Z-기계는 이른바 20억도를 생성한다.
왜 ITER 프로젝트를 중단해야 하는가?
2006년 3월 23일
http://www.univers-nature.com/inf/inf_actualite1.cgi?id=4218
2010년 5월 13일, 네 해 후:
ITER, 핵융합 프로젝트는 비용을 폭발적으로 증가시켰다. 프랑스 남부 카다라슈에 위치한 ITER는 지구상에서 무한한 에너지를 생산할 수 있는 핵융합을 실현할 것으로 약속하고 있지만, 그 비용은 초기에 예상된 45.7억 유로보다 최소 두 배 이상으로 증가할 것으로 예상된다(2).
중국, 한국, 미국, 인도, 일본, 러시아 연방이 프로젝트에 참여하고 있지만, 유럽연합이 주요 경제적 후원자이다. 이에 따라 유럽연합은 건설 10년 동안 27억 유로에서 72억 유로로 기여금을 늘릴 것으로 예상된다. 유럽위원회는 이를 감당하기 위해 두 가지 방안을 고려하고 있다: 회원국들의 기여금을 늘리거나, 유럽연합 예산 내 프로젝트에 할당된 비율을 늘리는 것이다.
현재 미국이 ITER 재정 지원에서 탈퇴한 사실을 언급하지 않더라도, 이와 같은 비용 증가는 프로젝트의 복잡성과 2001년 현재의 설계가 오늘날의 기술 가능성을 반영하도록 근본적으로 변화했기 때문이다.
또한 10년 동안 원자재 가격은 끊임없이 상승했으며, 이 역시 ITER의 총 비용 상승에 기여했다.
참고로, ITER는 상업적으로 에너지를 생산하기 위한 것이 아니라, 6분 내에 50MW의 '주입 에너지'로 5억 와트(MW)의 열을 생산함으로써 지구상에서 핵융합의 가능성을 입증하는 것이 목적이다.
이 단계가 완료되면, 2050년까지 산업적 실현 가능성을 입증하기 위해 일본에서 첫 번째 핵융합 원자로 DEMO가 건설될 것이다.
경제 위기 상황에서 관련 정부들은 다시 지갑을 열 것인가? 확실하지 않으며, 기대에 못 미치는 자금 지원이 지속될 경우 과학자들은 프로젝트 규모를 줄여야 할 수도 있다.
파스칼 파르시 1- ITER(국제실험용 핵융합로)는 21세기 후반에 인류가 태양의 에너지 생산 모델에 가까워지도록 하는 것을 목표로 한다.
2- 2007년 기준 총 예산은 건설(10년) 45.7억 유로, 운영(20년) 48억 유로, 해체(10~15년) 5.3억 유로로 구성된다.
2006년 내 글:
지난 3월 16일 페르투아에서 열린 '토론' 행사에 참석했을 때, 반핵 운동가들이 와 있었다. 그들은 흰 마스크를 쓰고 구호를 외쳤고, 파트리크 레그랑이 이끄는 CEA(원자력 연구소) 직원들의 미소를 마주했다. 레그랑은 한 브로셔에서 "토론은 이미 정착했다"고 썼다.
"토론은 이미 정착했다"
사람들은 내 발언 내용을 듣고 매우 놀랐다. 결국 레그랑은 큰 웃음을 지으며 말했다.
- 좋아, 진정하세요. 마이크를 드리겠습니다. 질문을 하실 수 있고, 그에 대해 답변해 드리겠습니다.
하지만 내 질문은 다음과 같았다:
- 이 프로젝트의 참여자들은 중성자 방출로 인한 강력한 복사 냉각에 어떻게 대응할 계획인가? 이는 무거운 핵이 벽면에서 떨어질 때 발생한다.
그 순간, 아무도 없었다. 레그랑은 턱이 떨어진 채 부정하는 제스처를 했다. 프로젝트 행정 책임자나 환경 전문가도 마찬가지였다. 그는 "이 사회적 프로젝트에서는 꽃과 딱정벌레를 보호하는 것을 최우선으로 삼는다"고 말했다.
결국 옆에 앉은 엔지니어 한 명이 겨우 떨리는 목소리로 말했다.
- 흠... 좋은 질문이에요...
