이터와 핵에너지에 대한 홍보 효과

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공개 발표 효과

2012년 5월 10일

ITER와 토카막에 관심을 갖기 시작한 이후로, 공개 발표 효과가 늘어나고 있다. "파열(disruption)"라는 단어가 위키백과에 등장했다. 카다라슈에서의 방문 시, 관람객들은 단순히 아름다운 모형을 보고, 매력적인 안내원의 말을 조용히 듣는 것만으로 만족하지 않는다. 사람들은 질문을 시작하고 있다.

최근에는 ITER 프로젝트를 지지하는 새로운 선전 논문이 여러 사이트에 게시되었다. 이에 대해 나는 수많은 메시지를 받았고, 이에 대해 내 사이트에서 답변하기로 결정했다. 다시 한번 말하지만, 이건 완전한 거짓말이다. 이는 전문가들인 고온 플라즈마 전문가들에게 전화를 걸어 확인해보았을 때도 확인된 사실이다. 그들은 여전히 근무 중이기 때문에 침묵을 지켜야만 한다.

다음 10일 안에 나는 지역에서 ITER와 핵에너지에 대해 강연할 예정이다. 시간이 된다면 말이다. Enquête et Débat 사이트에는 1시간 50분짜리 긴 영상이 있다. 이 영상을 보는 것을 추천한다. 그 영상에서는 2011년 9월 프린스턴에서 열린 토카막 미래에 관한 회의에서 글렌 워든(Glenn Wurden)이 제기한 비판을 내가 전달하고 있다. 나는 몇 달 전에 그와 1시간 전화 통화를 했다. 영상에서는 그의 발표 자료(slides)를 영어로 설명한 후 바로 그 내용을 프랑스어로 설명하고 있다. 이 영상은 Enquête et Débat 사이트의 "최고의 선택(best off)" 섹션(상단 우측 녹색 박스)에 있다.

하지만 1시간 50분은 길다. 이를 여러 부분으로 나누어야 했다. 당시 나는 편집 없이 한 번에 녹화한 것이 전부였다. Sortir du Nucléaire 사이트에 영구적인 링크를 걸어두는 것이 좋았을 것이다. 이 사이트는 단지 일시적인 이벤트에만 집중하고 있다. 나는 이 900개의 단체를 포함하는 공동체의 대표인 피에르 브루스에게 홈페이지에 핵에너지의 과학적·기술적 측면에 대한 기초 기사로 연결되는 아이콘을 배치해달라고 제안했지만, 그는 결코 답을 주지 않았다. 그들은 단지 퍼포먼스를 기획하는 사람들일 뿐이다.

내가 할 강연은 영상으로 녹화되어 즉시 인터넷에 공개될 것이다. 영상 촬영과 음성 녹음 작업을 맡은 사람들이 내가 제공한 이미지를 삽입할 것이다. 이 작업이 시간이 좀 걸리는 이유다. 이미지를 정확한 시점에, 적절한 시간 동안 삽입해야 하기 때문이다.

오늘 나는 30cm 지름의 폴리스티렌 소형 토러스를 어제 아시에서 구입한 것을 기반으로 모형 모음집을 준비하고 있다. 나는 토카막의 작동 원리를 설명해보려고 한다. 즉, 사람들이 전혀 모른 채로 있는 ITER의 작동 원리 말이다. 사실 "자기장 폴로이드"라는 표현을 선택한 것은 이러한 개념을 명확히 하기 위한 것이 아니었다.

나는 가능한 한 45분이라는 최대한의 주의 시간 동안 모든 것을 담아내려고 노력할 것이다.

주최 측은 이 행사에 토론의 모습을 부여하려 애썼다. ITER의 커뮤니케이션 책임자인 미셸 클라세는 처음에는 수락했다. 하지만 나와 대면하게 될 것을 알고, "너무 부정적인 사람과 토론하고 싶지 않다"며 사양했다(...).

카다라슈에 있는 자기융합연구소(Institut de Recherche sur la Fusion Magnétique)의 과학자들 역시 마찬가지였다. 이곳은 프랑스의 핵융합 중심지이자 내부에 있는 요새이다. 미셸 채텔리에, 가브리엘 마르바흐(이전 소장), 알랭 베쿠레(ITER 전문가), 피에르 레드리(이 연구소의 연구소장, "CNRS의 핵융합 담당자") 등이다.

그들의 이름이 적힌 빈 의자들을 배치하고, 이를 촬영할 것이다.

이 모든 일은 지치고, 나는 지쳐 있다. 75세가 되었으니, 이건 어느 정도 무거운 부담이다.

