지터 캐르파크에게 보내는 공개 서한, ITER에 관하여

지오르주 샤르파크 씨에게 보내는 공개 서한

샤르파크 씨, 바리바르 씨, 트레이나 씨께 보내는 공개 서한

2010년 8월 21일

자크 트레이나

첨부 파일: 2007년 모스크바 고온 쿠르카토프 연구소 핵융합연구소 소장 발렌틴 스미르노프 교수의 서한, 여전히 수신자가 없는 서한.

선생님들께,

저는 언론을 통해 당신들이 ITER 프로젝트에 반대하는 입장을 밝힌 것을 읽었습니다.

삼십 년 후, 프로젝트의 실패가 명백해질 때, 이 사람들이 퇴직하면서 "안타깝지만 잘못 판단했어요"라고 말하며, 비현실적인 꼬마 거인처럼 되어버린 이 프로젝트를, 고통스럽고 비용이 큰 임신의 끝에, 다음 세대에게 넘겨줄 것입니다.

사실, 당신들이 지적하신 것처럼, 이 프로젝트의 비용은 앞으로 20년간의 연구 예산 전체를 차지할 정도로 커질 것입니다.

언론이 전달한 단순화된 이미지를 빌리자면, 마치 우리가 태양을 냄비에 담을 수 있다고 약속하지만, 그 냄비 자체는 없고, 그 "소소한 문제"는, 핵융합이 소비하는 에너지보다 더 많은 에너지를 생성할 수 있는 가능성이 증명된 이후에야 해결하겠다는 식입니다. 단지 몇 분 동안의 성공만으로도 충분하다는 것입니다.

이 냄비를 만들 수 있는 마법의 재료에 대한 연구의 문제점을 처음 지적한 사람은 유감스럽게도 사망한 기이스 드제느였습니다. 그는 초전도 자석이 1400만 전자볼트의 중성자 흐름에 얼마나 오랫동안 견딜 수 있을지에 대해 극도로 회의적이었습니다.

제트(JET)는 약 1초 동안 핵융합 반응을 일으켰으며, 이는 사실입니다. 15메가와트의 핵융합 에너지를 생성했고, Q = 생성된 에너지 / 주입된 에너지 = 0.65의 비율을 달성했습니다.

ITER는 6분간의 작동을 통해 500메가와트를 생산하고, 효율이 1을 넘어서는 (Q=10) 성과를 기대하고 있습니다. 만약 이 목표가 달성된다면, 그 6분 동안, 필수적인 자기 격리 시스템이 빠르게 파손되고 엄청난 비용이 드는 상황을 해결할 방안이 없을 경우, 이 실험은 어떤 의미를 가지겠습니까? 초전도 자석을 매주 또는 매달 교체해야 한다면, 이런 발전소가 어떻게 수익성을 유지할 수 있겠습니까?

언론은 벽면의 문제와 그 내구성에 대해 언급했습니다. 벽면은 핵융합 반응에서 발생하는 중성자만을 견디는 것이 아니라, 1억 도의 플라즈마에서 맥스웰-볼츠만 속도 분포의 "꼬리"에 해당하는 수소 이온의 폭주도 견뎌야 합니다. 핵융합 플라즈마는 충돌성이 있으며, 이 충돌들은 평균 열 속도 주변에 가우스 곡선 형태의 속도 분포를 형성합니다. 양쪽 끝에는 느린 이온과 빠른 이온이 존재합니다. 이 빠른 이온들은 자기장 장벽을 넘어서 벽면, 즉 '프리월(First Wall)'에서 이온을 분리시킵니다. 이 이온들은 플라즈마를 오염시키고, 브레멘슈탈링(Bremsstrahlung) 방사로 인해 플라즈마를 냉각시킵니다. 이 방사는 관련된 이온 전하의 제곱에 비례하여 증가하므로, 만약 프리월이 텅스텐으로 만들어진다면 매우 심각한 문제입니다. 이러한 무거운 이온에 의한 오염은 피할 수 없습니다.

핵융합 플라즈마의 정화를 위해 '디버터(Divertor)'라 불리는 기술이 계획되어 있으며, 토로이드 챔버 바닥에 명확히 보이는 '자갈길' 형태의 구조물에 의해 이루어집니다. 그러나 이 시스템은 실제 규모에서 시험된 적이 없으며, 효과가 있을지 확신할 수 없습니다. 또 다른 문제입니다.

