37억도, 그리고 모두는 신경 쓰지 않는다
2006년 7월 2일
지난 6월 19일, 한 독자가 Agoravox 포럼에 다음과 같은 기사를 게시했다.
20억도. 인류는 절대적 불꽃을 발견했지만, 모두는 신경 쓰지 않는다.
이 기사는 300건 이상의 반응을 얻었다. 한 독자가 이 포럼의 존재를 알려주었기 때문에, 나는 이에 참여하게 되었다. 이 포럼에서 논의된 내용에 관심 있는 독자는 아카이브를 통해 확인할 수 있다.
http://www.agoravox.fr/article.php3?id_article=10680
나는 하얀 페이지 앞에 서서 무엇을 쓸지, 어떤 어조를 취할지, 어느 수준에서 접근해야 할지 고민하고 있다. 사실, 이런 상황 앞에서는 이벤트에 뒤처지는 기분이 들기도 한다. 더 정확히 말하면, 이 경우는 '이벤트'가 아니라 '비이벤트'에 뒤처지는 느낌이다.
이 주제를 다시 다루기 전에, 제가 제 사이트에서 'Z-머신'과 이 발견에 대해 언급한 내용을 따라온 독자들을 위해 설명하자면, 6월 25일前后, 한 기자가 제게 방문했다. 그는 기사 제출을 위해 편집장에게 보낼 것이라고 말하고 떠났다. 그 반응은 즉각적이었고 간단했다.
- AFP나 러시아의 TASS, 또는 다른 어떤 언론 기관에서도 이걸 보지 못했다.
사실이다. 그러나 이 소식이 발표된 지 3개월이 지났음에도 불구하고, 전 세계의 언론과 언론 기관들은 아무런 반응을 보이지 않았다. 이것은 정말 충격적이며, 동시에 무서운 일이다.
따라서 이번에는 처음부터 이 이야기를 독자들에게 다시 설명해 보겠다. 처음부터 시작하는 독자들을 위해 말이다.
이 모든 일은 2006년 3월 9일, Futura-Science 웹사이트에 게시된 기사에서 시작되었다.
http://www.futura-sciences.com/news-z-machine-depasse-deux-milliards-degres_8419.php
이 기사는 실제로 미국 뉴멕시코주 샌디아 연구소의 공식 발표에서 비롯되었다. 이를 모르는 독자들을 위해 설명하자면, 샌디아는 다양한 무기 프로젝트를 주로 수행하는 거대한 연구소이다. 미국 내에서 핵무기 설계를 놓고 오랫동안 경쟁해 온 두 연구소는 다음과 같다.
- 샌디아
- 로스앨러모스 (여기서 첫 번째 원자폭탄이 개발됨)
로스앨러모스 연구소, 뉴멕시코주, 미국 – 첫 번째 원자폭탄이 개발된 장소
이야기를 시간 순서대로 되짚어 보면, 샌디아 연구소는 2006년 3월 8일에 다음과 같은 발표를 했다.
http://www.sandia.gov/news-center/news-releases/index.html
아래는 그 발표 내용이다.
"Two billions degrees Kelvin" → 영어로는 "20억 절대온도"
실제로 이 발표는 2006년 2월 24일에 국제적으로 유명한 고수준 학술지인 Physical Review Letters에 실린, 런던 임페리얼 칼리지의 플라즈마 물리학자인 말콤 헤인즈(Malcolm Haines), 샌디아 Z-머신 실험 책임자인 디니(Deeney), 그리고 다른 4명의 연구원이 공동으로 작성한 논문의 발표 직후였다.
위에서 언급한 두 링크는 모두 언론 발표에 관한 것이며, 핵심 문서는 바로 그 논문이다. 이 논문의 중요성 때문에, 구입한 후 저는 제 웹사이트에 다운로드 가능하게 공유했다.
말콤 헤인즈, 디니, 그리고 다른 연구원의 논문(PDF 형식)
논문의 첫 페이지는 다음과 같다.
"Over 2 x 109 Kelvin" → "20억 절대온도를 초과"
논문의 최초 제출일은 2005년 5월 13일임을 주목하자.
따라서 이 논문은 그 시점 이전의 실험 결과를 기반으로 하고 있다.
실제로 이 논문이 가장 중요한 부분이며, 저는 이를 철저히 분석했다. 이 분석은 과학자들과 과학 기자들을 대상으로 하였으며, 그 앞에 대중화된 요약본을 붙였다. 과학적 배경을 가진 독자나 과학에 관심 있는 독자는 이 분석을 참고할 수 있다. 그러나 이 페이지와 이 문서는 일반 대중을 위한 것이므로, 과학에 관심이 없거나 과학적 배경이 없는 독자는 이 링크를 건너뛰어도 된다.
