MHD 기계
우리를 구원하거나 파괴할 수 있는 기계들
2006년 6월 11일
지금 우리 눈앞에서 벌어지고 있는 이야기를 들려드리고자 합니다. 무언가가 새롭게 탄생하고 있습니다. 뉴멕시코의 샌디아 실험실에 위치한 Z-기계의 내부에서 태어난 것입니다. 이 아이는 2005년 5월에 첫 울음을 터뜨렸고, 갑작스럽게 무명의 속에서 태어났습니다.
인간은 반세기 동안 핵융합이라는 환상에 매달려 왔습니다. 핵분열의 악마는 비교적 쉽게 제압되었는데, 1940년대 초반, 미국 알라모고르도에서 첫 번째 원자폭탄이 폭발하면서 탄생했습니다.
알라모고르도에서의 첫 번째 원자폭탄 폭발
인간의 두 번째 자식, 프로메테우스의 아들이라 할 수 있는 이 아이는 처음의 자식을 통해 탄생했습니다. 인간이 물질 내부에 숨겨진 엄청난 에너지를 방출할 수 있다는 것을 알게 되자, 분열이 아닌 융합 반응을 실현하려는 시도를 하게 되었습니다.
처음에는 '원자론자' 또는 후에 '핵물리학자'라 불리게 된 이들은 단순한 화학자들이었습니다 (예: 원자를 발견한 뉴질랜드의 어니스트 러더포드). 화학자에게 있어 분열은 단지 강한 방출 에너지를 가진 자기촉매 반응을 포함하는 분해 반응일 뿐입니다. 235U는 비슷한 질량의 조각들로 분해되기를 기다리고 있으며, 그 과정에서 소수의 중성자를 방출합니다. 이 중성자가 인접한 핵에 충돌하면 '연쇄 반응'이 시작됩니다. 단, 이 중성자가 다른 235핵과 충돌할 수 있도록 충분한 양의 원자들이 모여 있어야 합니다. 비판적으로 말하자면, '임계 질량'보다는 '임계 부피'라는 표현이 더 적절합니다. 자세한 내용은 다음을 참조하세요.
http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm
자연 광물인 238U에 존재하는 미량(0.7%)의 235U의 불안정성을 이용한 후, 인간은 또 다른 '이소토프'인 플루토늄-239을 이용하게 되었습니다. 이 원소는 자연 상태에서는 존재하지 않았지만, 238U가 235U의 분열로 방출되는 '고속 중성자'를 흡수함으로써 만들어낼 수 있었습니다. 플루토늄은 또한 '분열 가능'하며, '임계 질량'을 가지며 폭탄 제조에 적합합니다. 이 두 번째 폭탄은 일본 나가사키에서 '실험'되었습니다.
화학자의 시각에서 보면, 융합은 우리가 알고 있던 평범한 화학 반응과 매우 유사했습니다. 왼쪽은 '반응 생성물', 오른쪽은 해당 반응의 결과입니다. 간단히 표현하면:
A와 B가 결합하여 C와 에너지를 생성한다.
가장 낮은 온도에서 일어나는 융합 반응은 수소의 이소토프인 디테륨과 트리튬(무거운 수소라고 불리는 것)이 참여하는 반응입니다. 두 번째는 불안정하고 '방사성'이지만(반감기: 12년) 특징이 있습니다. 이 온도는 1억 도입니다. 미국인들은 분열 폭탄의 폭발로 생성된 X선을 이용해 이 반응을 유도하려고 시도했습니다. 단순히 'A형 폭탄' 옆에 디테륨-트리튬 혼합물을 두는 것이었습니다. 이 실험은 '그린하우스(Greenhouse)'라 불렸습니다. 수소는 응축된 액체 상태여야 하므로 매우 낮은 온도를 유지해야 했습니다. 이 첫 번째 '수소폭탄'은 광범위한 냉각 시설을 갖추고 있었지만, 작동 가능한 상태는 아니었습니다.
또 다른 반응은 고체 상태의 폭발물을 사용할 수 있게 해주는 리튬 수소화물(LiH)이었습니다. 그러나 적용해야 하는 온도는 다섯 배 더 높았습니다: 5억 도(1억 도 대신). 러시아의 젊은 안드레이 사하로프는, 작은 분열 폭탄을 길쭉한 달걀 모양의 타원체 중심에 두고, 빛을 반사하는 빈 껍질을 사용하여 X선을 집중시키는 아이디어를 냈습니다. 이는 세계의 모든 광학자들이 오랫동안 알고 있던 사실이었습니다. 반사면의 타원형 표면의 첫 초점에 방사원을 두면, 그 방사선은 두 번째 초점으로 집중됩니다. 따라서 리튬 수소화물의 '설탕 빵' 모양의 끝부분을 그곳에 두면 충분했습니다.
