핵융합 Z 머신과 청정 에너지
스핑크스의 마지막 메아리
Julien Geffray
2007년 5월 21일
혹은 어떻게 미국인들은 1년 동안 전속력으로 달려왔고 프랑스인들은 사방에서 브레이크를 밟아왔는가.
잠시 지난 한 해를 돌아보자: 2006년 3월, 미국 샌디아 연구소에서 충격적인 발견이 발표되었다: Z 머신이 우연히 37억 도를 생성한 것이다(영어 원문 보도자료 참조). 이전에 도달한 적 없는 극한 온도로, 태양 중심보다 100배 뜨겁고, 수소폭탄 중심보다 7배 높으며, 이론적 예측보다 4배 높아 실제 설명이 불가능했다. 이러한 온도로 인해 통제된 핵융합을 위한 새로운 길이 열렸는데, ITER 같은 토카막이나 메가줄급 레이저 프로젝트에서 전통적으로 정의된 수소 동위원소뿐만 아니라, 특히 완전히 새로운 것으로 이전에는 고려할 수 없었던 두 가지 핵반응, 즉 리튬-수소(최소 5억 도 필요)와 붕소-수소(10억 도부터)가 가능해졌다. 이 두 특별한 핵반응은 사실상 방사능이 없으므로(미미한 몇 가지 부수적 3차 반응 제외), 강력하면서도 전혀 오염되지 않은 핵발전소를 제공할 수 있으며, 연료로는 지구상에 풍부하고 깨끗한 원소를 사용한다. 요컨대, 급속한 오염으로 병든 우리 행성이 기다려온 에너지 치료제인 것이다.
2006년 내내 Z 머신과 그 가능성은 Jean-Pierre Petit에 의해 대중적으로 설명되었다:
- 이 야만의 세계에 비치는 한 줄기 희망
- 샌디아의 Z 머신 - 오염도 방사능도 없는 핵융합이 손 닿는 곳에!
- Physical Review Letters에 실린 Malcom Haines의 논문 분석
- 37억 도 그리고 모두가 신경 쓰지 않는다
- 몇 가지 해명 (FAQ)
- Nicolas Hulot에게 보내는 공개서한
- 정치인들에게 보내는 공개서한
물론 덜 강력하기는 하지만 프랑스에도 동등한 기계가 존재한다는 사실이 밝혀졌다: 롯 주에 위치한 그라마 군사실험센터(CEG)의 ECF이다. ECF는 "자속압축실험(Expérience de Compression de Flux)"을 뜻하지만 실제로는 스핑크스라는 별명으로 불린다.
국내 언론이 이 주제를 다루고 정치인들이 관심을 갖도록 여러 시도가 있었으나 실질적 성과는 없었다(웹진 Futura-Sciences의 기사 하나와 Science & Vie 및 Sciences et Avenir의 단신뿐). 인터넷 포럼 Agoravox에 실린 대중 기사는 오래가지 못했다. 정치인들과의 접촉도 시도되었다. 러시아에서 핵융합 관련 문제를 책임지는 최고 수준의 과학자가 JPP와 그의 동료("폭탄 전문가 출신")의 인식 제고 노력을 지지하며, 이 연구의 가치를 설명하고 프랑스-러시아 협력을 제안하기까지 하는 서명된 친전을 작성해 주기까지 했다! 그러나 프랑스에서 이 편지를 누구에게 전해야 하는가(정치인들과 가까운 과학 책임자가 필요할 텐데) 아무도 준비되어 있지 않거나 그런 이야기를 들을 수 없다면?
안타깝게도 이러한 시도들은 묵살되었다. 두 가지 이유에서:
- "z-핀치" 즉 프랑스어로 "자기수축"에 의한 핵융합 연구는 특히 배정 예산 측면에서 우리나라에 설치된 매우 다른 해법인 ITER 프로젝트와 정면으로 경쟁하는 것으로 인식된다. 게다가 프랑스의 자기수축 전문가는 너무 적어 목소리를 낼 수 없고, 낙담한 상당수가 미국으로 건너가... 샌디아 연구소의 Z 머신에서 일하고 있다.
- 이 연구는 "잠재적으로 확산적"이다. 즉, 차세대 핵무기 제조로 이어질 수 있다. 이 경우 수소폭탄 폭발은 더 이상 생산하기 어려운 전통적인 소형 원자폭탄으로 점화되지 않을 것이다. 이 "성냥" 대신 Z 머신에서 파생된 소형 시스템이 사용되는데, 어느 나라든 설계하기 훨씬 쉽고 무엇보다 "단순한" 전력전자공학을 사용하므로 모든 통제를 벗어난다. 중대한 지정학적 문제의 원인이지만 확산을 상대적으로 통제할 수 있게 해주는 우라늄 농축이라는 악명 높은 단계가 사실상 무용지물이 될 것이다.
