핵융합

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核融合 / Nuclear fusion

1. 개요
2. 원리
2.1. 예시
3. 주목받는 이유
4. 핵융합 발전
4.1. 가장 주목받는 방식
4.1.1. 자기장 가둠
4.1.2. 관성 가둠
4.1.3. 관성+자기 가둠
4.1.4. 융합-분열 혼성로(Fusion-Fission Hybrid)
4.2. 기타 방식들
4.2.1. 관성 정전 가둠
4.2.2. 거품 핵융합(Sonofusion)
4.2.3. 뮤온 촉매 핵융합(Muon-Catalyzed Fusion)
4.2.4. 초전 핵융합(Pyroelectric Fusion)
4.2.5. 스핀 편극 핵융합(Spin-Polarized Fusion)
5. 군사적 이용
6. 소문
7. 서브컬처
7.1. 관련 캐릭터
8. 관련 문서

1. 개요

물론 중수소와 삼중수소만 핵융합할 수 있다거나 우라늄만 핵분열이 되는 것은 아니다.

고온에서 가벼운 원자핵들을 융합시켜 더 무거운 원자핵이 되는 과정에서 에너지가 생성되는 현상이다. 태양 같은 항성의 에너지 발생과 같다. 인공적인 핵융합은 조그맣고 수명도 짧은 태양을 만드는 작업이라고 할 수 있으며, 열핵폭발의 과정을 느리게 하는 것과 같다.

2. 원리

쿠르츠게작트의 핵융합에 관한 영상

모든 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있다. 중성자는 전하가 0이므로 계산에서 제외된다. 원자에 종속된 전자는 외부의 에너지를 받으면 가장자리에서부터 차례로 떨어져 나가는데, 이렇게 떨어져 나간 전자를 자유전자라고 한다. 원자에 가해지는 에너지의 양이 충분히 막대하여, 원자에 종속된 모든 전자가 떨어져 나갈 수 있을 정도가 된다면, 원자는 원자번호[1]만큼의 자유전자를 방출하고 양성자에 의해 양전하를 띠는 원자핵만이 존재하는 입자가 된다. 이러한 상태를 플라즈마라고 한다.

본래라면 이 원자핵은 서로 충돌하기 전에 전자기력에 의한 척력이 작용해 서로 결합할 수가 없다. 하지만 초고온으로 가열되어 원자핵의 운동 에너지가 매우 높아지면 이 척력을 이겨내고 원자핵이 충돌하며, 이렇게 원자가 가까워지면 그 이후부터는 강한 핵력이 작용해 원자핵이 서로 결합하게 된다. 이 결합 과정을 핵융합이라 한다. 이때 충돌하기 전 두 원자핵을 합친 질량보다 생성된 원자핵의 질량이 더 작은데, 그 질량 차만큼 질량-에너지 동등성에 의하여 에너지가 발생한다.[2]

핵융합은 수소 같은 작은 원소들이 융합하며 헬륨, 리튬과 같이 더 무거운 원소로 합쳐진다. 가벼운 원자핵 2개 합쳐지면 그 생산물인 원자핵 1개보다 더 질량이 나가므로 질량차가 발생한다. 핵분열에서 무거운 원소가 작은 원소로 쪼개지는 현상과 비교할 수 있다.

태양을 포함한 우주의 모든 항성은 막대한 중력으로 고압고온의 환경이 조성된다. 원자핵들 사이의 전자기적 반발력을 이겨내고 핵융합이 발생한다. 태양은 핵에서 핵융합이 발생한다. 태양은 플라즈마 상태인 기체가 구 모양으로 뭉친 덩어리라고 할 수 있다. 중력은 전자기력이나 핵력에 비해 매우 약한 힘이지만 막대한 물질의 양으로 이를 이겨낸다. 때문에 엄청난 무게에 짓눌린 태양의 핵은 매우 높은 압력을 받게 되고 핵융합이 발생한다. 태양 핵의 온도는 핵융합이 일어나는 데 보통 필요한 온도인 섭씨 수억 도에 비해 훨씬 낮은 온도인 섭씨 1500만도 이다. 대신 2600억 기압이라는 높은 압력으로 핵에서 안정적으로 핵융합이 발생할 수 있다. 핵융합 연료로 쓰이는 원자핵의 수가 엄청나게 많아 극히 낮은 확률로 발생하는 양자 터널링 현상이 빈번하게 일어나 낮은 온도에도 핵융합을 유지할 수 있다. 여기서 양자 터널링 현상은 낮은 에너지 상태에 있음에도 반응에 필요한 에너지 장벽을 양자적 효과로 넘어설 수 있는 상태를 말한다. 이를 중력 가둠 핵융합이라고 하며 항성의 종류와 나이에 따라 양성자-양성자 체인 반응, CNO 사이클, 삼중 알파 과정 등의 다양한 핵융합 반응이 일어난다. 모든 항성의 핵융합은 가장 가벼운 연료(수소)부터 시작해 철(정확히는 철의 동위원소 중 하나인 Iron-56)이 발생할 때까지 일어나게 된다.