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사하로프-텔러-울람 조립
미국에서는 두 명의 젊은 유대계 과학자, 첫 번째는 우크라이나 출신의 스타니슬라프 울람:
스타니슬라프 울람
두 번째는 헝가리 국적의 에드워드 텔러가 동시에 비슷한 아이디어를 냈습니다. 영어권에서는 이를 '기술적으로 매력적인'('technically sweet')이라고 평가했습니다.
1958년의 에드워드 텔러. '도ctor Follamour' 캐릭터의 모델이 되었으며, 수소폭탄을 '내 아기(my baby)'라고 애정 어린 말로 부르기도 했습니다.
(단지 과학자들이 이와 같은 무기의 탄생에 대해 다룬 책들에서 흔히 볼 수 있는 약간 의심스러운 유머를 언급하기 위해, Antoine Schwerer는 1990년에 출간한 자신의 책 제목을 '내 폭탄 곁에서(Auprès de ma bombe)'라고 붙였습니다. (120쪽))
** Antoine Schwerer: '내 폭탄 곁에서' ....**
미국은 먼저 1억 도에서 작동하는 수소폭탄을 실험하기로 결정했습니다. 이는 디테륨-트리튬 혼합물이었습니다. 그러나 예상과 달리, 소련은 이 단계를 건너뛰고, 안드레이 사하로프의 계산을 바탕으로 세계 최초의 '건조 폭탄'을 개발했습니다. 이 폭탄의 장전물은 고체 상태인 리튬 수소화물이었습니다. 따라서 즉시 작동 가능한 폭탄이었습니다. 이 '동방 블록'의 급속한 진전은 무기 경쟁을 절대적으로 과열하게 만들었습니다.
이 시점에서 독자는 '리튬6 + 수소1'이 두 개의 헬륨4 핵을 생성하고, 중성자는 발생하지 않는 '마법의 혼합물'을 기억해야 합니다. 이 '수소폭탄'은 '오염되지 않은' 것입니다. 안타깝게도, 만약 지구인이 이 폭탄의 영향을 받는다면, 아마도 그 효과를 즐길 시간이 없을 것입니다. 수소폭탄이 '오염되는' 주된 이유는 그들의 폭발을 유도하는 분열 장치와 '고갈 우라늄'으로 만들어진 반사판의 '활성화' 때문입니다. 이 고갈 우라늄(238U)은 융합 반응에서 방출된 중성자를 흡수하여 플루토늄-239로 변환되며, 이는 다시 분열합니다. 그 결과로 인간의 상상력이 만들어낸 가장 끔찍한 무기인 'FFF(분열-융합-분열)' 폭탄이 탄생하게 됩니다. 이 폭탄은 가장 높은 방사능 잔여물로 알려져 있습니다.
군사들이 폭탄 개발에 열을 올리고 있을 때, 민간 과학자들은 토로이드형 캐비닛 안에서 디테륨-트리튬 혼합물을 점화하려고 노력했습니다. 이 캐비닛은 러시아의 아르시모비치가 발명한 '토카막'입니다. (러시아인들은 정말 상상력이 풍부하군요, 확실히...)
대부분의 독자들은 이미 이러한 기계의 구조를 알고 있습니다. 고온으로 가열된 가스 혼합물은 '자기적 고립'되어, 토르스(또는 오늘날 더 정확히는 축을 중심으로 회전하는 'D' 모양) 형태의 코일 중심에 위치하게 됩니다. 이 아이디어는 엔지니어들의 대성전이라 불리는 ITER의 핵심에 있습니다.
ITER 기계
위 그림에서 보듯이, 이 폐쇄된 회전형 캐비닛과 그 주변의 다양한 장치를 볼 수 있습니다. 이 기계는 프랑스 카다라크의 유사한 기계인 '토레-수프라(Tore-Supra)'의 후속 기계로, 25년 전에 건설을 시작했습니다.
토레-수프라
토레-수프라 내부
프랑스의 첫 번째 기계는 25년 전에 건설을 시작했지만, 그 약속을 이행하지 못했습니다. 위 그림에서 볼 수 있듯이, 여러 가지 장치를 통해 플라즈마를 고온으로 유지하려는 시도가 이루어졌으며, 이는 토로이드 캐비닛 내부에 에너지를 주입하는 다양한 방법(마이크로파, 중성자 빔 등)을 의미합니다. 실제로 첫 번째 실질적인 성과는 캘럼에 위치한 영국 기계인 'JET'(유럽 공동 토카막)에서 이루어졌습니다.
