오염 없는 융합, 포커스 기계와의 결합
오염 없는 융합, 또 다른 가능성이 있는가?
포커스 실험
현재까지 얻어진 결과는 샌디아의 Z-머신의 결과만큼 신뢰할 수 있는 수준은 아니지만, MHD가 플라즈마의 밀도와 온도를 높이는 데 있어 매우 광범위한 가능성을 보여주는 실험들을 소개하는 것이 흥미로울 것 같았다. 이 점에서 포커스 실험은 매우 독창적이다. 그러나 이 경우, X선 방출을 통해 측정된 고온이 실제로 플라즈마의 온도인지, 아니면 음극에 대한 충격 효과인지 여부는 여전히 미지수이다. 뉴멕시코의 강력한 실험실을 갖추지 못한 에릭 러너는 이 결과가 10억 도 이상(100keV)의 온도가 달성되었음을 시사한다고 확신하고 있다. 이 결론에 대해서는 그에게 맡기기로 하자.
작동 원리
2006년 1월 6일
포커스는 2000년대 초부터 많은 사람들이 이야기하는 실험이다. 위키피디아에 관련 내용이 있다.
http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_focus
일반인에게 융합은 즉각적으로 두 가지 주요 방식을 떠올리게 한다.
- ITER라는 고비용 실험을 포함한 토카막에서의 융합. 이 실험은 아르스-프로방스 북부의 카다라슈에 구축될 예정이다.
- 레이저를 이용한 융합. 이는 보르도 근처 바르프에 위치한 메가줄 프로젝트라는 또 다른 '공학자들을 위한 성당'이다.
융합은 일반적으로 수소의 동위원소인 디테륨과 트리튬의 융합을 의미하며, 이는 가장 낮은 온도에서 일어나는 반응이다. 디테륨은 핵에 양성자 하나와 중성자 하나로 이루어진 수소의 첫 번째 동위원소이다. 트리튬의 핵은 양성자 하나와 중성자 두 개로 구성된다.
이들의 융합은 온도가 1억 도에 도달할 때(빠르게) 일어나며 헬륨 핵과 14MeV(1400만 전자볼트)의 에너지를 지닌 빠른 중성자를 생성한다. 태양의 중심부에서는 '보일러'의 온도가 1500만~2000만 도에 불과하며, 융합은 훨씬 느린 속도로 일어나는데(그렇지 않으면 태양이 폭발할 것이다).
무거운 수소 분자는 가벼운 수소 분자와 거의 흡사하다. 이들은 동일한 화학적 성질을 갖는다.
왼쪽은 D-D 분자, 오른쪽은 T-T 분자이다. 결합은 여기서 벌로 나타낸 전자들에 의해 이루어진다. '핵자'는 작은 악마들로 표현되었으며, 전하를 띤 양성자는 보라색, 전하를 띠지 않는 중성자는 빨간색이다.
3000도 이상에서 수소는 '완전히 이온화'되며, 전자가 핵에서 떨어져 나가 수소(가벼운 또는 무거운)는 전자 기체와 전하를 띤 핵의 혼합물인 플라즈마로 변한다. 그러나 약 1억~1.5억 도가 되면 이러한 핵들은 반응하기 시작한다.
무거운 수소의 융합 원리를 보여주는 그림이다.
핵 에너지와 관련된 이러한 개념들을 익히고 싶은 독자는 무료로 다운로드 가능한 내 만화를 참고할 수 있다.
에너지로 당신을 응원합니다
사이트 http://www.savoir-sans-frontieres.com에서 확인할 수 있으며, 다음 링크에서 다운로드 가능하다:
http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm
융합 중성자가 14MeV의 에너지를 방출하는 것이 문제를 일으키는 이유는 이 입자가 반응기 구조물의 모든 부분에 인공 방사능을 유발하기 때문이다. 이 중성자는 반응기 구조물의 재료에 흡수되어 불안정한 수많은 동위원소를 생성하며, 이는 즉시 방사능을 띠게 되고 폐기물이 된다. 이 중성자 흐름은 반응기 구조물 자체를 손상시키며, 장기적으로 구성 요소의 강도를 약화시키고 플라즈마를 격리하는 솔레노이드의 정상적인 작동을 방해할 수 있다.
위 그림은 트리튬 재생을 설명한다. 실제로 융합 중성자는 트리튬을 재생할 뿐만 아니라 인공 방사능 효과로 인해 수많은 방사성 동위원소를 생성한다(자연 방사능과는 반대로, 자연 방사능은 초신성 폭발에서 처음 생성된 방사성 동위원소가 지구 형성 시에 포함된 것에 기인한다). 리튬 코팅은 '생산성 재료'로 작용하여 지속적으로 트리튬을 재생한다. 트리튬은 방사성 동위원소이며 반감기는 12년이며 자연 상태에서는 존재하지 않는다.
일반인은 보통 융합이 '핵의 화학'이라고 생각하지만, 사실 융합은 '융합 혼합물'에서 시작되는 '반응'으로, '반응 생성물'을 얻는 과정이다. 디테륨-트리튬 융합은 가능한 반응 중 하나일 뿐이며, 가장 낮은 온도에서 일어나기 때문에 특별한 의미를 가진다.
오염 없는 융합 반응, 방사능과 방사성 폐기물이 없는 반응!
우리는 Z-머신에 관한 문서에서 2005년 샌디아 실험실에서 20억 도의 온도가 달성되었음을 보았다. 참고로 이 실험의 목적은 극도의 고온을 얻는 것이 아니라, 수백만 도의 온도에서 단순한 X선 소스를 생성하는 것이었다. 그러나 예상치 못하게 플라즈마 압축기에서 20억 도의 온도가 정확하고 확실하게 달성되었다. 이 외부 결과는 수십 년 동안 비용이 많이 드는 프로젝트를 관리해온 팀들 사이에 불안감을 일으켰다.
- 레이저를 이용한 융합(프랑스: 메가줄)
- 토카막에서의 융합(프랑스: ITER)
그러나 우리는 이 Z-머신이 유일하게 고온 플라즈마를 생성할 수 있는 장비가 아닐 수 있음을 보게 될 것이다(ITER는 연속 작동하는 장비이므로 온도를 더 높일 수 없다). 비유하자면, 이러한 고온 융합 장비와 토카막 사이에는 폭발 엔진과 증기 기관 사이의 차이만큼의 차이가 있다.
따라서 비교하자면, ITER는 현대의 증기 기관이다.
이러한 장비를 이해하기 위해서는 전기 도체와 방전에서 작용하는 전자기력에 익숙해져야 한다.
일단 유연한 솔레노이드, 즉 전류가 흐르는 단순한 고리 하나를 생각해보자. 이 고리는 라플라스 힘 I × B에 의해 전류가 흐르는 도선에 작용하는 자기장이 발생하게 된다.
자기장에 의해 고리가 팽창하는 현상
이것은 고등학교나 데스커브리 팰리스에서 본 적 있는 실험이다.
전류가 충분히 강하면 전도체가 파열될 수 있다. 1960년대 내 실험실에서는 5만 암페어의 전류를 커패시터 배터리에서 공급하여 2테슬라(2만 기스)의 자기장을 만들었다. 코일은 구리 필름으로 되어 있었으며, 이들이 유리 섬유로 둘러싸인 아라르디트로 단단히 고정되지 않으면 즉시 파열되어 실험실을 잔해로 만들었다.
이제 전기 방전을 생각해보자. 모두