초음파를 이용한 핵융합에 관하여
초음파 핵융합
2005년 8월 20일
비행기의 비행 원리를 아시겠죠? 모르신다면 "비행할 수 있을까?", 별칭 "아스피리소프" 를 읽어보세요. 날개 위쪽에는 저압이 생기며, 이 부분을 '외면'이라고 부릅니다.
비행기 날개
그런데 이 날개 표면에서 발생하는 저압의 크기는 어느 정도일까요? 소형 단일 좌석 비행기를 가정해 봅시다. 이 비행기의 최대 중량이 300킬로그램이고 날개 면적이 18제곱미터라고 가정하면, 날개 하중은 제곱미터당 16킬로그램, 즉 제곱센티미터당 1.6그램이 됩니다. 해수면에서의 대기압은 제곱센티미터당 1,000그램이므로, 날개의 외면과 내면 사이의 평균 압력 차이는 몇 밀리바 정도입니다. 이로 인해 천으로 만든 비행기로도 비행이 가능하며, 날개 위에 발을 디디는 것은 권장되지 않는다는 점이 이해되죠. 그렇지 않으면 날개를 뚫고 떨어지기 때문입니다.
물에서는 어떨까요? 공기보다 밀도가 천 배 더 큽니다. 같은 속도로 움직일 때, 물 속에서도 훨씬 더 작은 '날개'로도 떠 있을 수 있습니다. 이를 '포일'이라고 부릅니다.
날개와 포일
이렇게 작은 면적에서도 지탱이 가능한 이유는 압력 변화가 훨씬 더 크기 때문입니다. 포일이 액체 표면 근처를 매우 빠르게 움직이고, 주변 압력이 제곱센티미터당 약 1킬로그램에 가까운 환경에서 움직인다고 가정해 봅시다. 오른쪽 배선은 비행기 날개 주변에서 측정되는 압력 차이보다 훨씬 더 큰 압력 차이를 이용해 지탱됩니다. 그래서 포일은 천으로 덮이지 않고, 단단한 강철로 만들어집니다.
그런데 왜 날개의 외면에 저압이 생길까요? 물에서는 이 현상이 더 쉽게 이해됩니다. 유체 질량이 '정지점'에서 날개의 형상을 따라 충돌한 후 다시 가속됩니다. 이 과정에서 속도가 증가하고 원심력의 영향도 받습니다.
액체가 저압 상태에 놓였을 때 일어나는 일은 무엇일까요? 실린더와 피스톤을 이용해 실험할 수 있습니다. 피스톤을 당겨 액체 내부 압력을 고온에서의 포화 증기압보다 낮추면, 작은 크기의 기포가 생깁니다. 이 기포는 샴페인의 기포와는 전혀 다릅니다. 샴페인의 기포는 음료에 녹아 있는 가스를 나타내지만, 이 기포는 물 증기로 채워져 있습니다. 이 현상을 '공진현상'이라 부릅니다.
공진현상
아래는 실린더 내에서 발생하는 공진현상의 사진입니다.
공진현상 기포
1917년 영국 해군은 물리학자 윌리엄 스트럿(로드 레일리)에게 이상한 문제를 제기했습니다. 왕립함대의 청동 프로펠러는 거의 새 것처럼 보였지만, 작은 구멍이 가득 찬 상태였습니다. 해군은 바다 속에 프로펠러 금속을 공격할 수 있는 기생충이 있을까 걱정했습니다. 아래는 최근 사진으로, 공진현상이 원심 펌프의 날개에 미치는 파괴적인 영향을 보여줍니다.
원심 펌프에서의 공진현상으로 인한 손상. 꽤 인상적이죠?
이 사진은 금속 표면에 관찰된 '자국'을 확대한 것입니다.
청동 프로펠러 날개의 공진현상으로 인한 손상
영국 해군이 처음 생각했던 것과 달리, 이는 알려지지 않은 수중 벌레가 아니라, 로드 레일리가 계산을 통해 설명했습니다. 프로펠러 날개에서 발생하는 저압은 지역적으로 물의 포화 증기압보다 낮아졌고, 이로 인해 물이 지역적으로 끓기 시작했습니다. 참고로, 환경 온도에서 물의 포화 증기압은 얼마일까요?
