35억 도라는 사실에 모두가 신경을 안 쓰고...

35억 도, 그리고 모두가 신경 쓰지 않는다...

37억 도, 그리고 모두가 신경 쓰지 않는다

2006년 7월 2일

지난 6월 19일, 한 독자가 아고라복스 포럼에 다음과 같은 제목의 글을 올렸다:

20억 도. 인류가 절대의 불을 발견했는데 모두가 신경 쓰지 않는다!

300개가 넘는 반응을 불러일으킨 글이다. 한 독자가 이 포럼의 존재를 알려주었기에 나도 참여했다. 그곳에서 오간 이야기에 관심 있는 독자는 아카이브에서 찾을 수 있을 것이다:

http://www.agoravox.fr/article.php3?id_article=10680

나는 빈 페이지 앞에 앉아 무엇을 쓸지, 어떤 어조를 취할지, 어느 수준에 설지 고민하고 있다. 그러한 상황 앞에서 사람은 사건들에, 더 정확히는 이 경우의 ... 비-사건들에 다소 압도당하는 느낌을 받는 것이 사실이다.

이 주제를 다시 다루기 전에, 내가 "Z-머신"과 이 발견에 관해 내 사이트에서 말하거나 쓴 것을 따라온 이들을 위해 말하자면, 6월 25일경 한 기자가 나를 방문했었다. 그는 편집장에게 기사를 제출하겠다며 떠났다. 반응은 즉각적이고 단순했다:

- AFP나 TASS 통신, 어느 통신사에서도 그런 건 못 봤어요.

사실이다. 그러나 이 소식이 퍼진 지 석 달이 지났는데도 모든 나라의 언론과 통신사가 반응하지 않았다. 이건 ... 어처구니없고 ... 두렵기도 하다.

그래서 이제 막 도착한 독자들을 위해 이 이야기의 실마리를 처음부터 다시 풀어가겠다.

모든 것은 2006년 3월 9일, 퓌튀라-사이앙스 사이트에 실린 기사로 시작되었다

http://www.futura-sciences.com/news-z-machine-depasse-deux-milliards-degres_8419.php

이 기사는 사실 뉴멕시코주(미국)에 위치한 샌디아 연구소 사이트에서 나온 매우 공식적인 발표에서 비롯되었다. 모르는 이들을 위해 말하자면 샌디아는 온갖 종류의 무기 프로젝트에 대부분 종사하는 거대한 연구소 단지다. 감을 잡자면, 미국의 두 연구소는 수십 년간 핵무기(그 외의 것도) 설계를 두고 체계적으로 경쟁해 왔다:

샌디아
로스앨러모스 ( 첫 원자폭탄이 "메사" 위에서 설계된 곳이다 )

첫 원자폭탄이 설계된 미국 뉴멕시코주 로스앨러모스 사이트

다시 이야기의 실마리를 잡고 시간을 거슬러 올라가면 2006년 3월 8일자 샌디아 연구소의 이 발표를 찾게 된다:

http://www.sandia.gov/news-center/news-releases/index.html

문제의 발표는 다음과 같다:

"Two billions degrees Kelvin"은 영어로 "20억 절대 도"를 뜻한다

사실 이 발표는 국제적으로 알려진 플라스마 물리학 전문가인 말콤 헤인스(런던 임페리얼 칼리지), 디니(샌디아 Z-머신 실험 책임자) 및 다른 네 명의 연구자가 서명한, 2006년 2월 24일 고수준 학술지 『피지컬 리뷰 레터스』에 실린 충격적인 논문의 출판 직후에 나온 것이다. 위에 인용한 두 링크는 언론 발표만을 가리킨다. 핵심 문서는 인용된 논문이다. 그 중요성 때문에 나는 그것을 구입한 뒤 내 사이트에 다운로드 가능하게 올려두었다.