좋다. 이제 이 공개 발표 효과들에 대해 이야기해보자. 이 페이지에서 하나씩 차례로 제시하고, 모두 반박해야 한다.

ITER 조직은 자금과 자원을 가지고 있으며, 기존에는 대중과 인터넷 사용자들이 대응할 수 없었던 정보 확산을 주도할 수 있다. 이번에는 최근의 "그린월드 한계(Greenwald limit)"에 관한 보도자료를 다룬다. 먼저 보도자료를 인용한 후 설명하겠다.

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/69903.htm

출처:

물리학 및 나노기술: 핵융합의 통제에 한 걸음 더 가까워질 수 있을까?

미국의 두 물리학자들이 최근 핵융합 개발을 방해하는 주요 문제 중 하나에 대한 가능한 설명을 발견했다. 이들은 실험적으로 검증된다면 토카막 내에서 성능 향상이 가능하다는 해결책을 제안했다. 이는 핵융합 기술을 산업적으로 전기 생산에 활용하기 위한 우리의 희망을 더욱 고취시킨다.

실제로 지구의 에너지 미래가 핵심 관심사인 지금, 핵융합은 풍부하고 오염이 적은 이상적인 에너지원이 될 수 있다. 그러나 핵융합을 가능하게 하는 엄격한 조건을 실현하는 것은 어렵기 때문에, 현재 기술은 여전히 연구 및 실험 단계에 머물러 있다. 핵융합 발전소를 구축해 반응에서 발생하는 열을 전기로 변환하는 목표는 여전히 멀리 떨어져 있다. 국가 및 국제 과학 공동체는 이 엄청난 과제에 걸맞은 거대한 프로젝트에 뛰어들고 있다. 투자 규모는 일부 국민들에게 혼란을 주고 있다. 현재 핵융합 개발은 확실한 결과가 보장되지 않은 막대한 비용을 투입하는 것이 타당한지에 대한 논쟁의 중심에 있다. 이와 같은 상황에서 기대는 많고, 급박하다.

따라서 루이스 델가도-아파리시오와 데이비드 게이츠, 미국 에너지부 소속 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소의 두 물리학자들이 최근 발표한 발견은 기대를 모았다.

그들은 토카막 구조 내에서 발생할 수 있는 플라즈마의 불안정성에 주목했다. 이는 토카막 개발을 방해하는 주요 문제이다.

이러한 3차원 불안정성인 "파열(disruptions)"은 정상적인 격리 조건에서도 피할 수 없다는 것이 인정되었다.

이는 플라즈마의 격리가 급격하고 극도로 강하게 파괴되는 것을 의미하며, 장비에 심각한 손상을 줄 수 있다. 또한 토카막의 출력이 클수록 손상 위험이 더 커진다. 현재 카다라슈에서 건설 중인 고출력 토카막 프로토타입인 ITER는 전체 시설이 심각하게 손상될 수 있다.

이러한 파열의 주요 원인 중 하나는 플라즈마 밀도가 특정 임계값인 "그린월드 한계(Greenwald limit)"를 초과하는 것이다. 이 한계는 보편적으로 보이지만, 그 원인은 여전히 미스터리이다.

플라즈마 내에서 핵융합이 일어나기 위해서는 플라즈마가 충분히 밀도가 높고 뜨거워야 한다. 이는 플라즈마 내에 있는 가벼운 원자핵들이 가까이 다가가 서로 재결합하여 더 무거운 원자핵을 형성하게 하기 위함이다. 이 재결합 과정은 열 형태로 큰 에너지를 방출하며, 이 에너지를 회수해 전기를 생산하려는 것이 목적이다. 이 핵융합 반응은 태양과 대부분의 별들에서 자연적으로 발생한다. 일반적으로 플라즈마에 더 많은 에너지를 주면 밀도가 증가하고, 따라서 핵융합 반응이 더 유리해진다고 기대할 수 있다. 그러나 그린월드 한계는 이러한 직관을 반박한다. 또한, 핵반응 속도는 플라즈마 밀도의 제곱에 비례하므로, 이 한계는 특정 크기의 토카막의 성능을 제한한다. 따라서 과학자들은 이 한계의 원인을 수십 년 동안 연구해왔다.