정말로, 100달러짜리 질문이자, 절대 묻지 말아야 할 질문이다. 가장 빠른 수소 원자들은 항상 자기장 장벽을 뚫고 벽면에 도달해 원자를 떼어내고, 즉시 이온화된다. 그런데 자유 전자와의 상호작용으로 인한 브레멘스트랄루ング(Bremsstrahlung, 감속복사) 손실은 전하량의 제곱에 비례한다. 플라즈마는 오염되고 냉각된다. ITER의 보일러는 결국 질식하게 된다...
컬햄의 영국인들은 1초간의 융합을 달성했다. ITER는 20~40년 후에 10초, 혹은 20초의 융합을 할 것이다. 그러나 보일러의 소멸 문제를 해결할 계획은 아무도 없으며, 오직 "스케일 팩터"라는 말로만 대응한다. 더 큰 기계일수록 복사 손실은 상대적으로 적다. 몇 십 초의 융합이 성공하면, "초대형 ITER를 지어야 한다. 더 비싸지만 이번엔 작동할 것이다"라고 말할 것이다.
이런 규모의 프로젝트를 시작할 때는, 치명적인 문제에 대한 해결책이 이미 준비되어 있어야 한다. 그렇지 않으면, 이 프로젝트는 비싼 장난감이거나, 페르투아에서 들었던 것처럼 '사회적 프로젝트'일 뿐이다.
ITER는 과학자들의 상상력 부족의 전형이며, 이론 분야에서의 초끈 이론과 마찬가지로 실험 분야의 실패이다. 토카막 방식의 핵융합은 반세기 동안 진전이 없었다. 우리는 추가로 30~40년의 인내를 요구받고 있지만, 그 사이에 물리학 자체가 완전히 바뀔지도 모른다. 나는 회의를 떠나며 말했다.
ITER는 3천 년대의 증기기관이다.
25년 전에 착공된 프랑스의 토카막 Tore-Supra(같은 노래: "실험실에서의 태양" 등)는 약속을 지키지 못했다. 융합: 0. 온도 상승은 매우 제한적. 하지만 "초전도 자석이 작동한다." 대단한 성과다! 25년 동안 초전도 자석을 만들었는데, 이는 세계의 모든 입자 가속기 실험실에서 이미 완벽하게 개발된 기술이다. 하지만 프랑스에서는 실패를 자축한다.
현장에 있던 사람들은 전문가와의 마지막 대화를 기억했다. 그는 "좋은 질문이야"라고 말했다.
*- 지금 시대에 우리는 이런 '춤추는 여자'를 감당할 수 있을까?
- 음, 돈이 많이 들리는 것처럼 보이지만, GDP 대비 비율로 보면 훨씬 적어.*
물론 그렇다.
회의를 떠나기 전에 내 입장을 설명했다. 나는 핵융합 자체에 반대하는 것이 아니라, 진정한 핵융합과는 거리가 먼 이 방식에 반대하는 것이다. 증기기관이 내연기관과 같은 관계라면, ITER는 진정한 핵융합과도 거리가 멀다. 이 비교는 타당하다. ITER에서는 지속적으로, 너무 낮은 온도에서, 오염되는 반응을 수행하려고 한다. 이는 주변 구조를 방사능으로 오염시키고, 새로운 방사성 폐기물을 축적하게 된다. 그러나 미래는 다음과 같은 청정한 핵융합이다: 보로 11 + 수소 1, 인퓨전 방식으로 10억도. 또는 리튬 7 + 수소 1: 5억도.
다음 날, 의도적으로, 뉴멕시코의 샌디아 실험실은 Z-기계의 결과를 발표했다(구글에서 'Z machine' 검색).