말콤 헤인스, 디니 등의 논문, pdf

그 첫 페이지는 다음과 같다:

"Over 2 x 109 Kelvin"은 "20억 켈빈 도를 넘어서"를 뜻한다

논문의 최초 투고 날짜인 2005년 5월 13일에 주목하라. 따라서 이 논문은 그 날짜 이전의 실험 결과들을 다룬다.

바로 이것이 사실 흥미로운 문서이며 나는 그것을 샅샅이 분석했다. 나는 이 분석을 과학자들(그리고 과학 기자들)을 위해 했고, 그 앞에 대중화된 요약을 붙였다. 과학 독자나 "과학 지향" 독자는 이 분석을 참조할 수 있다. 그러나 이 페이지, 이 dossier는 최대한 많은 대중을 대상으로 한다. 과학자도 "과학 지향"도 아닌 이들은 이 링크를 건너뛰기 바란다.

헤인스와 디니의 2006년 2월 24일 논문에 대한 나의 분석

핵융합(중성자 생성 및 "a-중성자" 융합)에 관한 일반론, ITER 같은 토카막에서의 핵융합 또는 "관성 가둠" 등 이 dossier의 주제로 돌아가기 전에, 가능한 한 대중화하려 애쓸 것인데, 언급된 논문에서 본질적인 것에 몇 마디 하겠다.

1998년 이래 샌디아(그리고 러시아, 중국, 영국, 프랑스 등 여러 다른 핵보유국에서도, 다만 그렇게 큰 수단은 없이)에서 플라스마 압축 실험이 수행되어 왔다. 목적은 전자기력을 이용해 물질을 압축하여(이는 뒤에서 다시 다룬다) 가열하고, 그리하여 X선을 방출하게 하는 것이었다. Z-머신과 그런 모든 기계는 애초에 핵융합을 겨냥해 설계된 것이 아니었다. 그것들은 단순히 강력한 X선원으로, 100% 군사 용도였으며, 목적은 우주 공간에서 폭발하는 원자폭탄에서 나오는 강한 X선 다발에 대한 탄두의 저항력을 시험하는 것이었다. 그 폭탄은 미사일 방어 무기의 핵심 요소로, 그 목적은 이 강한 조사로 폭탄의 섬세한 유도 및 점화 시스템을 파괴하는 것이다. 1998년 이래 샌디아에서 수행된 실험들은 이온 온도가 비정상적으로 높아야 한다는 것을 보여주었다. 그러나 그것은 측정되지 않았다. X선 방출로부터 측정되던 것은 전자 온도였다. 이온 온도는 추론된 것이었다. 그 방법은 뒤에서 보게 될 것이다. 이상하게도 이 실험들은 전자 온도보다 훨씬 높아야 하는(백 배!) 이온 온도를 낳았다. "이중 온도" 시스템은 ... 당신의 부엌에도 있다. 바로 ... 네온관이다. 네온 이온(전자를 잃은 네온 원자)은 차갑고, 상온이다. 관에 손을 대도 데지 않는다. 반면 전자는 수천 도다(이에 대해서는 뒤에서 다시 다룬다). 샌디아 실험에서는 "이온 기체"가 전자 기체보다 훨씬 뜨거워야만 설명이 가능했다.
2005년 Z-머신 연구자들은 이 이온 온도를 직접 측정할 수 있었고, 그것은 헤인스, 디니 등의 논문에 기술되어 있다. 측정은 앞서 계산된 것을 확인했다. 이 온도는 제목이 말하듯 "20억 켈빈 도를 넘어선다". 그러나 논문(그리고 두 수준으로 된 나의 분석)을 들여다보면 이 온도는 측정 중에 상승하여 실제로 26억 6천만 도에서 37억 7천만 도로 간다. 이 측정들은 100% 신뢰할 수 있다** **(도플러 효과에 의한 선폭 확대 측정으로 온도를 재는 것은 물리학, 특히 천체물리학의 고전이다. 인공적 왜곡은 배제된다).
부차적으로 헤인스와 동료들(그는 이론가다)은 이온을 그렇게 가열하는 메커니즘에 의문을 제기한다. 그는 MHD 불안정성을 언급한다. 이 모든 것 역시 뒤에서 다시 다룰 것이다.