헤인즈와 디니의 논문 분석 (2006년 2월 24일)
이제 이 문서의 주제인 핵융합(중성자 생성 및 'a-중성자' 반응), 토카막(ITER 포함)에서의 핵융합, 또는 관성적 수축(인어성 수축)에 관한 일반적인 설명으로 돌아가기 전에, 이 논문에서 중요한 부분에 대해 간략히 설명하겠다.
- 1998년부터 샌디아에서는 플라즈마의 압축 실험이 진행되어 왔다. (다른 핵보유국들인 러시아, 중국, 영국, 프랑스에서도 비슷한 실험이 있었지만, 샌디아만큼 규모가 크지는 않았다.) 이 실험의 목적은 전자기력으로 물질을 압축하여 가열하고, 그 결과로 X선을 방출시키는 것이었다.
Z-머신과 같은 기계들은 처음부터 핵융합을 목표로 설계된 것이 아니다. 단지 강력한 X선원으로, 전적으로 군사적 목적을 가졌다. 그 목적은, 우주 공간에서 폭발하는 원자폭탄이 방출하는 강력한 X선 플럭스에 대해 탄두의 내구성을 시험하는 것이었다. 이는 미사일 방어 시스템의 핵심 요소로, 정밀한 유도 및 발화 장치를 파괴하기 위한 것이다.
1998년 이후 샌디아에서 진행된 실험들은 이온의 온도가 비정상적으로 높다는 것을 보여주었지만, 그 온도는 직접 측정되지 않았다. 측정된 것은 X선 방출을 통해 추정한 전자 온도였다. 이온 온도는 이 전자 온도로부터 추정된 것이다.
앞에서 설명할 예정이지만, 이상한 점은 이 실험들에서 이온 온도는 전자 온도보다 훨씬 높았으며, 수백 배에 달했다. '이온-전자 이온도' 시스템은 여러분의 주방에도 있다. 바로 네온등이다. 네온 이온(전자를 잃은 네온 원자)은 보통 온도로 냉각되어 있으며, 손을 대도 타지 않는다. 반면 전자는 수천도에 달한다. 이 실험에서 이온이 전자보다 훨씬 더 뜨거워야만 그 결과를 설명할 수 있었다.
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2005년, 샌디아 Z-머신 연구팀은 이온 온도를 직접 측정할 수 있는 조건을 갖추게 되었으며, 이는 헤인즈, 디니 등이 작성한 논문에 기술되어 있다. 이 측정 결과는 이전에 계산된 값과 일치함을 확인했다. 논문의 제목처럼, 이 온도는 '20억 절대온도를 초과'한다. 그러나 논문을 자세히 살펴보면(저의 이중 수준 분석도 포함), 이 온도는 측정 도중 증가하여 실제로는 26.6억도에서 37.7억도까지 올라간다. 이 측정은 100% 신뢰할 수 있다. (도플러 효과를 이용한 선폭 측정을 통한 온도 측정은 물리학과 천문학에서 오랜 전통이 있으며, 오류 가능성은 배제할 수 있다.)
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보조적으로 헤인즈와 동료들은 이와 같은 이온 가열 메커니즘에 대해 질문을 제기한다. 그는 MHD 불안정성(자기유체역학 불안정성)을 언급한다. 이 부분도 나중에 다시 다룰 것이다.
논의를 통해 대부분의 독자와 참여자들이 핵융합을 단지 수소의 두 동위원소인 디테륨과 트리튬의 융합으로 이해하고 있음을 알 수 있었다.
디테륨 + 트리튬 → 헬륨 + 중성자 (14 MeV 에너지 방출)
예를 들어 위키백과 문서를 참조할 수 있다.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire
여기서는 핵융합의 단일 그림만 제공된다.
수소 동위원소인 디테륨과 트리튬의 핵융합, 1억도에서
이 그림에서 알 수 있듯이, 중성자가 가장 많은 에너지를 운반한다. 헬륨 핵보다 4배 더 많은 에너지를 가진다.
이제 독자들은 다른 핵융합 모델을 머릿속에 새겨야 한다.