출처:
http://www.sandia.gov/media/z290.htm
http://www.sandia.gov/news-center/news-releases/2003/nuclear-power/Zneutrons.html
http://www.futura-sciences.com/news-z-machine-depasse-deux-milliards-degres_8419.php
| 퓨투라 사이언스 기사 내용 | Z-기계는 20억도를 훨씬 초과하는 온도를 생성했다! | (사진 출처: Randy Montoya) | 일반적으로 Z-기계는 다음과 같은 방식으로 작동한다: 2천만 암페어의 전류가 머리카락 두께의 텅스텐 실을 통해 흐른다. 작은 털실 크기의 핵에서 실들이 즉시 녹아 플라즈마를 생성하고, 강한 자기장에 의해 빠르게 압축되어 연필심의 두께만의 공간에 수축된다. 압축된 이온과 전자는 어디에도 갈 수 없게 된다(« 정지점 »). 마치 빠르게 달려오는 운석이 벽에 부딪혀 갑작스럽게 멈추듯, 방대한 에너지가 X선 형태로 방출된다. 따라서 Z-기계는 태양의 폭발과 비슷한 수백만 도의 온도를 생성하도록 설계되었다. | JPP | : | « 정지점 »은 잘못 번역된 표현이다. 원문인 "stagnation point"은 "정지점"을 의미한다. 정지점은 기체 흐름의 속도가 0이 되는 지점을 말한다. 우주선의 코를 예로 들자. 정지점은 기체 속도가 0이 되는 코의 지점이다. 논리적으로 이 장치에서는 플라즈마가 시스템 축을 향해 수렴하므로, "정지선(stagnation line)"이 더 적절하다. 이 글을 해석해 보면, 압축이 끝날 무렵, 속도가 0이 되는 시점에 플라즈마는 연필심의 크기, 즉 형태와 부피를 갖게 된다. | 그러나 과학자들은 텅스텐 실을 더 두꺼운 원통형 강철 실로 교체하면 10억도를 넘는 온도에 도달할 수 있을 것이라고 전혀 예상하지 못했다. "처음에는 믿을 수 없었다. 여러 번 반복해서 실험해 보아야만 오류가 아님을 확신할 수 있었다."라고 프로젝트 책임자 크리스 디니가 말했다. | 그러나 샌디아 실험실에서는 실제로 무엇이 일어났을까? 이번 달 Physical Review Letters에 실린 논문에서 샌디아의 컨설턴트인 말콤 헤인즈는, 이 놀라운 온도는 « 정지점 »에서 수많은 불안정성이 발생해 막대한 자기 에너지가 단 몇 나노초 내에 열 에너지로 전환되기 때문이라고 추측한다. | JPP | : | 이 논문을 직접 찾아서 정확한 내용을 파악해 보아야 한다. | 현재 이 현상에 대해 더 연구 중이다. 말콤 헤인즈에 따르면, 이러한 온도를 얻는 것은 매우 유용할 수 있다. 태양 폭발의 연구를 용이하게 하며, | 더 작고 저렴한 핵발전소 건설도 가능하게 할 수 있다. |
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| 퓨투라 사이언스 기사 내용 | Z-기계는 20억도를 훨씬 초과하는 온도를 생성했다! | (사진 출처: Randy Montoya) | 일반적으로 Z-기계는 다음과 같은 방식으로 작동한다: 2천만 암페어의 전류가 머리카락 두께의 텅스텐 실을 통해 흐른다. 작은 털실 크기의 핵에서 실들이 즉시 녹아 플라즈마를 생성하고, 강한 자기장에 의해 빠르게 압축되어 연필심의 두께만의 공간에 수축된다. 압축된 이온과 전자는 어디에도 갈 수 없게 된다(« 정지점 »). 마치 빠르게 달려오는 운석이 벽에 부딪혀 갑작스럽게 멈추듯, 방대한 에너지가 X선 형태로 방출된다. 따라서 Z-기계는 태양의 폭발과 비슷한 수백만 도의 온도를 생성하도록 설계되었다. | JPP | : | « 정지점 »은 잘못 번역된 표현이다. 원문인 "stagnation point"은 "정지점"을 의미한다. 정지점은 기체 흐름의 속도가 0이 되는 지점을 말한다. 우주선의 코를 예로 들자. 정지점은 기체 속도가 0이 되는 코의 지점이다. 논리적으로 이 장치에서는 플라즈마가 시스템 축을 향해 수렴하므로, "정지선(stagnation line)"이 더 적절하다. 이 글을 해석해 보면, 압축이 끝날 무렵, 속도가 0이 되는 시점에 플라즈마는 연필심의 크기, 즉 형태와 부피를 갖게 된다. | 그러나 과학자들은 텅스텐 실을 더 두꺼운 원통형 강철 실로 교체하면 10억도를 넘는 온도에 도달할 수 있을 것이라고 전혀 예상하지 못했다. "처음에는 믿을 수 없었다. 여러 번 반복해서 실험해 보아야만 오류가 아님을 확신할 수 있었다."라고 프로젝트 책임자 크리스 디니가 말했다. | 그러나 샌디아 실험실에서는 실제로 무엇이 일어났을까? 이번 달 Physical Review Letters에 실린 논문에서 샌디아의 컨설턴트인 말콤 헤인즈는, 이 놀라운 온도는 « 정지점 »에서 수많은 불안정성이 발생해 막대한 자기 에너지가 단 몇 나노초 내에 열 에너지로 전환되기 때문이라고 추측한다. | JPP | : | 이 논문을 직접 찾아서 정확한 내용을 파악해 보아야 한다. | 현재 이 현상에 대해 더 연구 중이다. 말콤 헤인즈에 따르면, 이러한 온도를 얻는 것은 매우 유용할 수 있다. 태양 폭발의 연구를 용이하게 하며, | 더 작고 저렴한 핵발전소 건설도 가능하게 할 수 있다. |
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이 프로젝트의 책임자인 제랄드 요나스는 1976년 샌디아에서 만났다(내 책 『악마의 자식들』 참조). 이 생물체를 보라. 30년 전의 일이다. 출처: 1979년 1월 'Pour la Science' 잡지, 52-53쪽 (그곳에는 나와 수학자 베르나르 모린이 공동으로 쓴 구부러진 구면의 반전 논문도 있다).