영국의 JET 기계, 높이 12미터
고립된 플라즈마의 부피는 80~100m³ 사이에 있습니다. 1997년 캘럼의 토카막은 단지... 1초 동안 작동했습니다.
JET 내부
이 결과는 '매우 긍정적인' 것으로 평가되어, 연구자들과 엔지니어들이 더 큰 규모의 프로젝트인 ITER를 제안하게 되었습니다.
왜 이런 거대한 규모의 경쟁이 필요한가요?
이러한 플라즈마는 복사에 의해 냉각됩니다. 외부 표면이 방출되며 열 손실이 발생합니다. 이 손실은 플라즈마의 표면에 비례하며, 기계의 특성 치수(예: 지름)의 제곱에 비례합니다. 그러나 같은 플라즈마가 포함하는 에너지 양은 부피에 비례하며, 지름의 세제곱에 비례합니다. 만약 이런 기계가 복사에 의해 냉각되는 경향이 있다면, 기계의 크기를 늘림으로써 이 효과를 최소화할 수 있습니다.
결국… 모든 것은 상대적입니다. JET은 1초 동안 작동한 후, 복사에 의한 냉각으로 인해 오래된 보일러처럼 꺼졌습니다. 그런데 왜 이 현상이 융합이 방출하는 에너지보다 빠르게 작용하는 것일까요? 왜냐하면 벽에 의한 고립, 즉 자기장에 의해 이루어지는 것이 불완전하기 때문입니다. 빠른 입자들이 이 네트워크의 '구멍'을 뚫고 벽에 도달합니다. 이 과정에서 벽의 고체 물질, 특히 금속 원자들을 떼어내며, 이 원자들은 즉시 플라즈마에 융합되어 이온화됩니다. 여기서 이 이온들은 자유 전자와 브레멘슈탈링(Bremstrahlung, 감속 복사)을 통해 상호작용합니다. 전자들이 그들의 경로를 왜곡시키며 복사 에너지를 방출합니다. '전자 기체'는 냉각됩니다. 이로 인해 융합 혼합물인 디테륨-트리튬의 온도도 떨어집니다. 온도가 1억 도라는 치명적인 수준 아래로 떨어지면 기계는 꺼지고, 무의미하게 작동을 멈춥니다. 이 현상은 특히 벽에서 떨어진 무거운 이온이 지닌 전하의 제곱에 비례하여 냉각이 심화되므로 더욱 심각합니다.
JET은 이와 같은 방식으로 1초 후에 꺼졌습니다. ITER도 마찬가지입니다. ITER는 5분 동안 작동하도록 설계되어 있지만, 실질적으로는 10초 정도를 넘지 않을 것으로 보입니다. 현재까지 플라즈마 오염과 보일러의 복사 냉각을 방지할 수 있는 실용적인 시스템은 존재하지 않습니다. 언론에서 언급되는 해결책들은 모두 조건부입니다. 이 기술적 설계는 일반 독자에게는 도달할 수 없는 수준입니다. 이 문제를 요약하면 다음과 같습니다:
- 인간은 에너지가 필요합니다. 핵은 방사성 폐기물이 발생한다는 점을 제외하면 에너지를 제공해 줍니다. 우리는 이를 인정합니다. 핵융합은 미래의 길입니다. 그러나 길은 길고, ITER는 약 20년 후에야 전력이 올라갈 것이며, 그때는...
그때 뭐가 되는 걸까요? 무료로 철거할 수 있을까요? 그때까지 이 괴물의 본질적인 결함을 고치는 방법을 찾을 수 있을까요? 그 온도가 예상된 시간 동안 유지될 수 있을까요, 아니면 "이게 작동하려면 더 큰 기계가 필요했다"고 설명하게 될까요? 또, 14메가전자볼트의 에너지를 가진 중성자로 강렬하게 쏘이는 보조 구조물은 어떻게 처리할 것인가요? 초전도 자석의 기계적 강도는 이 불가피한 방사에 대해 얼마나 견딜 수 있을까요? Gilles de Gennes가 지적했듯이, 이 자석은 매우 취약합니다. 만약 이 기계적 강도가 갑자기 손상되어, 이 장치가 방사능이 있는 트리튬을 자연에 방출할 수 있는 거대한 폭발물로 변한다면 어떻게 될까요?