이 모든 소동의 명백한 목적은 스핑크스를 민간 연구자들에게 개방하는 것이었는데, 이 프랑스 Z 머신은 군 기술자들에게만 독점적으로 배정되어 있다. 현 상태로는 250만~500만 암페어 용량으로는 1800만 암페어를 내는 미국 Z 머신의 온도를 생성할 수 없다. 그러나 그러한 장비는 비교적 쉽게 업그레이드할 수 있다. 샌디아의 Z 머신은 바로 2006년 9월에 해체되어 용량을 50% 늘리는 개조를 거쳤다. 2007년 여름에 완전 가동될 ZR("Z Refurbished") 프로그램으로, 이번에는 2700만 암페어로 강도를 높여 여전히 100나노초 동안 방출한다. 이를 통해 도달할 온도가 기대되며, 더욱 상승할 것으로 보인다. 그리고 뒤에서 보겠지만 미국인들은 여기서 멈추지 않을 것이다: 그들은 이미 6000만 암페어에 도달할 새로운 기술을 확정했다.
비공식적으로, 몇 달 전 프랑스 군은 어떻게 해야 할지 몰랐다. 한편으로 이 연구는 매우 유망해 보이지만 CEG에는 기초적 차원에서 이 새로운 영역을 개척할 연구자가 없다. 다른 한편으로 DGA는 중요한 것이 나올 경우 방어 비밀의 덮개를 씌울 수 있도록 이 연구를 완전히 통제하기를 원한다. 이는 실제로 국방부와 미군이 관리하는(자금은 NNSA, 국가핵안보청에서 나온다) 샌디아 연구소에 대해서도 가질 수 있는 우려다... 그리고 바로 이것이 다른 곳에서 독립적인 연구를 수행하는 것의 의의다. 딜레마: 그라마 군사센터를 민간에 어떻게 개방할 것인가?
일부에게는 우울하고 다른 이들에게는 예견 가능한 단순한 사실인 답이 경제 일간지 레제코 2007년 5월 16일자에서 기자 Matthieu Quiret에 의해 방금 제시되었다. 온라인에서 다음 주소로 볼 수 있다:
http://www.lesechos.fr/info/metiers/4576329.htm
그리고 여기에 그 내용을 전재한다(흥미로운 부분은 빨간색):
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레제코
2007년 5월 16일
역량
원자력
프랑스 Z 머신, 에너지 외면
작은 "스핑크스".
케르시 한복판, 그라마 연구센터(CEG)에서 DGA는 수년째 작은 프랑스 Z 머신(250만 암페어)을 운영하고 있으며 "스핑크스"라 명명했다. 미국의 큰 자매 기계처럼 주로 핵탄두의 저항력을 시험하는 데 쓰인다.
차이점은 민간 실험을 하지 않는다는 것이다. 몇 년 전 그라마의 연구자들은 연구를 다각화하기 위해 군 상급 기관에 제안을 했지만 성공하지 못했다
. "레제코"의 질문에
매우 "완고한" CEG는 오늘날 어떤 에너지 프로젝트도 없다고 단언한다
. 이러한 투자 소극성은 자기수축 전문가들을 걱정시킨다.
이 전력전자공학 분야의 프랑스 역량이 위협받고 있다
고 한 전문가는 말한다.
영국에서는 동등한 기계인 임페리얼 칼리지의 Magpie(140만 암페어)가 특히 미국 자금으로 자기수축 연구를 활발히 수행하고 있다. Z 머신의 핵 목표를 달성하기에는 충분히 강력하지 않아 미국인들은 자기수축 자체에 관한 연구를 보완하는 데 사용한다. 러시아인들도 이 연구 주제에 곧 투자할 것으로 보인다.
이제 적어도 무엇을 예상해야 할지 분명히 알게 되었다. 프랑스가 보유한 역량과 러시아인들이 제공한 도움에도 불구하고 군은 결정했다: 자기수축에 의한 핵융합에 관한 프랑스의 민간 연구는 없을 것이다.
