2007년 대선 후보들을 지원하는 과학자들에게:
무방사능, 무오염의 핵에너지!
2007년 12월 8일
프랑스 과학연구원(CNRS) 전 연구소장, 천체물리학자이자 물리학자, 자기유체역학(MHD) 전문가
장피에르 페티, jppetit1937@yahoo.fr
국가적, 세계적 차원에서의 에너지 관리는 모든 국가의 정치에서 중요한 주제이다. 니콜라 헐롯은 기후 변화가 이미 명확해지고 가속화되고 있음을 강조하며, 이 생태계 인식 운동의 선봉에 서 있다. 이 발언은 즉각 에너지 생산 방식으로 이어진다. 나는 그의 저서를 읽었다. 불행하게도, 경제성과 낭비 방지, '에너지의 극단적 절약'을 주장하는 외에는, 그가 이 주제에 할애한 몇 페이지에서 대안적인 해결책으로는 전통적인 풍력과 태양광 외에는 아무것도 찾을 수 없다. 니콜라 헐롯은 이러한 대안이 원유 기반 전력 생산의 킬로와트시 단가에 비해 매우 비싸고 상대적으로 효율성이 낮다는 점을 충분히 인지하고 있다. 게다가 이 비용은 오염 후속 조치를 고려하지 않은 원시적인 계산이다. 나는 우리 나라가 새로운 에너지 생산 방식에 대한 연구를 전담하는 연구 센터를 설립해야 한다고 생각한다. 이러한 활동은 연구 및 기술부의 한 부서로 만들어야 마땅하다. 이 목적을 위해, 나는 전문가들 앞에서 중성자 없는 핵융합 또는 약간의 중성자를 방출하는 핵융합의 가능성에 대해 설명하고자 한다. 설명하자면, 일반인에게 핵융합은 수소의 두 무거운 동위원소인 디테륨과 트리튬의 융합을 의미하며, 이 과정에서 중성자가 발생하고 주변 구조를 '활성화'한다. 지스 데제네 교수는 이터(ITER)에서 자기장을 유지하는 초전도체 시스템이 불가피한 중성자 방사에 견딜 수 있을지 의심스럽다고 주장했다. 더불어 플라즈마가 벽에서 무거운 원자를 떼어내며 냉각되는 현상 등도 있다. 오랫동안 알려진 사실이지만, 중성자를 발생시키지 않는 핵융합 반응이 존재한다. 예를 들어 리튬-7과 수소-1의 반응은 헬륨 두 개의 원자를 생성하며, 보론-11과 수소-1의 반응은 헬륨 세 개의 원자를 생성한다. 첫 번째 반응은 약 5억도에서 시작되며, 두 번째 반응은 약 10억도에서 시작된다. 이 두 번째 경로는 과거까지는 실현 불가능한 것으로 여겨졌는데, 그만큼 높은 온도를 만들어내야 하기 때문이다. 이는 마치 과학소설처럼 보였다. 그러나 리튬-수소 반응은 1950년대부터 수소폭탄에서 사용되어 왔다. 핵융합 폭발의 중심부에서는 약 5억도의 온도가 유지된다. 이는 반응의 점화 온도이며, A폭탄(원자폭탄)이 방출하는 X선의 집중을 통해 달성된다. 그러나 이는 산업적 응용과는 거리가 멀다.
디테륨-트리튬 반응은 약 1억도에서 시작된다. 영국 캘럼의 토카막에서 이 온도는 몇 초간 달성되었으며, 이 결과는 매우 비용이 많이 드는 문제 많은 이터(ITER) 프로젝트의 기초가 되었다. 이 반응 방식으로는 리튬-수소 및 보론-수소 반응에 필요한 온도(각각 5억도, 10억도)를 유지하면서 지속적인 작동, 즉 보일러처럼 작동하는 것은 완전히 불가능하다. 따라서 단발성 작동을 선택해야 한다. 그러나 지속 작동에서 단발성 작동으로의 전환은 이미 우리의 기술에서 성공적으로 이루어졌으며, 그 효율성이 높아 기존 방식은 즉시 폐기되었다. 이 기술적 전환은 증기기관에서 내연기관으로의 전환을 가능하게 했다. 따라서 기술-과학적 관점에서 보면, 이터 프로젝트는 '3세기의 증기기관'이라고 비판할 수 있다. 더 유익하고 합리적인 방식은 '내연기관'처럼 작동하는 방식을 고려하는 것이다. 이 방식은 더 높은 온도를 허용하며, 오염 없고 방사능이 거의 없는 핵융합 반응(예: 리튬-수소, 보론-수소 반응)을 선택할 수 있다. 바로 무방사능, 무오염의 핵에너지다!
