 핵융합 연구에도 불구하고 소수의 핵융합 개념만이 1KeV의 전자 온도를 달성하는 데 성공했다”고 설명했다. Zap Energy의 Z-Pinch 원자로는 이제 이러한 작은 원자로에서 이러한 한계점을 극복한 최초의 핵융합 장치다. 측정 결과 원자로의 전자는 최대 3,700만도까지 뜨거웠으며 이는 플라즈마의 원자핵만큼 뜨겁다.
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| ▲ 융합 Z-핀치 실험(FuZE)에서 빛나는 플라즈마의 모습. © Zap Energy |
손익분기점에 도달할 수 있을까?
Zyp Energy의 CEO인 Benj Conway는 “Zap 기술은 다른 원자로보다 훨씬 저렴하고 구축하기 쉽다”고 말했다. "이를 통해 우리는 시스템을 더욱 신속하게 개발하고 가장 저렴한 핵융합 중성자를 생성할 수 있다." 플라즈마가 발생한다.
그들의 계산에 따르면, 그러한 플라즈마의 손익분기점은 약 650kA가 될 수 있다. 그때부터 핵융합에 의해 생성된 에너지는 그에 투입된 에너지보다 더 커질 것이다. "아직 해야 할 일이 많지만 우리 시스템의 성능은 이제 세계 최고의 핵융합로와 어깨를 나란히 할 정도로 향상되었다. 하지만 복잡성과 비용은 훨씬 적다"고 말했다. 레빗.
(Physical Review Letters, 2024; doi: 10.1103/PhysRevLett.132.155101)
출처: Zap Energy
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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