요나스의 기술, 샌디아 1976. 전자 빔을 달걀 크기의 표적에 조준
오래된 요나스는 강한 전류에 익숙한 사람이 아니다. Z-기계의 원리는 매우 간단하다. 요나스는 머리카락의 1/10 두께의 실을 가진 2천만 암페어의 전류를 총 2천만 암페어를 한 번에 보내며, 이 실들을 원통형 구조로 배열한다.
전류가 흐르는 금속 실의 배열. 각 실은 플라즈마로 변하고, 결국 시스템은 플라즈마의 장막처럼 축 방향으로 수축한다.
이것은 원통형 막대의 파손과 유사하다. 여러 개의 도체로 나누어 전류 분포를 균일하게 하고 불안정성을 피하기 위한 것이다.
이 전류는 플라즈마로 변한 매체에 라플라스 힘(J x B)을 발생시켜 즉각적으로 작용한다. 1976년에는 이러한 시스템을 '핀치 기계(pinch machines)'라 불렀다. '핀치(pinch)'는 '쪼개다'를 의미한다. 그러나 기존의 핀치 기계는 기체를 플라즈마로 전환하는 관 내에서 방전을 일으키는 방식이었고, 이는 불안정한 수축을 초래했다. 요나스의 실은 '공 hollow tube'을 분해한 수많은 '실'과 유사하다. 방전이 발생하면 이 실들이 플라즈마로 변하고 서로 섞여, 전류가 흐르는 공통의 관과 유사한 행동을 보인다. 차이점은 이 '분해'가 전류 밀도를 더 균일하게 만들어준다는 점이다. 결국 결과는 플라즈마 막대가 축 방향으로 수축하는 '관성 압축'이다.
처음 요나스는 이 시스템을 X선 소스로 사용하고자 했다. 분명히(나는 가능한 한 빨리 논문을 더 깊이 분석해 보려 한다) 이 실험의 목적은 군사적 것이었다. 타겟(중심축에 배치된 것으로 추정됨)을 융합할 수 있는 강력한 X선 소스를 얻고자 했으며, 원자폭탄을 사용하지 않고도 핵폭탄의 작동을 시뮬레이션하고자 한 것이다.
요나스는 타겟(축에 위치)과 수축하는 플라즈마 장막 사이에 '폼(foam)'을 삽입했다. 이 압축 시스템의 안정성은 초기에 예측할 수 없었다. 레이저 융합에서 이 문제가 핵심이다. 구형 대칭 압축은 불가능하다. 이것이 바로 보르도 근처 바르프에 위치한 메가줄(Mégajoule)이 또 다른 ITER와 유사한 프로젝트로서, 매우 비싸고 위험한 프로젝트가 되는 이유이다. 군사 전문가와 폴리테크니크 출신들을 위한 또 다른 장난감이다.
요나스는 축 방향으로 압축한다. 그리고 놀랍게도, 온도 상승은 놀라울 정도로 크고 예상 밖이다. 아래는 시스템이 X선 소스로 방출하는 전력이다.
융합으로 가는 길?
샌디아의 연구자들은 기계의 X선 출력을 계속 증가시키고 있다.
심층적인 진전이 있었다. 원통형 표면에 배열된 실의 조합을 사용함으로써.
**방전이 발생하면 이 시스템은 수축