이 문제를 다룬 전문가들은 보론-수소 반응이 가장 이상적인 반응이라고 결론 내렸다. 이 반응은 완전히 중성자 없는 반응이지만, 일부 부수적인 반응으로 중성자가 발생할 수 있다. 리튬-수소 반응도 마찬가지로 중성자를 일부 생성한다. 그러나 이는 디테륨-트리튬 반응에 비해 훨씬 적으며, 비교적 무시할 수 있다. 이를 '거의 중성자 없는' 반응이라 할 수 있다.
따라서 새로운 형태의 핵융합 발전기가 등장하고 있다. 이는 단발성 작동을 하는 핵융합 발전기이다.
- 보론-수소 혼합물을 압축한다. 핵융합 반응이 에너지를 방출하며, 극도로 높은 온도의 플라즈마가 생성되고 팽창한다.
- 이 팽창은 매우 높은 마그네틱 레이놀즈 수의 자기장에서 이루어진다. 플라즈마와 자기장이 매우 강하게 결합되어 있다. 자기장이 압축된다.
- 이는 유도 전류가 발생하고, 전력이 생성된다. 단순한 변압기를 통해 전력을 '직접 MHD 변환'하여 전력망에 공급할 수 있다. 이 시스템은 1950년대 러시아(안드레이 사하로프 팀)에서 실험되었으며, 매우 높은 효율을 보였다.
- 내연기관의 '크랭크 샤프트'와 유사한 방식으로, 일부 에너지를 저장하여 다음 핵융합 반응의 압축에 사용해야 한다.
이 방식에 가장 가까운 비유는 '융합 디젤 엔진'이다.
이 원리는 오랫동안 알려져 왔다. 압축기는 MHD 방식이다. 즉, 수천만 암페어의 강력한 전류를 시스템에 주입하며, 이는 오래전부터 알려진 '린어(liner)'라 불리는 구조물에 주입된다. 이 구조물은 라플라스 힘의 작용으로 축 방향으로 붕괴된다. 이 시스템으로 10억도의 온도에 도달할 수 있을까? 미국 연구팀은 2005년에 긍정적인 답변을 제시했다. 캠브리지 대학의 플라즈마 물리학 연구소장인 헤인즈 교수는 2006년 2월 이 결과를 발표했다. 이 결과는 예상치 못한 것이었다.
http://www.jp-petit.com/science/Z-machine/papier_Haines/papier_Haines.htm
뉴멕시코의 샌디아 연구소에서 제로لد 요나스의 학생들이 'Z-머신'을 건설했다. 왜 'Z-머신'이라고 부르는가? 플라즈마를 'OZ축' 방향으로 압축하기 때문이다. 이 구조는 매우 단순하다. 수천만 암페어의 전류를 원통형 도체 구조(원통의 측면)를 통해 흘려보낸다. 이 전력은 압축 시간(약 100나노초)보다 짧은 시간 동안 주입되어야 한다. 그러나 이 기술은 오래전부터 완전히 제어되고 있으며, 문제 없이 작동한다. 전류는 자기장을 생성하며, 전류(I)와 자기장(B)의 조합은 축 방향으로 라플라스 힘을 발생시켜 금속으로 구성된 '린어'의 원자들을 축 방향으로 끌어당긴다.
