오염 없는 융합, 포커스 기계와 함께

오염 없는 융합, 또 다른 가능성?

FOCUS 실험

현재까지 얻어진 결과는 샌디아의 Z-머신 결과만큼 신뢰할 수 있는 수준은 아니지만, MHD가 플라즈마의 밀도와 온도를 높이는 데 있어 매우 넓은 가능성을 보여주는 점에서 이 실험을 언급하는 것이 의미 있다고 생각했다. 이 측면에서 FOCUS 실험은 매우 독창적이다. 그러나 이 경우, X선 방출을 통해 측정된 고온이 실제로 플라즈마의 온도를 나타내는지, 아니면 아노드에 대한 충격 효과를 나타내는지 여부는 여전히 미지수다. 뉴멕시코의 강력한 연구소와는 거리가 먼 에릭 러너는 이 현상이 10억 도 이상(100 keV)의 온도가 달성되었음을 시사한다고 확신하고 있다. 이 결론에 대한 책임은 그에게 맡기도록 하자.

작동 원리

2006년 6월 1일

FOCUS는 2000년대 초부터 많은 사람들의 관심을 끌어온 실험이다. 위키피디아에 관련 정보가 있다.

http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_focus

일반인들이 융합을 떠올릴 때는 단지 두 가지 경로만을 떠올린다.

• 토카막에서의 융합: 프랑스 아크-앙-프로방스 북부의 카다라슈에 건설될 고비용의 ITER 실험

• 레이저를 이용한 융합: 보르도 근처 바르프에 위치한 메가줄 프로젝트라는 또 다른 "공학자들을 위한 성전"

융합은 일반적으로 수소의 동위원소인 디테륨과 트리튬의 융합을 의미하며, 이는 가장 낮은 온도에서 일어나는 융합이다. 디테륨은 핵이 양성자 하나와 중성자 하나로 이루어진 수소의 첫 번째 동위원소이다. 트리튬의 핵은 양성자 하나와 중성자 두 개로 이루어져 있다.

이 두 원소의 융합은 온도가 1억 도에 도달할 때(빠르게) 일어나며, 헬륨 핵과 14 MeV(1400만 전자볼트)의 에너지를 가진 빠른 중성자를 생성한다. 태양의 중심부에서는 이 "보일러"의 온도가 1500만~2000만 도에 불과하며, 융합 반응은 훨씬 더 느리게 진행된다(그렇지 않으면 태양이 폭발할 것이다).

중수소 분자는 경수소 분자와 거의 구분할 수 없을 정도로 유사하다. 이들은 동일한 화학적 성질을 갖는다.

왼쪽은 D-D 분자, 오른쪽은 T-T 분자. 결합은 여기서 벌로 표현된 전자들에 의해 이루어진다. "핵자"는 꼬마들로 표현되었으며, 전하를 띤 양성자는 보라색, 전하를 띠지 않는 중성자는 빨간색이다.

3000도 이상에서 수소는 "완전히 이온화"되며, 전자들이 핵에서 떨어져 나가 수소(경수소 또는 중수소)는 전자 가스와 전하를 띤 핵의 혼합물인 플라즈마로 변한다. 그러나 약 1억~1.5억 도가 되면 이 핵들은 반응하기 시작한다.

중수소 융합의 그림:

이러한 핵에너지 개념들을 이해하고 싶은 독자는 무료로 다운로드 가능한 내 만화를 참고하면 된다.

에너지적으로 당신의 동지

사이트에서 확인 가능:

http://www.savoir-sans-frontieres.com

주소:

http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm

14 MeV의 융합 중성자가 방출되는 것이 문제를 일으키는 이유는 이 입자들이 반응기의 모든 구조물에 인공 방사능을 유발하기 때문이다. 이러한 중성자는 반응기 구조물의 재료에 침투하여 불안정한 물질들을 생성하며, 이는 즉시 방사능을 띠게 되고 폐기물이 된다. 이 중성자 흐름은 반응기 구조를 손상시키고, 결국 구성 요소의 강도를 약화시키며, 플라즈마를 갇는 솔레노이드의 정상적인 작동을 방해할 수 있다.