토론 내용은 대다수 독자와 참여자에게 핵융합이 수소의 두 동위원소 혼합물의 융합, 즉

중수소 + 삼중수소가 헬륨과 중성자를 내놓아 14 MeV(메가전자볼트)의 에너지를 나타내는 것

으로 요약된다는 것을 보여주었다.

예를 들어 위키백과의 dossier를 보라:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire

그 안에서는 핵융합 도식의 유일한 삽화 하나만 찾을 수 있다:

1억 도에서 수소의 두 동위원소, 중수소와 삼중수소의 융합 도식

중성자가 가장 많은 에너지를 나르는 것이 보인다. 생성된 헬륨 핵보다 네 배나 많다.

독자들은 이제 다른 핵융합 도식을 머릿속에 새겨 넣어야 할 것이다.

5억 도부터, 리튬과 (경)수소의 융합:

"a-중성자" 리튬-수소 융합

10억 도부터, 붕소와 (경)수소의 융합:

"a-중성자" 붕소-수소 융합

a-중성자인 이유는 중성자가 없기 때문이다. 상대론적 속도로 방출되는 이 중성자들 때문에 토카막(ITER는 토카막이다)이, 이 융합이 주변 구조물을 "활성화"하여 방사능을 만들어낸다. 게다가 이 중성자들은 "자기 가둠"으로 막을 수 없다. 물리적 장애물 외에는 아무것도 그것들을 멈추지 못한다. 노벨상 수상자 드젠이 강조했듯, 그것들은 가둠을 보장하는 초전도 자석 구조물에 극도로 공격적임이 드러날 것이며, 그 구조물은 막대한 비용이 들고 주기적으로 교체될 수도 없다.

에너지는 단순히 헬륨 핵, 그저 그런 헬륨에 의해 운반된다. 방사능은 어디에 있는가? 없다. "핵폐기물"은 어디에 있는가? 답: 헬륨이다. a-중성자 융합 발전소 옆에 살아도 된다. 발전소는 헬륨을 굴뚝으로 배출할 것이고, 그러면 이 기체는 위로 올라갈 것이다. 헬륨은 가볍다. 아니면 풍선을 부풀리는 데 쓰려고 값싸게 회수할 것이다. 현재 헬륨은 엄청나게 비싸다. 그곳에서는 예컨대 태양 에너지로 추진되는, 헬륨으로 부풀린 풍선 형태의 탈것을 상상할 수 있을 것이다. 소형화된 a-중성자 융합 전기 발전기로 그 항공기나 탈것이 작동하지 않는 한은.

이제 독자들이 정당하게 품는 질문에 답해야 한다. 온도란 무엇인가?

기체의 절대 온도 T를 정의하겠다. 이것이 그 정의임을 밝혀둔다. 기체는 질량 m을 가진 입자들의 집합이다. 사방으로 요동치는 입자들. 이 운동을 열운동이라 부른다. 당신이 마시는 공기는 평균적으로 초속 400미터로 돌아다니는 분자들로 이루어져 있다. 평균값이다. 더 빠른 것도 느린 것도 있지만, 모두 같은 속도로 움직인다고 상상해도 큰 오류는 아니다. 왜 이 공기 분자들이 당신의 폐포를 찢지 않는가? 질량이 매우 작은 물체이기 때문이다. 전속력의 공기 분자도 파리 한 마리를 해치지 못한다. 이제 감이 오는가?