루이스 델가도와 데이비드 게이츠의 심층 연구는 이 문제에 초점을 맞추고 있다. 그들은 그린월드가 제안한 것과는 다른, 새로운 설명을 제시한다. 그린월드는 이 한계를 설명하는 방정식을 제시한 미시간 공대의 물리학자이다(이 방정식은 그의 이름을 따서 명명됨). 내 주의: 그린월드는 이 방정식을 이론적 근거 없이 도출했다. CEA는 그들이 나를 비난하기 위해 올린 글에서 이를 "공학 법칙(engineer's law)"이라 불렀다. 즉, 관찰에서 도출된 완전히 경험적인 공식이다. 위키백과에서 "그린월드 한계"를 검색하면 이 아름다운 공식을 확인할 수 있다:

이 법칙에 따르면, 토카막 내에서 플라즈마 밀도는 "플라즈마 전류"에 비례하며, 이는 플라즈마 내를 흐르는 전류(토레 수프라에서는 150만 암페어, ITER에서는 15만 암페어)와 반비례하며, 토카막의 "작은 반지름"의 제곱에 반비례한다. 이 연구는 1980년대에 그린월드가 완전히 경험적으로 시작했다.

이제 이 기사의 주제인 발표로 돌아가자:

그린월드에 따르면, 불안정성은 표면 플라즈마의 과도한 복사로 인해 온도가 낮아지고, 이로 인해 전기 저항이 증가하는 데서 비롯된다. 이로 인해 플라즈마 내를 흐르는 전류는 표면에서 중심으로 이동하게 되며, 중심부의 전류 밀도는 크루스칼-샤프라노프(KS) 임계값에 도달하게 된다. 이 임계값은 토로이드 자기장에 비례하며, 이에 따라 자기유체역학적 불안정성(MHD)이 발생한다. 플라즈마는 꼬이기 시작하고 토카막 벽에 닿아 냉각된다. 전류는 플라즈마에서 벽으로 강제로 흐르게 되며, 이로 인해 손상이 발생한다.

그러나 이 과정의 시작과 종료는 명확하지 않다.

델가도와 게이츠가 제안한 접근법은 한계에 도달했을 때 형성되는 자기 고리(자기 이격)에 초점을 맞춘다. 그들은 방정식을 통해 이러한 고리들이 플라즈마 붕괴의 원인임을 보여준다.

이러한 고리와 붕괴 사이의 연관성은 새로운 것이 아니지만, 이전 연구에서는 인과관계가 명확히 밝혀지지 않았다.

따라서 그들이 제안하는 새로운 시나리오는 다음과 같다: 고리는 두 가지 부정적인 효과를 초래한다.

첫째, 토카막 벽에서 유래한 불순물이 고리에 축적되어 플라즈마를 냉각시킨다. 둘째, 고리는 시스템에 추가 에너지를 공급하는 것을 방해하는 방패 역할을 한다. 공급되는 에너지가 고리의 저항 열(제트 효과)에 의해 방출되는 에너지보다 낮아지면 균형이 깨진다.

고리는 전류가 플라즈마를 격리하는 데 도움을 주는 전류를 붕괴시킬 만큼 충분히 커질 때까지 성장한다. 이후 플라즈마는 수 밀리초 안에 사라진다.

이제 이 가설을 실험적으로 검증하는 것이 남아 있다. 이는 MIT의 C-Mod와 샌디에이고의 제너럴 아토믹스 DIII-D 토카막에서 곧 이루어질 예정이다. 이 새로운 문제 인식을 바탕으로, 델가도와 게이츠는 그린월드 한계를 초과한 밀도를 달성하기 위한 가능성을 제안한다.

그 방법은 고리의 중심에 직접 에너지를 주입하는 것이다.

만약 이 조작이 성공한다면, 향후 핵융합을 위한 필요 조건(고온 및 고밀도)을 훨씬 더 쉽게 달성할 수 있을 것이다.

"만약..." 라고 라크데모니아인들이 말했듯이. 더 자세한 정보를 원한다면, 아래 연락처를 참고하세요:

• 미국 에너지부 공식 사이트: http://science.energy.gov/
• 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소 공식 사이트: http://www.pppl.gov/
• ITER 공식 사이트: http://www.iter.org/
• MIT 플라즈마 과학 및 핵융합 센터 공식 사이트: http://www.psfc.mit.edu/research/alcator/
• 샌디에이고 제너럴 아토믹스 핵융합 에너지 연구 팀 공식 사이트: https://fusion.gat.com/global/Home
• D.F. 에스카운드의 자료: 자기장으로 격리된 열핵융합 플라즈마에 대한 교육적 기사: http://redirectix.bulletins-electroniques.com/9cUmA
• CEA의 자기융합 보고서: http://www-fusion-magnetique.cea.fr/
• 핵융합에 대한 일반 정보: http://redirectix.bulletins-electroniques.com/QWoZ1
• BE 282호: "관성적 격리에 의한 핵융합 개발: 미국 학계는 긍정적": http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/69455.htm
  작성자:

캐서린 마레, 부과학자 보조; deputy-phys.mst@consulfrance-houston.org; 모든 활동은 http://france-science.org 에서 확인 가능.