우주 탄생 초기 우주의 온도는 아주 높았다. 수소 원자가 생성된 후 온도가 핵융합할 수 없을 정도로 되었을 때까지 핵융합을 계속 해 왔다. 때문에 우주 원소들의 성분비도 여기에 맞춰서 수소가 가장 많고 그 다음은 헬륨, 리튬 순이 되었다.

여느 반응이 그렇듯 모든 반응은 계 전체의 관점에서 보았을 때 가장 안정한 형태를 향해 진행된다. 앞서 설명했듯이 핵융합은 원자핵의 결합 에너지가 가장 큰 철이 되려는 경향을 보인다. 따라서 철보다 가벼운 원자핵끼리 반응하면 질량이 에너지의 형태로 변환되면서 질량이 줄어들게 된다. 이 이론은 초기에 그러면 우주에 다양하게 존재하는 철보다 무거운 원소는 어떻게 생성되었나를 설명하지 못했는데, 후일 초신성이라는 어마어마하게 높은 온도가 발생하는 존재가 본격적으로 확인되면서 해결되었다. 철보다 무거운 원소는 핵융합을 진행하면서 오히려 주변의 에너지를 흡수한다![3]그래서 우라늄이 핵분열할 때 에너지를 내놓는 것이다. 상식과는 다른 부분. 초신성 항목 참조. 반대로 중수소부터 망간까지는 핵분열 시 에너지를 흡수한다고 추측되지만 정말 그런지는 아직 밝혀지지 않았다. 중성자를 충돌시키면 베타붕괴를 할 뿐 핵분열을 하진 않으니 다른 방법으로 강제로 떼어내야 하기 때문이다. 그러나 핵융합 시 에너지를 방출하는데 핵분열 시 에너지를 흡수하지 않는다면 그것은 곧 열역학 제1법칙의 붕괴를 의미한다.

참조: 중력붕괴, 수브라마니안 찬드라세카르

2.1. 예시

존재하는 원소들의 대부분은 핵융합 과정으로 형성된다. 주계열성은 수소 핵융합 반응을 통해 에너지를 만든다. 별이 늙어가며 내부의 수소를 거의 다 쓰고 내부 온도가 1억 K에 도달하게 되면, 헬륨 핵융합 반응을 일으키며 베릴륨-8을 거쳐 탄소를 만들어낸다. 이후에는 탄소, 네온, 마그네슘, 산소 반응을 거치며 별의 중심 온도가 27억~35억 켈빈에 도달하게 되고, 최후의 핵융합 반응인 규소 핵융합 반응을 시작한다. 이 과정에서 황, 아르곤, 칼슘, 타이타늄, 크로뮴, 철, 니켈이 만들어진다. 이렇게 생성된 니켈-56은 방사성 붕괴를 일으켜 철-56으로 변한다. 철-56 이후로는 핵융합 반응을 하면 에너지를 소모하게 되어(흡열 반응), 별의 중력이 외부를 끌어당겨 수축하는데 이때 엄청난 열이 발생하여 중심핵의 외피 부근에 폭발적 핵반응이 일어나면서 별 전체가 폭발한다. 이것이 초신성이다.

