플라즈마에서 최초의 붕소-수소 융합
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-03-02 11:07:07
3'30" 읽기
- 세계에서 두 번째로 큰 스텔라레이터인 일본의 LHD(Large Helical Device)를 사용
- 방사성 중성자를 생성하지 않는 청정 핵융합 발전소를 향한 첫 걸음이 될 것
- 붕소와의 핵융합 반응은 중성자를 생성하지 않고 세 개의 알파입자 형태 헬륨만 생성
- 캘리포니아 회사는 2030년까지 이러한 원자로의 첫 프로토타입을 완성 계획
핵융합은 미래의 에너지원으로 여겨진다. 그러나 어떤 기술로 핵융합 발전소의 돌파구와 실용화를 달성할 수 있을지는 아직 불분명하다. 물리학자들은 현재 매우 다양한 유형의 원자로를 테스트하고 있다. 대형 원자로 ITER와 같은 토카막 원리 기반 시스템부터 Wendelstein 7-X와 같은 스텔라레이터, 그리고 최근에야 플라즈마 점화를 달성한 레이저 융합에 이르기까지 다양하다. 이들 핵융합로의 공통점은 대부분 중수소와 삼중수소 형태의 중수소를 연료로 사용한다는 점이다.
이것의 문제점:
중수소와 삼중수소의 융합은 많은 양의 고에너지 및 방사성 중성자를 방출한다. 그래서 복잡한 차폐가 필요하다. 또한 동위원소인 삼중수소는 자연계에서 가장 적은 양으로만 발생하므로 방사성 물질이나 핵융합로에서 얻어야 한다. 현재 전 세계 삼중수소 공급량은 20kg 미만이다.
대체 핵융합 연료로서의 붕소
가능한 대안은 수소와 붕소의 융합일 수 있다. 이 준금속은 자연계에 풍부하게 존재하며 삼중수소와 달리 독성이나 방사성 물질이 아니다. "붕소와의 핵융합 반응은 중성자를 생성하지 않고 세 개의 알파 입자 형태의 헬륨만 생성한다. TAE Technologies의 R.M. Mageeㅇ와 동료들이 설명했다. 따라서 양성자와 붕소를 연료로 사용하는 핵융합로는 더 안전하고 환경 친화적이며 다루기 쉽다.
그러나 문제가 있다. 수소-붕소 플라즈마에서 핵융합을 점화하려면 중수소-삼중수소 플라즈마보다 30배 높은 온도가 필요하다. 물리학자들은 "생성된 핵융합 에너지가 가열에 투입된 에너지보다 더 큰 방식으로 이 연료로 원자로를 작동하는 것은 어려운 일"이라고 설명했다. 이렇게 실제로 더 깨끗하고 사용하기 쉬운 융합 기술을 구현하려면 먼저 주요 물리적 장애물을 극복해야 한다. "이러한 장애물은 극복될 수 있다"고 연구원들은 강조했다.
일본 스텔라레이터의 융합 테스트
Magee의 팀은 이제 중요한 단계를 밟았다. 그들은 처음으로 자기 제한 반응기의 플라즈마에서 물과 붕소의 융합을 시작하고 시연했다. 이를 위해 Wendelstein 7-X에 이어 세계에서 두 번째로 큰 스텔라레이터인 일본의 LHD(Large Helical Device)를 사용했다. 실험에서 물리학자들은 먼저 핵융합 반응기의 수소 플라즈마에 작은 붕소 알갱이를 넣었다. "측정 결과 상당한 양의 붕소가 플라즈마 중앙에 축적되는 것으로 나타났다"고 그들은 설명했다.
다음 단계에서는 여러 개의 이온 빔 주입기를 사용하여 고에너지 양성자를 플라즈마에 쏘았다. Magee와 그의 동료들은 "실험에서 얻은 붕소 밀도와 이온빔 매개변수는 3개의 고에너지 방출기가 모두 동시에 발사되는 경우 초당 약 1000억 개의 융합 속도로 이어질 것으로 계산 결과 예측된다"고 말했다. 그들은 양성자가 붕소와 융합할 때 생성되는 헬륨 핵을 감지할 수 있는 감지기의 도움으로 이것이 실제로 사실인지 확인했다.
붕소와 수소의 융합 감지
알파 검출기는 실제로 테스트 원자로의 플라즈마에서 헬륨 핵의 급격한 증가를 기록했다. "입자 수는 이론적 계산과 잘 일치하는 융합 속도를 나타낸다"고 Magee와 그의 팀은 썼다. "이것은 자기 제한 플라즈마에서 수소-붕소 핵융합의 첫 번째 증거다." 물리학자들에 따르면 이 실험은 이 연료를 사용하는 미래의 핵융합로를 향한 중요한 단계를 나타낸다.