이 질문들은 어디에서도 볼 수 없을 것입니다. 왜냐하면 ITER는 오랫동안 작동하도록 설계되지 않았기 때문입니다. 초전도 자기장 시스템이 손상되지 않도록 충분히 오래 작동할 수 있도록 설계되지 않았습니다. 25년 후에 '슈퍼-ITER'로 넘어갈 때, 그 새로운 문제에 대해 걱정할 시간이 충분히 있을 것입니다.
도서 Pangloss가 말하듯이, 이런 파라오 같은 프로젝트의 충분한 이유는 무엇일까요? 우리는 그 이유를 붙잡고 있는 이유는 지구의 에너지 수요가 만족되지 않는 것처럼 보이기 때문입니다. 그 성장은 놀라울 정도로 지수적입니다. 석유는 고갈되고 있습니다. 미국과 같은 일부 국가들은 거대한 석탄 자원을 보유하고 있지만, 이는 오염의 '파란 띠'를 의미합니다. 카리브드를 넘었으니, 시릴라가 기다리고 있습니다.
'대안적 해결책'들, 예를 들어 풍력, 태양광, 조력, 지열 에너지는 충분하지 않아 보입니다. 인간의 필요를 고려할 때 투자 수익률이 충분하지 않아 보입니다. 그래서 핵은 '가장 나은 선택'으로 보입니다. 이것이 클로드 알레그르, 우리 전 국무장관이 주장하는 입장입니다. 그는 '가능한 최고의 핵에서 모든 것이 최선이다'라고 말합니다.
'감소'는 부유한 국가들에게만 가능한 해결책입니다. 우리가 옥수수 기름으로 운전하고, 25와트 전구로 조명하며, 자전거를 타고, 태양광 패널로 목욕물의 온도를 높이며, 변기의 두 개의 물통을 설치한다고 해서 지구적 필요에 부응할 수는 없습니다. 이는 좋은 의도에서 시작되지만, 어떤 방식으로도 충분하지 않습니다. 이것은 부유한 자녀들의 꿈일 뿐입니다.
상황이 너무 심각해져서 많은 국가들이 핵으로 전환하는 것을 고려하고 있습니다. (프랑스 책임자들이 자랑스럽게 여기는 상황입니다.) ITER와 같은 문제를 안고 있는 핵융합 경쟁은 그 심각성의 정도를 보여줍니다. 그 병은 너무 깊어, 수익성이 언제 이루어질지, 심지어 그 가능성조차 있는지 알 수 없는 분야를 고려하고 있습니다. 그러나 2005년 봄까지는 항상 같은 대답이 있었습니다:
- 당신은 다른 대안을 제시할 수 있나요?
핵에너지의 다른 형태: 오염되지 않고 방사능이 없는 핵융합
전체적인 핵에너지 사용은 끔찍한 전망을 제시합니다. 이는 인간의 짧은 인생에 비해 무한한 수명을 가지는 위험한 방사성 폐기물을 수천 톤이나 매장해야 하기 때문입니다. 투리미스 아일랜드와 체르노빌 사고 이후 우리는 원자로가 위험하며, 거대한 지역을 오염시켜, 기형아를 낳게 하고, 수많은 사람들이 암을 앓게 한다는 것을 알고 있습니다. 어떻게 하면 자연이 풍부하게 제공하는 마법 같은 에너지를 얻을 수 있을까요? 이 에너지는 환경을 오염시키지 않으며, 우리의 삶을 위협하지도 않습니다.
놀랍게도, 이러한 해결책은 반세기 전부터 존재해 왔습니다. 그 중 첫 번째는 바로 '수소폭탄'의 출발점이 되는 리튬-수소 공정입니다. 융합 반응을 다시 상기해 봅시다:
리튬7 + 수소1 ----> 두 개의 헬륨4 핵과 .. 중성자는 발생하지 않음
유일한 단점은 5억 도의 온도가 필요하다는 점입니다. 캘럼의 토카막에서 1초 동안 만들어낸 온도보다 다섯 배 높습니다. 또 다른 반응이 있습니다:
붕소11 + 수소1 ----> 세 개의 헬륨4 핵과 .. 중성자는 발생하지 않음
이번에는 혼합물을 10억 도(10억 도!)의 놀라운 온도로 가열해야 합니다. 이는 우리가 최근에 점화한 수소폭탄의 중심 온도의 두 배이며, 태양 중심 온도의 50배에 달합니다.
네, 많은 독자들이 모르지만, 별들은 온도 기록을 보유