태양과 비슷하거나 그보다 작은 항성에서 이루어지는 수소와 수소의 핵융합을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

  • 수소 원자가 두 개 있다. 수소 원자는 양성자 하나와 전자 하나로 구성되었으니, 양성자 두 개와 전자 두 개라는 재료가 주어진 셈이다.
  • 수소 원자를 이온화시켜 전자와 원자핵을 분리한다.
  • 주어진 재료를 있는 힘껏 충돌시킨다. (여기에 필요한 에너지는 항성을 구성하는 물질을 압축하고 가열하는 중력에서 얻는다)
  • 전자기력에 의해 척력만 받는 (중력, 약력은 일단 논외) 전자와는 달리, 양성자들은 강한 힘으로 억지로 붙이면 강력으로 서로 끌어당긴다. 하지만 양성자 두 개는 불안정하다. 고로 안정화되어야 한다.
  • 이들이 서로 충돌할 때, 일정량의 에너지를 가진다(두 양성자가 충돌 전에 가지고 있던 운동에너지). 그 중 일부를 양성자 하나가 흡수한다. 이제 고에너지상태로 불안정해진 양성자는 약력으로 인한 베타붕괴로 인해서 양전자중성미자를 뱉어내면서[4] 더 무거운 중성자가 된다.[5]
  • 중성미자는 그대로 멀리 날아간다. 이 중성미자가 얼마만큼의 에너지를 낸다.
  • +전하를 띤 양전자는 주어진 두 개의 전자 중 하나와 합쳐진다. 그런데 양전자는 반물질이다. 고로 전자와 양전자가 충돌하여 쌍소멸하면서 전자 두 개 분량의 에너지를 감마선의 형태로 방출한다.
  • 결국 양성자 하나와 중성자 하나와 전자 하나가 나온다. 그리고 어느 정도 에너지를 갖고 튀어 나간 전자 중성미자와 전자와 양전자가 충돌하면서 에너지를 방출한다.

{}_{1}^{1}\mathrm{H} + {}_{1}^{1}\mathrm{H} = {}_{1}^{2}\mathrm{H}[6] + e^{+} + ν_{e}

\mathrm{D} + {}_{1}^{1}\mathrm{H} = {}_{2}^{3}\mathrm{He} + γ + energy

{}_{2}^{3}\mathrm{He} + {}_{2}^{3}\mathrm{He} = {}_{2}^{4}\mathrm{He} + {}_{1}^{1}\mathrm{H} + {}_{1}^{1}\mathrm{H} + energy

e^{-} + e^{+} = 2γ + energy

원자핵이 가진 위치에너지가 열에너지로 전환되는 과정이다. 이때 계의 질량-에너지는 보존되며 엔트로피는 증가한다.

반대로 철보다 무거운 원자핵들은 척력을 이길뿐만이 아니라 융합 과정에서 소모하는 에너지까지 공급해줘야 한다. 그러므로 더더욱 많은 에너지를 투입해야만 하기 때문에 무거운 방사성 동위원소를 만들 때는 입자가속기나 초신성과 같은 환경하에 막대한 에너지를 가해줘야 한다[7]. 무거운 원자핵들은 융합할 때보다 분열할 때 에너지를 더 많이 방출하며 우라늄이 분열하면서 방출하는 에너지가 그 예시다. 이게 핵분열이다. 우주에서도 일반적인 항성에서는 철보다 무거운 입자는 융합하지 못한다. 융합되면 초신성이라고 파악되는 편.

3. 주목받는 이유

핵융합 발전은 다음과 같이 매우 강력한 장점들을 지니고 있다.

  1. 매우 높은 연료 효율: 약간의 연료로도 발생하는 에너지가 어마어마하다. (수소 1 g당 약 638 GJ)
    • 경수소 핵융합 반응에서 일어나는 질량 결손의 비율은 약 0.71% 정도로,[8], 우라늄-235 핵분열 반응에서 일어나는 질량 결손율(약 0.1%)의 약 7배에 달한다. 즉, 같은 질량의 연료를 소모했을 때 핵융합 반응이 핵분열 반응보다 7배나 더 많은 에너지를 내놓는다. 연료가 우라늄보다도 효율적이기 때문에, 화력발전소와는 당연히 비교가 안 된다. 수소 1g의 핵융합 에너지는 석탄 21t, 또는 석유 약 60드럼[9]의 화학 에너지와 맞먹는다.