다음은 더 최근의 논문(2001년 발표)에서 발췌한 내용이다.

그린월드의 논문을 읽어보면, 이 연구가 어떤 이론적 기반도 없이 경험적 접근에 의존하고 있음을 알 수 있다. 순전히 경험주의이다. 그는 이 법칙을 직감적으로 떠올리고, 실험을 통해 검증했다. 그가 제시한 그래프는 그가 상상한 것과 잘 맞아떨어진다. 그러나 인과관계는 명확하지 않다. 이는 고온 플라즈마와 자기장에 노출된 시스템에 대한 이론가들의 접근 방식의 약점을 보여준다.

그린월드는 1980년대 미국의 ALCATOR 기계에서 박사 학위를 받은 실험가이다. 그는 수소 고체(얼린 얼음)를 방출해 방 안의 밀도를 점진적으로 증가시켰다. 이는 국소적인 밀도 증가를 초래했지만, 빠르게 전체 방에 퍼졌다. 그는 밀도의 한계 값을 발견했으며, 플라즈마 전류의 값을 다르게 조절하면서 그 값을 정밀하게 측정했다. 그 결과, 임계 밀도가 전류 세기의 제곱에 비례한다는 것을 확인했다. 그러나 이것은 단지 실험자의 단순한 관찰일 뿐이다.

/NUCLEAIRE/ITER/ITER_fusion_non_controlee/greewald_limit_1988.pdf

그 후 그는 자신의 연구를 더욱 정교하게 다듬었으며, 다음은 2001년 발표에서 발췌한 내용이다.

그린월드가 파열 사례를 다룬 그래프 중 하나.

파열에 관해, 그는 전류 붕괴의 급격함을 보여주는 그래프를 제시한다.

그린월드의 결론은 다음과 같다:

• 이는 이 중요한 문제를 이해하는 데 있어 실질적인 진전이다(...).
• 단순한 경험 법칙이 이렇게 복잡한 문제를 다룰 수 있다는 점은 놀랍다.
• 이 법칙이 다양한 격리 시스템에 모두 적용된다는 점은 놀랍다.
• ......
• 그러나 이 현상의 근본 원인을 이해하는 것은 여전히 도전 과제다.

토카막에 대한 실험은 1950년대부터 시작되었다. 즉, 수십 년 동안 우리는 폭발적이고 파괴적인 현상에 직면했지만, 그 원인에 대해 완전히 아무것도 이해하지 못했다. 나는 피에르 레드리와의 1시간 전화 통화를 기억한다. 그는 그린월드 한계를 "중요한 요소"라고 설명했다.

따라서 이는 경험적으로 파악된 현상이며, 25년 전에 "공학 법칙"이라는 형태로 구체화되었다. 그러나 그 이후로 이 현상에 대한 이해는 전혀 진전되지 않았다.

참고로, 레드리는 나와의 녹화 대면을 절대 거부한다.

그린월드가 창안한 이 "공학 법칙"은, CEA 사이트에서 나를 비난하기 위해 쓴 10페이지의 글을 쓴 바보가 말하듯이, 토카막을 조종하기 위한 우리가 가진 유일한 도구이다. 이는 ITER와 같은 매우 문제 많은 기계를 조종하는 데 사용되는 도구이다. 그린월드가 파열이 벽 근처에서 시작되어 중심으로 확산된다고 생각했다는 점을 이미 읽었을 것이다.

작은 규모의 실험을 "공학 법칙"으로 조종하는 것은 이해할 수 있다. 그러나 세계에서 가장 큰 물리 실험인 이 프로젝트를 이런 도구 위에 세우는 것은 책임감 없는 행동이다.

이 페이지에서 언급된 델가도와 게이츠의 논문은 "뉴스 인더스트리얼" 잡지에서 "대단한 발견"으로 평가되었다. 델가도와 게이츠는 파열의 원인이 플라즈마 중심부에 있으며, 그린월드가 주장한 벽 근처의 불안정성으로 인한 냉각이 중심으로 확산된다는 주장과는 다르다고 제안한다. 그들은 플라즈마 내에서 자주 형성되는 "고리"에 대해 언급한다. 이 고리는 대규모 자기 난류의 형태이다. 사실, 이 연구자들의 진전은 방정식 내에서 특정 용어의 중요성을 강조한 것에 불과하다.

토카막의 플라즈마는 벽에서 원자나 미세한 먼지가 떨어져 나가면서 불가피하게 오염된다. 이러한 원자나 원자 집합체는 상당한 원자 번호를 가