정답: 몇 파스칼, 즉 0.01밀리바 정도입니다. 유체역학에서 프로펠러 주변에 생기는 저압은 매우 강력합니다. 그래서 아주 작지만 훌륭한 프로펠러 하나로도 보트를 추진할 수 있는 것입니다. 아래는 회전 중인 프로펠러 날개의 사진입니다. 화살표는 공진현상으로 인해 생긴 물 증기 기포를 나타냅니다.
회전 중인 프로펠러 날개의 전방 가장자리 근처의 공진현상
날개 가장자리에서 물 증기 기포가 생기는 것을 볼 수 있습니다. 하지만 그 원인은 다릅니다. 이는 가장자리 난류로 인한 것으로, 비행기 날개 끝에 생기는 응결 흔적과 유사합니다. 여기서는 다루지 않겠습니다. 대신 프로펠러 날개의 외면을 따라 압력 변화를 살펴보겠습니다:
프로펠러 날개 외면의 압력 변화
이 곡선은 단지 개략적인 것입니다. 날개의 폭을 따라 압력이 급격히 떨어지는 것을 볼 수 있습니다. 압력이 액체의 포화 증기압보다 낮아지면 기포가 생기며, 압력이 계속 떨어지면서 기포는 점점 커집니다. 프로펠러 날개의 나머지 부분이 주변 압력보다 여전히 낮은 상태라도, 압력은 결국 다시 상승하여 물의 포화 증기압보다 높아집니다. 그러면 물 증기가 사라지려고 하며, 사진에서 볼 수 있습니다.
유체역학에서 팽창 현상과 압축 현상은 서로 다르게 발생한다는 점은 누구나 알고 있습니다. 압력이 증가할 때, 기포의 벽은 가스에 작용하는 구형 피스톤처럼 행동하며, 증기와 경쟁합니다. 만약 기포의 수축 속도가 증기 내 음속보다 빠르다면(그렇습니다), 구형 충격파가 생기며 중심으로 수렴하게 됩니다. 이 과정에서 매우 큰 에너지가 수반되며, 프로펠러 금속에 '자국'을 만들고, 펌프 날개에 관찰된 것과 같은 심각한 파괴를 초래할 수 있습니다.
공진현상으로 인한 손상 설명
'공극형 구조' 시스템은 잘 알려져 있습니다. 이는 원뿔형 표면 전체에 폭발물을 설치하고(매우 빠른 속도로 전파되는 폭발물 사용), 원뿔 표면에서 매우 강력한 충격파를 발생시킵니다. 이 에너지는 시스템의 축을 따라 집중됩니다. 결과적으로 강철 방패를 뚫을 수 있는 '침'이 만들어지며, 그 두께는 원뿔의 지름과 비슷하지만, 뚫린 구멍은 훨씬 작습니다. 기포의 수축은 구형 충격파가 전달하는 에너지를 집중시키는 것과 유사합니다. 만약 원뿔이 아니라 구형 공극을 가진 폭발물을 설계한다면, 공극의 중심, 즉 집중점에 매우 강력한 에너지를 모을 수 있습니다. 이것이 공진현상에서 일어나는 일입니다.
우리가 말했듯이, 공진현상은 1917년에 발견되었습니다. 1930년에는 강력한 초음파를 생성할 수 있게 되었습니다. 1934년 쾨른 대학에서 새로운 현상이 나타나 물리학자들을 혼란스럽게 했습니다. 초음파를 액체(예: 물)에 가하면, 그 유체가 ... 빛을 방출합니다. 이 현상을 '초음파 발광'이라 부릅니다.