ITER의 정화 시스템("디버터")

이 논란이 점점 커지자, CEA의 행정 책임자인 버나드 비고트 씨는 다음과 같이 말합니다:

- 만약 ITER를 하지 않는다면, 2070년에 90억 명의 인류는 어떻게 에너지를 공급받아 그들의 필요를 충족시킬 수 있을까요? ... 이 세기 말까지 지구 전체에 지속 가능한 에너지를 어떻게 보장할 수 있을까요? ... 만약 우리가 물리학을 제어할 수 있다면, 1400만 전자볼트의 에너지를 가진 중성자 흐름에 견딜 수 있는 재료를 찾을 것입니다. ... 포기하는 것은 비합리적입니다. 장애는 제어될 것입니다.

당신들이 ITER 프로젝트를 완전히 중단하는 것과 함께, 슈퍼피니크스와 같이 빠른 중성자로 작동하는 증식로 기술로 되돌아가야 한다고 제안하고 있습니다. 일반적으로 제4세대 원자력 발전소라고 불리는 이 기술은, 플루토늄-239의 분열을 기반으로 하는 전통적인 원자력의 변형입니다. 나트륨과 같은 열매개체를 사용하면, 물(압력이 있는)처럼 중성자를 억제하지 않고, 빠른 중성자가 더 쉽게 통과할 수 있습니다. 이 과정에서 U238의 유용한 코팅이 중성자 방사로 인해 Pu239로 변환되며, 이는 1.25의 비율로 플루토늄을 더 많이 생산하는 반응을 의미합니다.

이 옵션은 위험성이 지적되어 프로젝트가 중단된 바 있지만, 구조물의 활성화와 대량의 폐기물 생산 문제는 여전히 해결되지 않았습니다.

당신들이 다른 가능성을 언급하지 않은 점을 유감스럽게 생각합니다. 바로 무중성자 핵융합입니다. 이는 보어-11과 수소-1의 혼합물로 이루어지며, 반응 결과로는 삼 개의 헬륨-4가 생성되고, 중성자는 전혀 발생하지 않습니다. (실제로는 부수적인 반응으로 아주 미약한 중성자가 발생하지만 무시할 수 있습니다.)

1억 도의 점화 온도가 영국의 JET에서 달성되기 전까지, 디테륨-트리튬 혼합물에서 핵융합 에너지를 추출하는 것은 불가능했습니다. 1991년 영국 JET의 돌파는 상황을 바꾸었고, 1997년에는 15메가와트의 핵융합 에너지를 생성하며 Q=0.64의 효율을 달성했습니다.

이 보어-수소 반응의 경우, 점화 온도는 10억 도입니다. 그런데 2006년 말 캘리포니아 샌디아 연구소의 말콤 헤인스 교수는, 2005년에 37억 도의 온도가 샌디아의 Z-기계에서 도달되었음을 보고했습니다. 이 기계는 1970년대 초에 교수 겸 설계자인 게롤드 요나스가 개발했으며, 이후 연구 책임은 디니 씨에게 이양되었습니다.

자기유체역학적으로 불안정한 Z-핀치에서 2×10⁹ 켈빈 이상의 이온 점성 가열

M. G. 헤인스, P. D. 레 펠, C. A. 커버데일, B. 존스, C. 디니, J. P. 아프루제세

물리학 리뷰 레터 2006년 2월 24일

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이 논문에 대한 저의 분석

2008년에는 ZR(개조된 Z-기계)에서 전류가 1800만 암페어에서 2800만 암페어로 증가하면서, 매우 높은 온도가 도달했을 것으로 매우 유력하게 추정됩니다. 일반적으로 온도는 전류 강도의 제곱에 비례하므로, 이 새로운 장비를 통해 약 90억 도의 온도가 이론적으로 도달할 수 있었습니다. 그러나 2008년 리투아니아 비르누스의 펄스 전력 고조파 회의에서, 저의 MHD 관련 세 가지 발표를 듣고 왔던 마츠엔과 맥키 두 행정 책임자에게서 직접 들은 바에 따르면, 이 문제들은 이미 오늘날 군사 기밀에 해당하며, 심지어는 새로운 성과를 숨기기 위한 놀라운 수준의 오해를 조장하는 시도까지 있었고, 저는 그 모습을 놀라움과 함께 목격했습니다.

간단히 언급만 하자면, 이러한 기계의 온도에 원칙적인 제한이 없기 때문에, 폐기물 재처리나 무거운 원소 합성도 가능해질 수 있습니다. 이 Z-기계는 언젠가 초신성의 중심부(1천억 도)와 유사한 조건을 달성할 수 있을지도 모릅니다.