http://www.jp-petit.com/science/Z-machine/z_machine2.htm
여기서 MHD의 끔찍한 불안정성이 나타난다. 만약 린어가 단순한 구리 또는 알루미늄 원통이라면, 전류층의 균일성을 유지하는 것은 불가능하다. 결과적으로 플라즈마의 균일한 붕괴가 아니라, 점점 더 왜곡되고 비대칭적인 형태로 붕괴된다. 이는 자기유체역학적 불안정성(MHD 불안정성)의 발생으로 인한 '비틀림' 때문이다. 이 현상은 1970년대부터 실험적으로 확인되었으며, 그 이전부터도 알려져 있었다. 불균일한 붕괴는 온도 상승에 직접적인 영향을 미친다. 요나스 팀은 이 방식으로 핵융합의 대안을 찾는 것을 포기했다. 목표 온도는 100만도에서 1천만도 사이였다. 따라서 미국의 Z-머신은 핵탄두의 내구성 테스트를 위해 강력한 X선을 생성하는 장비로 설계되었다. 그러나 예상치 못한 사건이 발생했다. 크리스 디니의 팀은 린어의 축대칭성을 가능한 한 오래 유지하기 위해 구리 원통을 240개의 인서트(inox)로 이루어진 실선으로 대체했다. 직경은 약 1마이크론이며, 전체 크기는 지름 8cm, 높이 5cm이다. 2005년 실험에서 총 전류는 1800만 암페어였으며, 방전 시간은 100나노초였다. 놀랍게도 금속 실선은 즉시 증발하지 않고 오히려 '상대적으로 느리게' 증발했다(여기서 '상대적으로 느리게'는 수십 나노초 수준이다). 이로 인해 린어는 직경 1.5mm의 극도로 뜨거운 플라즈마 줄로 변환되었으며, 이는 측정되었다. 온도 측정은 도플러 효과로 인한 선의 넓어짐 현상에 기반하여 신뢰할 수 있는 결과를 얻었다. 이 결과는 완전히 재현 가능했으며, 실험자들을 놀라움과 불신에 빠뜨렸다.
측정된 온도: 37억도!
이는 보론-수소 혼합물의 점화 온도(10억도)의 3.7배이며,
수소폭탄 중심부 온도(205억도)의 7배,
이터(ITER)가 목표로 하는 온도(1억도)의 37배,
태양 중심부 온도(2억도)의 180배에 달한다.
미국은 2007년에 더 강력한 장비인 ZR을 운영할 예정이며, 첫 실험에서 전류는 2700만 암페어에 달할 것이다. 이 기술적-과학적 도전은 매우 크다. 실제로 이와 같은 기계로 더 높은 온도를 달성하는 것은 전혀 불가능하지 않다. 전류 강도의 제곱에 비례해 최종 온도가 증가하는 이와 같은 기계는 향후 초신성 중심부의 온도인 1조도에 도달할 수도 있다. 샌디아 연구소의 이러한 돌파구는 순수 핵융합 방식의 에너지 생산 시스템 개발 가능성을 열어준다. 이는 물론 군사적 응용이 우선적으로 이루어질 것이며, 핵분열을 필요로 하지 않는, 'A폭탄' 없이도 작동하는 새로운 핵융합 폭탄 개발로 이어질 것이다. 이는 매우 '확산 가능성'이 높은 기술이다. 미국, 러시아, 그리고 여러 다른 국가들은 이 새로운 세대의 '청정 폭탄' 개발을 활발히 진행 중이다. 이 폭탄은 작게 만들 수 있을 뿐만 아니라, '핵적 서명'이 없어 탐지가 어렵다. 이는 전략적 측면에서 매우 큰 관심을 끌 수 있다. 이러한 강력한 전류를 생성하려면 어떻게 해야 할까? 답은 폭발물, 즉 1950년대 러시아에서 시작된 기술을 사용하는 것이다. 나는 2006년 2월부터 내 웹사이트에서 이 문제에 대해 자세히 설명해 왔으며, 2007년 대선 후보팀의 충분히 전문적인 인사들과 이 문제를 논의할 준비가 되어 있다. 또한 핵융합 분야에서 풍부한 경험을 가진 사람들(예: 핵폭탄 전문가들)과도 대화를 나누었다. 연구 프로그램은 이미 구성되었으며, 예산은 약 5,000만 유로이다. 이 연구는 이터(ITER)나 메가줄(Mégajoule)과 같은 거대 프로젝트에 비해 놀라울 정도로 저렴하다(이터 프로젝트보다 200배 저렴하다). 프랑스의 'Z-머신'을 중심으로 50명의 물리학자, 엔지니어, 기술자가 모여야 한다. 이는 대학 수준의 연구를 넘어서지만, 군사 예산이나 대규모 산업의 최소 비용보다 훨씬 낮다. 한 가지 더, 이 프로젝트는 물리학의 근본적인 연구로 이어질 수 있으며, 지금까지 전혀 알려지지 않은 길을 열어준다:
이온 온도가 전자 온도보다 100배 높은 비평형 이온-전자 온도 플라즈마!