처음에는 누구도 이 현상의 이유를 이해하지 못했습니다. 그러나 실험적으로는 전혀 신비로운 것이 아니며, 실제로 실험 장비를 직접 구입할 수도 있습니다:
**미국산 초음파 발광 실험 키트 ( http://www.sonoluminescence.com ) **
이 빛 방출 현상을 사진으로 찍은 것입니다:
초음파 발광 효과
기포들이 형성되어 초음파 주파수에 따라 팽창하고 수축합니다. (여기서는 28킬로헤르츠). 기포 크기는 마이크론 수준입니다. 이 현상은 여전히 잘 알려지지 않았으며, 측정도 어렵습니다. 저압 및 고온 상태에서 기포 중심에 도달하는 값에 대해 연구자들 사이에 의견이 다릅니다. 그러나 모든 경우에서 온도는 10,000도를 넘는 것으로 추정됩니다. 이로 인해 빛이 방출됩니다. 이 정도 온도에서는 분자들이 분해되고 심지어 이온화됩니다. 초음파 발광은 미세 플라즈마가 생성된다고 추정됩니다. 최근 몇 년 동안, 음향 공명 현상으로 한 개의 기포를 포획하여 초음파 발광을 성공적으로 발생시킬 수 있게 되었습니다. 방출되는 플래시는 매우 짧은 시간(약 십 피코초)입니다. 온도는 방출된 복사의 파장에 기반하여 평가되며, 이는 1전자볼트의 에너지를 의미합니다. 복사가 자외선 영역까지 올라가므로, 도달한 온도는 10,000도(1eV)를 넘으며, 일부는 100만도 이상일 수 있다고 주장합니다. 아래는 여러 미세 기포가 어디서나 나타나는 '누적 초음파 발광' 효과입니다:
초음파 발광
많은 사람들이 지금 이 질문을 제기합니다. 미세 기포의 붕괴를 이용해 핵융합 반응을 유도할 수 있는 조건에 도달할 수는 없을까? 우리는 '사이언티픽 아메리칸'의 기사를 참고했습니다. 이 기사는 회의론자의 입장을 전달합니다. 개인적으로 저는 이 문제가 '개방형'이라고 생각합니다. 사실은 명백합니다. 공진현상과 초음파 발광은 기포 수축을 통해 매우 높은 압력과 온도를 얻을 수 있음을 보여줍니다. 2005년 8월호 사이언티픽 아메리칸은 '전문가의 답변'을 게재했습니다. 독자가 제기한 질문은 다음과 같습니다:
- 초음파로 물에 기포를 생성하면(초음파 발광), 짧은 시간 동안 매우 높은 온도와 압력을 달성할 수 있습니다. 이러한 조건이 최근 영화 '체인 리액션'에서 제안된 것처럼 핵융합을 유도하거나 촉진할 수 있을까요?
- 물에 초음파를 가하면 생기는 기포는 짧은 시간 동안 매우 높은 온도와 압력을 달성할 수 있습니다. 이러한 조건이 최근 영화 '체인 리액션'에서 제안된 것처럼 핵융합을 유도하거나 촉진할 수 있을까요?
참고: 실제로 처음 수소폭탄을 물속에서 폭발시켰을 때 과학자들은 이로 인해 전 세계의 해양에서 연쇄 반응이 일어날 수 있을지 걱정했습니다.
- 압력장이 역전되면 압력은 포화 증기압보다 높아지고, 증기는 빠르게 응축됩니다. 팽창 단계 동안 기포에 주어진 모든 에너지는 수축 단계에서 작은 영역에 집중될 수 있게 됩니다. 이를 '음향 공진현상'이라고 합니다. 이 수축은 액체 주변의 관성력에 의해 주도됩니다. 기포 내에 남아 있는 미세한 증기량도 이 과정에 기여합니다. 결과적으로 얻어진 에너지 밀도는 초기 매질보다 높아질 수 있습니다. 이로 인해 전자볼트 수준의 에너지를 가진 전자기 에너지가 방출됩니다. 이를 '초음파 발광'이라고 합니다. 이 온도는 화학 반응을 유도하기에 충분히 높습니다. 이 주제에 관한 기사가 사이언티픽 아메리칸에 게재되었습니다: ( "초음파의 화학적 효과," 케네스 S. 수슬릭, 사이언티픽 아메리칸, 260권, 2호, 80-86쪽 [미국 외 독자용 62-68쪽]; 1989년 2월). 핵 반응을 고려하려면, 핵의 크기와 유사한 규모와 일반적으로 메가전자볼트(MeV) 수준의 에너지를 고려해야 합니다.