물론 이 숫자는 과학 소설처럼 들릴 수 있지만, 1930년대에는 누구도 수백만 도의 원자폭탄, 1940년대에는 수억 도의 수소폭탄, 21세기 초에는 10억 도의 Z-기계를 상상했을까요? 말콤 헤인스 씨가 이메일로 확인해 준 바에 따르면, 샌디아에서 나오는 연구는 이미 '은폐'되고 있습니다.

리튬-수소 혼합물의 핵융합은 5000만 도의 온도만 필요합니다. Z-기계에서 파생된 MHD 압축기로는, 질량 임계값의 제약으로 인해 소형화가 불가능한 분열 장치를 대체할 수 있습니다. 이는 TNT 기준 300헥토톤 이상의 최소 출력을 제한합니다. 순수 핵융합은 장치의 소형화 가능성을 열어줍니다. 게다가 수소와 리튬의 반응은 헬륨만을 생성하므로, "녹색 폭탄"이라 할 수 있으며, 실제로 사용할 수 있습니다. 낮은 출력으로 인해, 폭탄을 다루는 사람이 방출되는 방사능에 노출되지 않으며, 제트 스트림에 의해 방출되는 방사능이 무한한 거리까지 퍼질 수 있습니다.

그러나 반론이 제기될 것입니다. "어떻게 30미터 지름의 Z-기계를 폭탄 몸체 안에 넣을 수 있겠는가?"

1954년 안드레이 사카로프가 발명한 자기적 누적 MHD 압축기는, 단순히 화학 폭발물의 에너지를 원천으로 합니다. 당시에는 수십 밀리초 안에 1억 암페어의 전류를 생성할 수 있었습니다.

문제는 이 전류가 얼마나 오래 지속되는가였습니다. 이는 화학 폭발물로 생성된 강한 자기장이 있는 공극을 압축하는 데 걸리는 시간과 직접적으로 관련되어 있었습니다. 러시아의 체르니셰프(또 다시 러시아!)는 매우 현명하게, 공극을 아코디언 형태의 구조로 만들어 폭발물을 주변에 주입함으로써 문제를 해결했습니다. 생성된 전력은 압축된 자기장 부피에 비례하며, 이 새로운 기하학적 구조는 밀리미터 수준의 압축을 가능하게 했고, 필요한 100나노초의 시간을 제공할 수 있었습니다.

이제 우리는 이러한 순수 핵융합 폭탄이, 무한히 소형화 가능하며 단순한 공처럼 작아질 수 있다는 것을 알고 있습니다. 미국과 러시아에서는 이미 이 기술을 연구하고 있으며, 잘 알려진 원칙에 따라 진행됩니다:

폭탄 먼저, 에너지 이후.

프랑스에서는 DGA의 태도가 즉시 명확해졌습니다:

- 군대의 승인이 없으면 아무것도 이루어지지 않는다.

이는 상황을 단순화하지 못했습니다. 심지어는 전문성이 부족한 상태에서 무기를 놓고 있는 것과 다름없습니다. 또 다른 중요한 점은, 이 기술은 핵확산 가능성이 있다는 점입니다. 왜냐하면 어떤 국가든, 우라늄의 동위원소 농축이라는 오랜, 비용이 많이 드는, 그리고 은밀한 과정을 거치지 않고도 순수 핵융합 무기를 보유할 수 있기 때문입니다.

이 온도 임계값만으로는 핵융합 반응이 일어나지 않으며, 최소한의 격리 조건(로우슨 기준)도 충족되어야 한다는 점을 저는 알고 있습니다. 그러나 2005년부터 샌디아에서는 D-T 타겟에서 핵융합 반응이 발생하고, 강력한 에너지 방출이 관측되었습니다.

"새로운 폭탄을 만들기 위해 왜 안 되겠는가?"라고 생각할 수 있습니다. 그러나 순수 핵융합 발전소는 어떻게 가능할까요?

러시아에서 개발된 LTD 방전원은 높은 반복성과 기초 단위의 복수를 통해 거의 무제한으로 전류 강도를 증가시킬 수 있습니다. 이 기술은 크기가 신발 상자 정도인 기초 장치의 복수로 가능합니다. 두 번째 점은, 이러한 시스템의 에너지 생산은 폭발과 유사하며, 자기장 내에서의 팽창을 통해 70%의 효율로 MHD 직접 변환에 적합합니다. 이는 높은 자기 레이놀즈 수 조건에서 자기장 압축을 의미합니다.