5억도 이상부터는 리튬과 경수소의 융합:
'a-중성자' 리튬-수소 융합
10억도 이상부터는 보론과 경수소의 융합:
'a-중성자' 보론-수소 융합
'a-중성자'라는 이름은 중성자가 생성되지 않기 때문이다. 이 중성자는 상대론적 속도로 방출되며, 토카막(ITER는 토카막이다)의 경우, 주변 구조를 방사능 활성화시켜 방사능을 유발한다. 또한 이 중성자는 자기적 갇힘으로는 멈출 수 없다. 물리적 장애물 외에는 어떤 것도 그들을 멈출 수 없다. 지노 상의 노벨상 수상자도 지적했듯이, 이 중성자는 초전도 자석의 구조에 매우 침습적으로 작용할 것이며, 이 자석은 엄청난 비용이 들고, 주기적으로 교체할 수 없기 때문이다.
에너지 전달은 단순히 헬륨 핵(일반 헬륨)을 통해 이루어진다. 방사능은 없다. 핵폐기물은 어디에 있는가? 답은 헬륨이다. 당신은 a-중성자 융합 발전소 옆에 살 수 있다. 헬륨을 배기구를 통해 방출하면, 가벼운 헬륨이 하늘로 올라간다. 아니면 헬륨을 회수하여 풍선을 부풀리는 데 사용할 수 있다. 현재 헬륨은 매우 비싸다. 그러나 이 기술이 실현된다면, 태양광 에너지로 추진되는 헬륨 풍선 형태의 차량을 상상할 수 있다. 아니면, 이 비행체나 차량이 소형화된 a-중성자 핵융합 전기 발전기를 사용할 수도 있다.
이제 독자들이 자연스럽게 제기할 만한 질문에 답해야 한다. 온도란 무엇인가?
먼저 기체의 절대온도 T를 정의하자. 이는 정의이다. 기체는 질량 m을 가진 입자들의 집합체이다. 이 입자들은 모든 방향으로 뒤엉켜 움직인다. 이러한 운동을 열운동이라고 한다. 당신이 숨쉬는 공기는 평균적으로 초당 400미터의 속도로 움직이는 분자들로 이루어져 있다. 이는 평균 속도이며, 더 빠른 것도 있고 더 느린 것도 있지만, 모두 같은 속도로 움직인다고 상상해도 큰 오류는 아니다. 왜 이 공기 분자들이 당신의 폐를 찢지 않는가? 왜냐하면 이들은 매우 낮은 질량을 가진 물체이기 때문이다. 공기 분자가 최고 속도로 움직여도 파리에게는 전혀 해를 끼치지 않는다. 이제 느낌이 오는가?
토카막 내 절대온도는 1억도이다. 수소 핵은 거의 초당 1,000km의 속도로 움직인다. 이는 열운동의 속도이다. 물리학 입문자들을 위해 아래 박스 참조:
모든 물리학자에게:
기체의 절대온도 정의:
k는 볼츠만 상수로, 다음과 같다.
k = 1.38 × 10⁻²³
수소 원자핵(양성자)의 질량은 다음과 같다:
m = 1.67 × 10⁻²⁷ kg
토카막 안으로 들어가자. 온도(정상 작동 시): 1억 절대온도. 구성 요소:
- 디테륨: 핵 질량 = 3.34 × 10⁻²⁷ kg
- 트리튬: 핵 질량 = 5 × 10⁻²⁷ kg
- 반반 비율: 평균 핵 질량 = 4.17 × 10⁻²⁷ kg
1억 절대온도에서 이 핵들의 평균 열운동 속도는 다음과 같다.
십의 거듭제곱, 분수, 제곱근. 이제 당신의 뇌는 물리학의 절반 이상을 이해할 수 있다. 이제 토카막 내부는 양전하를 가진 핵과 음전하를 가진 전자로 이루어진 혼합물이다. 이 매체는 충돌성 매체이다. 즉, 이온과 전자는 서로 많은 에너지를 교환한다. 따라서 토카막 내부는 두 가지 기체의 혼합물로 볼 수 있다.
- 이온 기체: 무거운 수소 핵, 평균 질량 4.17 × 10⁻²⁷ kg
- 전자 기체: 질량 0.9 × 10⁻³⁰ kg인 입자들로 구성
충돌은 열역학적 평형 상태를 형성하게 한다. 즉, 서로 다른 종류의 입자들이 혼합되어 있을 경우, 모두 같은 온도에 도달한다. 즉, 모두 같은 절대온도, 여기서는 1억도이다. 그러나 전자 온도, 즉 전자 기체의 온도는 어떻게 정의되는가? 동일한 방식으로 정의된다.
볼츠만 상수는 변하지 않는다. 만약 두 기체가 열역학적 평형 상태에 있다면, 온도는 동일하다. 즉, 평균 운동 에너지(열운동)도 동일하다.
전자보다 가벼우므로 전자는 더 빠르지만, 아직 상대론적 속도는 아니다.