"이 실험은 우리가 지금 작업할 수 있는 많은 양의 데이터를 제공한다"고 공동 저자인 TAE Technologies의 CEO인 M.W. Binderbauer는 말했다. "그것은 수소-붕소 연료가 핵융합 에너지로 가는 길에 자리를 잡고 있음을 보여준다." 그러한 융합 플라즈마가 점화되기까지는 아직 갈 길이 멀지만, 물리학자들은 붕소 핵융합 원자로가 언젠가는 깨끗한 플라즈마를 생산할 것이라고 확신한다. 비 방사성 에너지원이 될 수 있다.
2030년까지 신형 핵융합로
TAE는 이미 토카막 및 스텔라레이터와 달리 선형 구조를 가진 핵융합로를 연구하고 있다. 소위 FRC(Field-Reversed Configuration)에서 플라즈마는 선형 자기장 라인과 도넛형 전기장으로 둘러싸여 있어 원통형 반응기에서 자유 부동 플라즈마의 일종의 "연기 고리"가 생성된다. 실험실 규모의 예비 실험은 이미 성공적이었고 최초의 더 큰 시스템이 현재 개발 중이다.
캘리포니아 회사는 2030년까지 이러한 원자로의 첫 프로토타입을 완성할 계획이며, 그런 다음 처음으로 2040년까지 운영하는 데 필요한 것보다 더 많은 핵융합 에너지를 생산할 것이다.
(nature communication, 2023; doi: 10.1038/s41467-023-36655-1)
출처: nature communications, TAE
- 세계에서 두 번째로 큰 스텔라레이터인 일본의 LHD(Large Helical Device)를 사용
- 방사성 중성자를 생성하지 않는 청정 핵융합 발전소를 향한 첫 걸음이 될 것
- 붕소와의 핵융합 반응은 중성자를 생성하지 않고 세 개의 알파입자 형태 헬륨만 생성
- 캘리포니아 회사는 2030년까지 이러한 원자로의 첫 프로토타입을 완성 계획
플라즈마에서 최초의 붕소-수소 융합
핵융합 실험은 대체 연료로 핵융합을 위한 길을 열어준다.
중수소와 삼중수소 대신 붕소:
처음으로 연구원들은 플라즈마에서 수소와 붕소의 핵융합을 촉발하고 형성된 헬륨 핵을 사용하여 이를 시연했다. 일본의 시험 원자로에서 달성된 이 성공은 방사성 중성자를 생성하지 않는 청정 핵융합 발전소를 향한 첫 걸음이 될 수 있다고 연구팀은 Nature Communications에 보고했다. 일반적인 핵융합로에서 사용되는 삼중수소와 달리 붕소는 풍부하게 이용 가능한 원료다.
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| ▲ 수소와 붕소의 융합에는 더 높은 플라즈마 온도가 필요하지만 헬륨 핵만 생성하고 방사성 중성자는 생성하지 않는다. © TAE |
핵융합은 미래의 에너지원으로 여겨진다. 그러나 어떤 기술로 핵융합 발전소의 돌파구와 실용화를 달성할 수 있을지는 아직 불분명하다. 물리학자들은 현재 매우 다양한 유형의 원자로를 테스트하고 있다. 대형 원자로 ITER와 같은 토카막 원리 기반 시스템부터 Wendelstein 7-X와 같은 스텔라레이터, 그리고 최근에야 플라즈마 점화를 달성한 레이저 융합에 이르기까지 다양하다. 이들 핵융합로의 공통점은 대부분 중수소와 삼중수소 형태의 중수소를 연료로 사용한다는 점이다.
이것의 문제점:
중수소와 삼중수소의 융합은 많은 양의 고에너지 및 방사성 중성자를 방출한다. 그래서 복잡한 차폐가 필요하다. 또한 동위원소인 삼중수소는 자연계에서 가장 적은 양으로만 발생하므로 방사성 물질이나 핵융합로에서 얻어야 한다. 현재 전 세계 삼중수소 공급량은 20kg 미만이다.
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| ▲ (왼쪽) 헬리오트론 플라즈마의 컷어웨이 뷰가 있는 LHD 진공 용기를 보여주는 3D CAD 모델. (오른쪽) 마지막 닫힌 플럭스 표면(tan)의 일부인 LHD 분리막 근처의 PIPS 검출기와 플라즈마 아래에 위치한 PIPS 검출기에 도달하는 계산된 알파 입자 궤적(녹색 곡선)을 보여주는 CAD 이미지.(출처: 관련논문 Published: 21 February 2023 First measurements of p11B fusion in a magnetically confined plasma / nature communications) |
대체 핵융합 연료로서의 붕소
가능한 대안은 수소와 붕소의 융합일 수 있다. 이 준금속은 자연계에 풍부하게 존재하며 삼중수소와 달리 독성이나 방사성 물질이 아니다. "붕소와의 핵융합 반응은 중성자를 생성하지 않고 세 개의 알파 입자 형태의 헬륨만 생성한다. TAE Technologies의 R.M. Mageeㅇ와 동료들이 설명했다. 따라서 양성자와 붕소를 연료로 사용하는 핵융합로는 더 안전하고 환경 친화적이며 다루기 쉽다.