이 연구는 방대한 박사학위 논문의 주제가 될 수 있다. 전력 생산 외에도, 극도로 밀도가 높고 뜨거운 매체에 대한 이러한 연구는 다양한 응용 효과를 가져올 것이다. 단순히 프랑스에서 첨단 물리학의 기초 연구를 추진한다는 점만으로도 이 프로젝트를 추진할 만하다. 이 프로젝트는 즉시 유럽 수준을 넘어 세계적인 규모로 확장되어야 한다(전체적인 대안 기술에 대한 포괄적 행동의 일환으로, '무경계 에너지'라는 세계적 프로젝트의 일부로). 이는 결코 낭비가 아니다. 프랑스는 미국의 결과를 최소한으로 확보할 수 있다. 참고로, 프랑스는 이 프로젝트를 빠르게 실현할 수 있는 모든 기술적 역량을 보유하고 있다.
프랑스는 자체적인 'Z-머신'(군사용, 로트주 그라마에 위치)을 보유하고 있다. 그러나 이 장비는 샌디아 연구소의 장비(1800만 암페어)에 비해 너무 약하다(프랑스 장비는 400만 암페어). 10개월간의 내 노력이 어느 정도 효과를 보이기 시작했다. 프랑스 군부는 전력 생산에 관심이 없지만, 이미 이 문제에 대해 관심을 보이기 시작했다. SGDN(국방청)에서 회의가 예정되어 있으며, 군부는 이 연구를 가능한 한 빨리 국방비밀로 분류하려는 움직임을 보이고 있다. 이는 '확산 가능성'이 높은 기술이 등장할 가능성이 명백하기 때문이다. 최근 소식에 따르면, 정책은 '민간 응용을 통해 확산 가능한 기술이 생길 위험을 감수하기보다는, 아무것도 하지 않는 것이 낫다'는 것이다.
이는 전형적인 프랑스식 '지켜보기' 전략이다. 25년 전 MHD 연구 때와 마찬가지이다.
나는, 군사적 위협과 응용 가능성에 집중하는 것이 단지 '주제를 벗어나는 것'이라고 생각한다. 원자력 핵융합 무기의 집중적 개발을 국방비밀 아래 추진하는 국가가, 새로운 전력 생산 기술에 대한 연구 리더십을 추구하는 것이 아니라면, 그것은 단지 세계적인 어리석음에 가까운 것이다. 민간용 Z-머신 프로젝트는 단지 실현 가능할 뿐 아니라, 매우 시급하다. 이는 즉시 핵융합 두 단계 기술이 실현 가능하다는 의미는 아니다. 여전히 점화 온도에 도달한 후 반응을 유지할 수 있도록 하는 여정이 남아 있다(이러한 관성 압축의 로우슨 조건). 프랑스가 이 프로젝트를 시작한다면, 유럽 각국과 세계 각국이 기술과 지식을 공유하면서 협력할 수 있도록 해야 한다. 이는 '무경계 에너지'라는 목표 아래 이루어져야 한다.
더욱이, 미국(러시아, 중국 등 MHD 분야에서 매우 앞서 있는 국가들)이 단독으로 이 새로운 길을 개척하는 것을 방치하는 것은 어렵다. 이는 결국 새로운 무기 개발을 목적으로 하는 방향으로 흘러가고 있다. 현재 이터와 메가줄 로비는 이러한 '외부' 기술의 등장을 매우 불쾌하게 여기며, 과학 매체와 과학자 그룹에 압력을 행사하여 이 문제를 묵살하려 하고 있다. 이 현상은 프랑스에 국한되지 않으며, 이터 프로젝트에 참여하는 모든 국가에 해당한다.
2006년 12월 8일
장피에르 페티, 프랑스 과학연구원(CNRS) 전 연구소장, 물리학자, 천체물리학자, MHD 전문가
이메일: jppetit1937@yahoo.fr
http://www.jp-petit.com/science/Z-machine/lettre_ouverte_politiques.html
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시장:
http://www.amf.asso.fr/ad/index.asp
지방의회:
http://www.conseil-general.com
참고:
이 중요한 과학적 돌파구는 10개월 동안 어떤 과학 매체나 일반 매체에서도 보도되지 않았다. 이는 미국에서 실험된 장소이지만, 미국의 유명한 Scientific American이나 영국의 Nature도 이 소식을 2006년 2월 말 마셜 헤인즈가 발표한 '현대 물리학 논문'을 특집으로 다루지 않았다. 결과적으로 다른 나라의 매체는 "이런 중요한 사건을 이들 저널이 다루지 않았다면, 그다지 중요한 것은 아닐 것이다. 또는 더 나쁘게는, 의심스럽다"고 판단했다. 실제로 이 소식은 이후 아무런 후