고온 기체를 만들기 위해서는 이온의 열운동 속도를 높여야 한다. 리튬 플라즈마에서 50만도일 때 리튬 핵의 열운동 속도는 1,330km/s이다. 보론 플라즈마에서 10억도일 때는 1,516km/s이다.
계산 세부 사항은 박스 참조:
리튬 50만도일 때:
기체의 절대온도:
k는 볼츠만 상수로, 다음과 같다.
k = 1.38 × 10⁻²³
절대온도 T에서 기체의 열운동 속도:
- 리튬 핵 질량: 중성자와 양성자의 질량의 7배 → 7 × 1.67 × 10⁻²⁷ kg = 1.17 × 10⁻²⁶ kg
이로 인해 열운동 속도는 다음과 같다:
1,330 km/s
보론 10억도일 때:
절대온도 T에서 기체의 열운동 속도:
- 보론 핵 질량: 중성자와 양성자의 질량의 11배 → 11 × 1.67 × 10⁻²⁷ kg = 1.83 × 10⁻²⁶ kg
이로 인해 열운동 속도는 다음과 같다:
1,516 km/s
이제 좀 더 명확해졌나요?
그러면 어떻게 이 열운동 속도를 만들 수 있을까? 만약 내가 플라즈마를 폭발시키는 과정을 조절하여 폭발 속도가 이 값을 초과한다면, 이 운동 에너지가 열운동 속도로 전환된다. 매우 단순하다. 에너지는 보존되어야 하기 때문이다. 단, 과정 중 방사 손실이 크지 않아야 한다.
원자들이 서로 부딪히게 된다. 충돌은 이 운동 에너지를 모든 방향으로 재분배한다. 어떤 경우든, 폭발 과정은 매체를 가열한다. 그러나 이 온도가 핵융합이 일어날 수 있도록 충분히 오래 유지될 수 있을까?
'충분히 오래'라는 말은 무엇을 의미하는가?
좋은 질문이다. 이 질문은 핵융합 반응을 일으킬 수 있는 조건에 대해 생각하게 한다. 이제 로우슨 기준(Lawson criterion)에 대해 이야기해보자. 이 말은 다소 위대해 보이지만, 사실은 매우 단순하고 직관적인 개념이다. "계란을 풀기 위해선 계란을 깨야 한다"는 말처럼 말이다. 계란의 질량을 m이라고 상상해 보자 (계란 무게는 몰라도 상관없다). 우리가 계란이 굴러다니며 서로 부딪히는 공간을 가정하자. 두 계란이 충돌할 때 깨지기 위해서는 다음 조건이 필요하다.
- 실제로 충돌이 일어나야 한다.
- 충돌 속도가 껍질을 깨뜨릴 수 있을 정도로 충분해야 한다.
계란의 질량을 M이라 하자. 누군가 이 실험을 해보며, 계란이 처음으로 오믈렛이 되기 위한 충돌 속도를 찾아낼 수도 있다. 이를 속도 V라 하자. 이 속도가 계란의 열운동 속도라면, 이는 열운동 속도로 간주할 수 있다. 속도가 충분하지 않으면, 앞면 충돌이라도 껍질은 깨지지 않는다. 그런데 열운동 속도는 바로 온도를 의미한다. 계란을 핵으로, 껍질 깨짐을 핵융합 반응으로 바꾸면 된다. 온도가 일정 임계치를 넘어서야 핵융합이 일어난다. 디테륨-트리튬 혼합물의 경우, 최소 온도는 1억도이다. 실제로 디테륨과 트리튬이 융합하려면, 핵이 충분히 가까워져야 한다. 이 핵이 가까워지지 못하는 이유는 둘 다 양전하를 지니고 있어 전기적 반발력이 작용하기 때문이다.
이전에 언급했듯이, 수소 핵이 1억도일 때의 열운동 속도는 약 1,000km/s이다. 리튬과 수소를 융합하려면, 전하를 띤 양성자와 전하를 3개 지닌 리튬 핵이 가까워져야 한다. 이 과정에서 더 많은 에너지가 필요하므로, 융합 온도는 더 높아진다: 5억도. 보론 핵(5개의 전하)과 양성자(일반 수소 핵)의 경우는 더욱 그렇다. 실제로 이 온도는 10억도에 이른다.
이 융합 온도: 1억도, 5억도, 10억도는 현실적으로 보이지 않을 수 있지만, 열운동 속도로 바꿔 생각하면 훨씬 더 구체적으로 느껴진다.
1,000 km/s 1,300 km/s 1,500 km/s
이러한 열운동 속도에 도달하는 것은 필요