간단한 에너지, 절대 온도, 파장 간의 관계를 설명합니다. 다음 식을 씁니다:
eV = kT = hν
e = 1.6 × 10⁻¹⁹ 쿨롱 (단위 전하)
V = 전자볼트로 측정된 에너지
k = 1.38 × 10⁻²³ (볼츠만 상수)
T = 절대 온도
h = 플랑크 상수 (6.63 × 10⁻³⁴)
ν (그리스 문자) = 주파수 = c / λ
λ: 파장, 미터 단위
c = 빛의 속도, 미터/초: 3 × 10⁸ m/s
1전자볼트 = (e/k) K = 11,594 K
1전자볼트 에너지에 해당하는 파장은: λ = (hc)/e = 1.24 × 10⁻⁶ 미터 = 1마이크론입니다.
자외선 방출이 있다면, 최대 온도는 약 15,000K에 이르는 것으로 해석할 수 있습니다. 하지만 수천도 정도의 차이는 별로 중요하지 않습니다.
전문가는 독자의 질문에 즉각 답하면서, 초음파 발광이 핵융합을 유도할 수 없다고 단정합니다. 전자볼트(10,000도)와 메가전자볼트(1000만도) 사이에는 6개의 주문 차이가 있으며, 이는 100만 배의 차이입니다. 또한 다음과 같이 덧붙입니다:
- 기포의 수축이 가스 내에서 충격파가 발생할 수 있다는 징후가 있었을 때, 약간의 희망이 있었지만, 이 충격파는 기포 내 가스를 압축할 수 있었다고 합니다. 윌리엄 C. 모스와 레이너 리버모어 국립연구소의 동료들은 이로 인해 핵융합에 필요한 조건에 근접할 수 있다고 이론적으로 추정했습니다. 푸터먼과 캘리포니아 대학의 동료들은 기포 경계면의 속도를 측정하여, 이 속도가 기포 내 증기의 음속보다 4~5배 빠르다는 것을 보였습니다. 따라서 이 결과는 매우 유망해 보였습니다. 그러나 이전에 '전문가 답변'에서 안드레아 프로스페르티는 효과적인 압축을 위해서는 충격파가 구형 대칭을 유지해야 한다고 명시했습니다. 그러나 그는 이것이 가능할지 의심한다고 덧붙였습니다.
참고: 이유 없이 주장됨. 아래에서 더 자세히 설명됨.
사이언티픽 아메리칸의 전문가는 계속합니다:
- 톰 마투라와 워싱턴 대학의 동료들은 기포 붕괴 후 충격파를 관측했으며, 이는 붕괴로 인한 충격파의 반사 효과일 수 있습니다.
이 논평의 마지막 부분은 과학소설에 가까운 영화에 대한 언급으로, 별로 의미가 없습니다. 그러나 이 논평에서 중요한 점은 충격파의 존재를 확인했다는 것입니다. 충격파가 아니라 액체 질량의 움직임이 강력한 에너지 집중을 가능하게 한다는 점입니다.
또한 전문가(및 독자)는 물에서만 이루어진 초음파 발광 실험에만 언급하고 있습니다. 그러나 이 실험은 어떤 액체에서도 가능합니다. 8월호 사이언스 앤 뷰는 아세톤에서 실험한 사례를 언급합니다. 저는 화학에 대해 전혀 몰라서(정직하게 말하자면, 화학에 관한 랑투르 라는 책은 존재하지 않습니다. 이 작업을 위해 독자들의 도움이 필요합니다), 아세톤이 물보다 더 증발성이 높다고 생각합니다. 밀도는 물과 비슷합니다(0.79 vs 1). 아세톤의 포화 증기압은 20도에서 178mmHg이며, 물은 몇 밀리미터 수은의 1/100에 불과합니다. 두 값의 비율은 약 1만 배입니다. 그레노블에 있는 CEA의 LIEX 실험 장비 연구소의 허베르 레몽니에르는 "많은 사람들은 초음파 핵융합이 기적이나 사기라고 생각한다"고 말합니다.
루시 테일리카란(인디애나 주 퍼듀 대학)과 라히(뉴욕 트로이의 렌셀러 대학) 연구팀은 테네시 오크 리지에서 실험을 통해 1,000만 도의 온도에 도달했다고 주장합니다. 2002년 발표된 논문