토카막에서 절대 온도는 1억 도다. 수소 핵은 초속 약 1000킬로미터로 나아간다. 이것이 그들의 열운동 속도다. 초보 물리학자를 위해 옆의 상자를 보라:

모든 물리학자

기체에서 절대 온도의 정의:

k는 볼츠만 상수라 불리는 상수이며 그 값은

k = 1.38 10

우리는 고급 물리학을 할 것이다. 수소 원자, 즉 양성자의 질량은:

m = 1.67 10

킬로

토카막에 들어가 보자. 온도(작동하는 동안): 1억 절대 도. 내용물

중수소. 핵 질량: 3.34 10

킬로

삼중수소. 핵 질량: 5 10

킬로

반반. 핵의 평균 질량. 4.17 10

킬로

1억 켈빈 도의 절대 온도에서 이 핵들의 평균 열운동 속도는:

분수, 10의 거듭제곱, 제곱근. 당신은 이미 물리학의 절반 이상을 뉴런 사정거리에 두고 있다. 이제 토카막 안에 있는 것은 양전하를 띤 핵과 음전하를 띤 전자의 혼합물이다. 매질은 충돌성이다. 이는 이온과 전자가 서로 많은 에너지를 교환한다는 뜻이다. 토카막의 내용물은 두 기체의 혼합물이라 할 수 있다:

이온 기체, 평균 질량 4.17 10인 무거운 수소 핵의 기체

킬로

질량 0.9 10-30 킬로인 입자로 이루어진 "전자 기체"

충돌은 열역학적 평형 상태를 확립하는 경향이 있다. 이는 매질이 서로 다른 종의 혼합물이라면 모두 같은 온도에 있다는 뜻이다. 같은 절대 온도를 가진다. 여기서는 1억 도다. 그러나 전자 온도, "전자 기체"의 온도란 무엇인가. 같은 방식으로 정의된다.

볼츠만 상수는 변하지 않는다. "공존하는" 두 기체가 "열역학적 평형" 상태라면 온도는 같다. 이는 평균 운동 에너지(열운동)가 같다는 뜻이다.

전자가 더 가볍기에 더 빠르지만 아직 상대론적이지는 않다, 훨씬 멀었다.

모든 물리학자

기체에서 절대 온도의 정의:

k는 볼츠만 상수라 불리는 상수이며 그 값은

k = 1.38 10

-23

우리는 고급 물리학을 할 것이다. 수소 원자, 즉 양성자의 질량은:

m = 1.67 10

-27

킬로

토카막에 들어가 보자. 온도(작동하는 동안): 1억 절대 도. 내용물

중수소. 핵 질량: 3.34 10

-27

킬로

삼중수소. 핵 질량: 5 10

-27

킬로

반반. 핵의 평균 질량. 4.17 10

-27

킬로

1억 켈빈 도의 절대 온도에서 이 핵들의 평균 열운동 속도는:

이온 기체, 평균 질량 4.17 10인 무거운 수소 핵의 기체

-27

킬로

질량 0.9 10-30 킬로인 입자로 이루어진 "전자 기체"

볼츠만 상수는 변하지 않는다. "공존하는" 두 기체가 "열역학적 평형" 상태라면 온도는 같다. 이는 평균 운동 에너지(열운동)가 같다는 뜻이다.

전자가 더 가볍기에 더 빠르지만 아직 상대론적이지는 않다, 훨씬 멀었다.

기체 매질을 고온으로 올리는 것은 이온의 열운동 속도를 높이는 것이다. 50만 °K의 리튬 플라스마에서 리튬 핵의 열운동 속도는 1,330 km/s다. 10억 도의 붕소 플라스마에서는 1,516 km/s다.

계산 세부는 상자에:

50만 °K의 리튬

기체에서 절대 온도:

k는 볼츠만 상수라 불리는 상수이며 그 값은

k = 1.38 10

절대 온도 T의 기체에서 열운동 속도:

리튬 핵의 질량: 핵자(양성자와 중성자) 질량의 7배, 즉:

1.67 10

-27

킬로 = 1.17 10

-26

킬로

이는 우리에게 열운동 속도를 준다:

1,330 km/s

10억 °K의 붕소

절대 온도 T의 기체에서 열운동 속도:

리튬 핵의 질량: 핵자(양성자와 중성자) 질량의 11배, 즉:

1.67 10

-27

킬로 = 1.83 10

-26

킬로

이는 우리에게 열운동 속도를 준다:

1,516 km/s

좀 더 명확해 보이지 않는가?