위 그림은 트리튬의 재생을 보여준다. 실제로 융합 중성자는 트리튬을 재생할 뿐 아니라 인공 방사능 효과로 인해 다양한 방사성 동위원소를 생성한다(자연 방사능과는 대조되며, 자연 방사능은 초신성 폭발에서 생성된 방사성 동위원소가 지구 형성 시에 포함된 것에 기인한다). 리튬을 둘러싼 껍질은 "생산성 재료"로 작용하여 지속적으로 트리튬을 재생한다. 트리튬은 방사성 동위원소이며(반감기: 12년) 자연 상태에서는 존재하지 않는다.

일반인은 보통 융합이 "핵의 화학"과 같다고 알지 못한다. 즉, 융합 혼합물에서 출발해 반응을 거쳐 반응 생성물을 얻는 것이다. 디테륨-트리튬 융합은 가능한 반응 중 하나일 뿐이며, 가장 낮은 온도에서 일어나는 반응이기 때문에 주목받는다.

오염 없는 융합 반응, 방사능 없고 방사성 폐기물 없음!

우리는 Z-머신에 관한 보고서에서 2005년 샌디아 연구소에서 20억 도의 온도가 달성되었다는 사실을 언급했다. 참고로 이 실험의 목적은 극도로 높은 온도를 얻는 것이 아니라, 수백만 도 정도의 온도에서 단순한 X선 소스를 생성하는 것이었다. 그러나 예상치 못하게 플라즈마 압축기에서 20억 도의 온도가 완전히 확실하게 얻어졌다. 이 결과는

이례적

이며, 수십 년 동안 이 고비용 프로젝트를 관리해온 팀들 사이에 불안감을 야기했다.

• 레이저를 이용한 융합(프랑스: 메가줄)

• 토카막에서의 융합(프랑스: ITER)

그러나 우리는 이 Z-머신이 유일하게 고온 플라즈마를 생성할 수 있는 장비가 아닐 수 있음을 알게 될 것이다(ITER는 지속적으로 작동하지만 온도를 더 높일 수 없다). 비유하자면, 새로운 고온 융합 장비와 토카막 사이에는 폭발 엔진과 증기기관 사이의 차이만큼의 차이가 있다.

따라서 비교하면, ITER는 현대의 증기기관이다.

이러한 장비를 이해하기 위해 전자기력이 전도체와 방전에서 어떻게 작용하는지 익숙해져야 한다.

유연한 솔레노이드, 즉 단순한 고리에 전류를 흘려보자. 이 고리는 라플라스 힘 I × B에 의해 전류가 흐르는 도선에 작용하는 자기장이 생기게 된다.

자기장에 의해 고리가 팽창하는 현상

이는 고등학교나 박물관에서 본 적 있는 전형적인 실험이다.

전류가 충분히 강하면 전도체가 파열될 수 있다. 1960년대 내 연구실에서는 5만 암페어의 전류를 커패시터 배터리에서 공급받아 2테슬라(20,000 가우스)의 자기장을 만들었다. 코일은 구리 필름으로 되어 있었으며, 유리섬유와 아라르디트로 고정되지 않은 경우, 즉시 폭발하여 실험실을 파편으로 가득 채웠다.

이제 전기 방전을 생각해보자. 금속 막대 두 개 사이에 전기 방전을 일으키는 실험을 모두 본 적 있을 것이다. 방전은 상승하다가 결국 파열된다.

지금까지의 고리와 비슷한 그림을 볼 수 있다. 다만 전류는 금속 도체와 이온화된 가스, 즉 플라즈마를 통해 흐른다. 그러나 원리는 같다. 이 "고리"는 팽창하려는 경향이 있다.

기계적인 장난감을 넘어서, 플라즈마 레일건(Plasma Rail Gun)의 개념에 이르게 된다. 공급되는 전류가 충분히 크면, 강한 라플라스 힘에 의해 플라즈마가 형성되며, 이는 대량의 기체 운동을 유도한다. 이 이온화된 기체 질량은 결국 탄도체로 변할 수 있다