우리는 화석 연료를 연소하는 차량을 사용하고 있습니다. 증기기관은 수십 년간 선박, 기차, 농업 기계의 기초 엔진이었지만, 지금은 증기 터빈을 제외하고는 사라졌습니다. 증기기관이라 함은, 에너지를 추출하는 유체가 거의 일정한 온도를 유지하는 시스템을 의미합니다. 자동차의 엔진은 고온에서 짧은 시간 동안 연료를 연소시키는 '폭발 엔진'입니다. 엄밀히 말해 폭발이 아니므로, '충격 연소 엔진'이라고 부르겠습니다. 가장 단순한 구조로는 다음과 같습니다:

• 압축

• 충격 연소

• 팽창: 여기서 일부 에너지는 관성 휠에 저장되어 다음 압축을 수행

ITER는 일정한 온도를 유지하는 점에서, 3천 년대의 증기기관에 불과합니다.

MHD 압축 시스템은 충격 핵융합 시스템입니다. 이것이 미래입니다. ITER와 같은 프로젝트는 본질적으로 오염되지 않은 핵융합을 확장하거나, 필요한 10억 도의 온도를 제공하는 데 실패합니다.

MHD 압축기의 보완은 '관성 휠' 또는 에너지 저장 시스템입니다. 컨덴서 기술의 개발이나 단순한 관성 휠(오늘날 토카막의 솔레노이드가 비초전도 상태에서 펄스 자기장을 생성하는 데 사용되는 에너지 저장 장치임을 상기하십시오)이 될 수 있습니다. 이 모든 것이 아래의 그림과 같은 흐름을 따릅니다:

- MHD 압축

- 핵융합

- 플라즈마 팽창 시 직접 변환을 통한 에너지 생산

- 일부 에너지 저장 - 등등...

이 시설의 낮은 비용은 즉각적인 도전을 요구합니다. 그러나 이를 위해서는 유럽 프로젝트가 필요하며, 이는 필수적으로 러시아를 포함해야 합니다. 왜냐하면 러시아는 2차 세계대전 이후 MHD 분야에서 절대적인 주도권을 가지고 있으며, 프랑스는 30년 이상 이 분야를 방치해왔기 때문입니다. 이 상황은 극복하기 어렵습니다.

순수 과학적 성과는 '역방향 비평형 플라즈마'라는 진정한 미지의 영역에 위치해 있습니다. 형광등의 전자 가스는 1만 도이며, 무거운 이온 가스는 일반 온도를 유지합니다. 이는 전형적인 비평형 상태입니다.

Z-기계에서는 이온은 37억 도, 전자는 1천만 도입니다.

라플라스 힘은 이온과 전자를 400km/s의 속도로 축 방향으로 수렴시킵니다. 강력한 전기적 힘은 전하가 데바이 거리보다 더 멀리 떨어지지 못하게 합니다. 축에 충돌할 때, 이 운동 에너지는 충돌을 통해 열 에너지로 전환됩니다. 그러나 기체 운동 이론에 따르면, 에너지 전달은 두 입자의 질량 비율에 비례합니다. 따라서 릴랙세이션 시간은 매우 다릅니다.

- 말콤 헤인스가 계산한 바에 따르면, 이온과 전자 각각 내에서 열역학적 평형 상태가 몇 나노초 안에 형성됩니다.

- 그러나 두 집단 간의 에너지 전달은 전혀 다른 문제입니다. 이것이 관측된 차이의 원인입니다.

따라서 이것은 새로운 유형의 플라즈마이며, 이론가와 실험가들에게는 놀라운 연구 주제입니다. 이는 에너지 생산 외의 측면에서도 그렇습니다. 이 시점에서 물리학, 실험적·이론적 모두가 ... 급격한 하락세를 보이고 있으며, 학생들이 이 분야에 대해 극도로 무관심해지고 있습니다.

헤인스의 논문에서 그는, 플라즈마 줄무늬의 팽창이 시작된 이후에도 온도 상승이 계속되고, 라인의 폭이 크게 넓어지는 현상을 언급합니다. 이는 MHD 난류를 통해 주변 자기장의 에너지가 변환되고 있음을 시사합니다. 새로운 연구 주제이며, 논문을 쓰고 싶은 연구자들에게는 진정한 은하입니다.

이러한 연구가 유럽 과학 공동체 내에서 더 큰 반향을 일으키지 않은 점이 놀랍습니다. 특히 이러한 연구 시설의 비용이 ITER와 비교해 두 자리 수 차이로 훨씬 낮으며, 이 기술은 ITER가 가질 수 없는 유연성을 제공하기 때문입니다.

2007년에 제가 웹사이트에 언급한 간단한 예