그러나 이 열운동 속도를 어떻게 만들 것인가? 글쎄, 내가 플라스마를 폭축시켜 폭축 속도가 이 값들에 도달하게 한다면, 이 운동 에너지는 열운동 속도로 변환될 것이다. 아주 간단하다. 에너지는 보존되어야 한다. 과정 중에 복사 손실이 너무 많지 않다면 그렇게 될 것이다.

원자들이 서로 부딪칠 것이다. 충돌은 이 운동 에너지를 모든 방향으로 재분배할 것이다. 어쨌든 폭축 과정은 매질을 가열할 것이다. 그러나 이 온도가 핵융합이 일어날 만큼 충분히 오래 유지될 것인가?

"충분히 오래"란 무슨 뜻인가?

좋은 질문이다. 그리고 이는 핵융합 반응을 만들 수 있는 조건에 대해 숙고하게 한다. 그래서 로슨 기준에 대해 말할 것이다. 아주 간단하고 직관적인 것을 가리키는 거창한 말이다. 오믈렛을 만들려면 달걀을 깨야 한다고 한다. 질량 m의 달걀을 깨고 싶다고 상상하라(달걀이 얼마나 무거운지는 모르지만 상관없다). 달걀들이 굴러다니며 서로 부딪치는 용기가 있다고 상상하자. 두 달걀의 충돌이 파손을 일으키려면:

이 달걀들이 실제로 부딪쳐야 한다
상대 속도가 껍데기를 깨뜨릴 만큼 충분해야 한다

달걀의 질량을 M이라 하자. 누군가 (흥미로운) 실험을 하여 오믈렛의 시작을 얻으려면 충돌하는 두 달걀의 속도가 얼마여야 하는지 밝힐지도 모른다. 이 속도를 V라 부르자. 이 속도가 달걀의 요동 속도라면 열운동 속도로 간주할 수 있다. 속도가 충분하지 않으면 껍데기는 정면 충돌에도 견딜 것이다. 그런데 열운동 속도라면 온도다. 달걀을 핵으로, 껍데기 파손을 핵융합 반응으로 바꾸라. 매질의 온도가 특정 임계값을 넘으면 융합이 일어날 것이다. 중수소-삼중수소 혼합물의 경우 이 최소 온도는 1억 도다. 사실 중수소와 삼중수소의 융합이 일어나려면 이 핵들이 "핵융합 반응"이 일어날 만큼 가까이 접근할 수 있어야 한다. 접근을 막는 것은 둘 다 양전하를 띠어 정전기력의 작용으로 서로 밀어내기 때문이다.

앞서 1억 도의 수소 핵 온도에 연관된 이 열운동, 즉 충돌 속도가 거의 1000 km/s임을 보았다. 리튬과 수소를 융합시키려면 전하를 띤 양성자와 세 개의 전하를 띤 리튬 핵을 접근시켜야 한다. 필요한 일은 더 크다. 따라서 더 높은 융합 온도, 5억 도가 필요하다. 붕소 핵(5 단위 전하)과 양성자(보통 수소 핵)의 경우는 더욱 그렇다. 그 온도는 10억 도가 된다.

이 융합 온도들: 1억 도, 5억 도, 10억 도는 비현실적으로 보일 수 있지만 열운동 속도로 따지면 더 실감난다:

1000 km/s 1300 km/s 1500 km/s

구성 요소들이 이 요동 속도에 도달한다는 것은 필요 조건이지만 충분 조건은 아니다.

요동 속도는 하나의

35억 도라는 사실에 모두가 신경을 안 쓰고...

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

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