그러나 문제가 있다. 수소-붕소 플라즈마에서 핵융합을 점화하려면 중수소-삼중수소 플라즈마보다 30배 높은 온도가 필요하다. 물리학자들은 "생성된 핵융합 에너지가 가열에 투입된 에너지보다 더 큰 방식으로 이 연료로 원자로를 작동하는 것은 어려운 일"이라고 설명했다. 이렇게 실제로 더 깨끗하고 사용하기 쉬운 융합 기술을 구현하려면 먼저 주요 물리적 장애물을 극복해야 한다. "이러한 장애물은 극복될 수 있다"고 연구원들은 강조했다.
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| ▲ 대형나선형 핵융합로 제어실의 연구팀과 시험시설 직원들. © TAE |
일본 스텔라레이터의 융합 테스트
Magee의 팀은 이제 중요한 단계를 밟았다. 그들은 처음으로 자기 제한 반응기의 플라즈마에서 물과 붕소의 융합을 시작하고 시연했다. 이를 위해 Wendelstein 7-X에 이어 세계에서 두 번째로 큰 스텔라레이터인 일본의 LHD(Large Helical Device)를 사용했다. 실험에서 물리학자들은 먼저 핵융합 반응기의 수소 플라즈마에 작은 붕소 알갱이를 넣었다. "측정 결과 상당한 양의 붕소가 플라즈마 중앙에 축적되는 것으로 나타났다"고 그들은 설명했다.
다음 단계에서는 여러 개의 이온 빔 주입기를 사용하여 고에너지 양성자를 플라즈마에 쏘았다. Magee와 그의 동료들은 "실험에서 얻은 붕소 밀도와 이온빔 매개변수는 3개의 고에너지 방출기가 모두 동시에 발사되는 경우 초당 약 1000억 개의 융합 속도로 이어질 것으로 계산 결과 예측된다"고 말했다. 그들은 양성자가 붕소와 융합할 때 생성되는 헬륨 핵을 감지할 수 있는 감지기의 도움으로 이것이 실제로 사실인지 확인했다.
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| ▲ 대형 헬리컬 장치에 감긴 형태의 융합 플라즈마(노란색). © NIFS |
붕소와 수소의 융합 감지
알파 검출기는 실제로 테스트 원자로의 플라즈마에서 헬륨 핵의 급격한 증가를 기록했다. "입자 수는 이론적 계산과 잘 일치하는 융합 속도를 나타낸다"고 Magee와 그의 팀은 썼다. "이것은 자기 제한 플라즈마에서 수소-붕소 핵융합의 첫 번째 증거다." 물리학자들에 따르면 이 실험은 이 연료를 사용하는 미래의 핵융합로를 향한 중요한 단계를 나타낸다.
"이 실험은 우리가 지금 작업할 수 있는 많은 양의 데이터를 제공한다"고 공동 저자인 TAE Technologies의 CEO인 M.W. Binderbauer는 말했다. "그것은 수소-붕소 연료가 핵융합 에너지로 가는 길에 자리를 잡고 있음을 보여준다." 그러한 융합 플라즈마가 점화되기까지는 아직 갈 길이 멀지만, 물리학자들은 붕소 핵융합 원자로가 언젠가는 깨끗한 플라즈마를 생산할 것이라고 확신한다. 비 방사성 에너지원이 될 수 있다.
2030년까지 신형 핵융합로
TAE는 이미 토카막 및 스텔라레이터와 달리 선형 구조를 가진 핵융합로를 연구하고 있다. 소위 FRC(Field-Reversed Configuration)에서 플라즈마는 선형 자기장 라인과 도넛형 전기장으로 둘러싸여 있어 원통형 반응기에서 자유 부동 플라즈마의 일종의 "연기 고리"가 생성된다. 실험실 규모의 예비 실험은 이미 성공적이었고 최초의 더 큰 시스템이 현재 개발 중이다.
캘리포니아 회사는 2030년까지 이러한 원자로의 첫 프로토타입을 완성할 계획이며, 그런 다음 처음으로 2040년까지 운영하는 데 필요한 것보다 더 많은 핵융합 에너지를 생산할 것이다.
(nature communication, 2023; doi: 10.1038/s41467-023-36655-1)
출처: nature communications, TAE
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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