그동안 미국인들은 어디까지 왔고 어디로 가는가? 같은 레제코 호에서, 이 분야의 모든 프랑스 연구 차단을 언급한 것과 어긋나게도, Z 머신을 통한 수소의 통제된 핵융합이 *"원자력: 미국 Z 머신이 Iter에 도전하다"*라는 두 번째 기사에서 폭넓게 대중화되어 있으며 다음 주소에서 읽을 수 있다:
http://www.lesechos.fr/info/metiers/4576219.htm
여기에 그 기사의 삽화를 전재한다:
**미국 Z 머신이 수소 동위원소를 융합하는 방법
**(중간 에너지 2.45 MeV 중성자를 생성하는 중수소-중수소 반응)
이는 이미 오래된 "홀로라움", 즉 "X선 노"의 간접 기법으로, 특수 폼과 텅스텐 와이어 케이지를 이용해 수소 동위원소를 담은 캡슐을 압축·가열하여 융합에 이르게 한다. 이 실험은 2003년 4월 7일 Z 머신에서 처음 성공했다(보도자료). 홀로라움 기법 없이 초고온으로 직접 공격하여 거의 중성자를 방출하지 않는 깨끗한 핵반응(리튬-수소 또는 붕소-수소)을 스테인리스 와이어 케이지 최신 기법(2005년 말 37억 도)으로 달성하는 것은 아직 언급되지 않는다. 그러나 자기수축에 의한 핵융합이라는 발상은 프랑스 언론에서 서서히 자리를 잡기 시작했다.
지금까지(1996-2006) 샌디아 연구소의 Z 머신은 이러했다:
Z 머신 단면도. 갈색 수조의 크기와 파란색 수로의 길이에 주목하라.
규모: 33미터. 그리고 전류가 전환되면 다음과 같은 전기 아크가 거대한 절연 오일·수조 표면을 따라 퍼진다:
Z 머신 표면, 돌출 금속 부품 사이를 흐르는 단락
"수로"는 주변 마르크스 발생기가 내보내는 초기 전기 펄스(수 마이크로초 규모)를 시간적으로 압축하여 표적에 전달되는 출력을 높이는데, 중앙의 와이어 케이지에 전달되는 최종 펄스는 단 100나노초 동안 지속된다.
질문: 출력을 어떻게 높일 것인가? 여러 가능성이 있다:
첫 번째 답은 2007년 ZR로 기계적으로 주어진다: 같은 방법을 유지하되 구성 요소를 개선한다. 예를 들어 여전히 36개의 마르크스 발생기가 있지만 크기는 같고 두 배의 에너지를 저장하는 콘덴서를 갖추고 있다. 36개 스위치에 공통인 4줄 가스 레이저 트리거는 36개의 개별 레이저 트리거로 대체된다. 수절연 전송선은 수직 3판(이전에는 수평 2판)으로 덜 부피가 크고 기포가 덜 생긴다 등.
이후 "이 모든 요소를 쌓는" 것을 막을 것은 없다. 수조 높이를 두 배로 하면 "더블 ZR"은 기계적으로 5400만 암페어를 낼 것이다.
프랑스 전문가 Mathias Bavay는 그라마에서 요청한 예산을 받지 못해 미국 샌디아로 이주했는데, 폭약 없이 두 개의 동축 라이너를 이용한 교묘한 자속 자동압축으로 처음부터 100나노초에 6000만 암페어를 낼 수 있는 Z 머신을 상상했다(자세한 내용은 그의 논문 대중 설명 참조).
Jean-Pierre Petit는 나름대로 부피가 큰 "마르크스 발생기+도전선+수조" 조합을 1950년대 Andrei Sakharov가 발명한 1억 암페어를 내는 초소형 장치인 폭약식 자속압축 발생기(MK-2 발생기) 또는 더 정교한 변형(더 빠른 DEMG 디스크 발생기 등)으로 대체할 것을 제안했다. 러시아인들은 실제로 "고출력 펄스" 기술의 대가들이다. 이에 관해서는 러시아 MHD 머신의 기본 원리 페이지를 읽어보라.
아래 그림은 개략도에 불과하다. 이는 "대학 또는 그랑제콜 실험실용"의 단순한 실험으로, 이러한 문제에 대한 첫 접근을 목적으로 한다. Sakharov 발생기는 솔레노이드와 함께 매우 강한 전류를 낼 수 있지만 방전 시간이 너무 길다. 초고속 폭약식 발생기를 알고 싶다면 믿을 수 없이 교묘한 러시아 DEMG를 보라(이 페이지 중간 참조).
Z 머신과 Sakharov 발생기의 결합을 보여주는 개략도
오른쪽: 유도 MHD 발생기, 표적을 둘러싼 단순 솔레노이드. 아래: 폭약으로 추진되는 초고속 리벳 스위치
그러나 Z 머신 내 자기수축에 의한 핵융합을 위한 또 다른 유망한 길이 러시아인의 지원을 받아 미국에서 그려지고 있는 듯하다: 2007년 4월 샌디아 연구소가 대대적으로 발표한 매우 빠른 진전을 보인 LTD(선형 변압기 구동기) 발생기다. 이에 관해 읽어보라:
LTD로 강화된 Z 머신 --- ---