이론적으로 수소 50kg만 있으면 1GW급 핵융합발전소를 1년 동안 운영할 수 있다. 계산상으로 수소 1,000t만 있어도 1년 동안 다른 에너지 공급수단 없이도 전 세계가 에너지 걱정 없이도 살 수 있을 만큼의 에너지가 나온다.
  1. 매우 풍부한 연료의 매장량: 연료인 수소는 '그냥 바닷물'을 퍼와서 증류하고 분해하면 끝이라 간단히 분리할 수 있으며, 지구와 우주에 매우 풍부하다.
    • 경수소가 아닌 중수소만 따져도 바다에 약 2.265×1016 kg(22조 6500억 톤)이나 매장되어 있다.[10] 여기에서 1.313×1031J의 에너지를 얻을 수 있는데[11], 이는 2018년 기준 전체 인류의 에너지 소모량(약 20TW)을 6.57×1017초, 즉 200억 년 동안이나 현재 인류의 에너지 소모량을 전부 감당할 수 있는 양이다. 여기에 경수소까지 전부 다 핵융합에 동원할 경우 발전량은 이것보다 훨씬 늘어난다.

이에 비해서 우라늄의 확인 매장량은 550만 톤(5.50×109 kg), 추정 매장량은 약 1000만 톤이며, 석탄의 경우 약 9090억 톤(9.09×1014 kg)이다. 단순히 생각해봐도 핵분열이나 연소는 원소가가 높은, 다시 말해 '높게 쌓아올린 것'을 무너뜨리면서 에너지를 얻는 것이고, 핵융합은 작은 조각들을 합치면서 에너지를 얻는 것이다. 온 우주에 높게 합쳐진 물질이 많을지 단순한 물질이 많을지는 불을 보듯 뻔하다.미래에 인류가 우주에 진출해도 걱정할 필요가 없는데, 수소는 우주 전체에서 가장 흔한 원소이기 때문이다. 훗날 목성토성에서 채집할 수 있는 수소의 양은 지구에서 얻을 수 있는 수소의 양과는 차원이 다르며, 이것까지 합칠 경우 전 인류가 태양계 멸망까지 에너지 걱정 없이 풍족하게 살 수 있게 된다.
  1. 매우 높은 안전성: 화력/핵분열 발전소와 달리 대형사고 발생 위험이 전혀 없다. 핵융합 발전소보다 집에 있는 가스레인지가 더 위험하다.
    • 흔히 일반인들이 오해하는 것 중 하나가 '핵융합 발전소에서 발생하는 사고는 핵분열 발전소의 경우보다 더 심각할 것이다.'인데, 핵융합 발전은 핵분열 발전과 달리 사고 발생 시 문제가 되는 연쇄 반응, 즉 핵폭발과는 원천적으로 아무런 관련이 없다.

핵융합 발전은 극소량의 수소를 필요할 때마다 융합로에 조금씩 투입해서 연료를 보충하는 방식으로 이루어지며, 반응로 안에서 핵반응 제어에 문제가 생기더라도 폭발이 일어날 만큼의 연료가 없다.[12] 핵융합 발전에 사용되는 연료인 수소는 매우 엷은 플라스마 상태로 반응로에 가둬지는데, 수소 플라스마는 고체와는 달리 밀도가 매우 낮아서 부피 당 열에너지 수용량이 지극히 낮다.[13] 이 때문에 제어에 실패해서 플라스마가 반응로 내벽에 부딪히더라도 반응로가 녹는 참사는 발생하지 않고, 오히려 플라스마가 식어서 핵반응이 중단되는 것에 그친다. 간단히 말해 핵융합 반응 제어에 실패해도 자기가 알아서 식어버리기 때문에 대형 참사가 발생할 일은 전혀 없다는 뜻이다.[14] 그러면 왜 핵분열은 우라늄을 조금씩 넣어서 안전하게 할 수 없냐면, 핵분열은 연쇄반응이 일어나기 위한 임계질량이라는 게 존재하기 때문이다. 일정 이상 모아두고 중성자 감속재를 이용해서 연쇄반응을 천천히 제어하는 방식이기 때문에 무슨 우라늄을 0.1g 씩 넣으면서 분열을 살살 일으킬 수 없다. 일정한 화력을 지속적으로 공급해야 하는데 우라늄의 양이 작으면 연쇄반응도 지속되지 않는다. 물론 지속적인 중성자원이 따로 있다면야 이론적으로는 가능하겠지만 당연히 중성자원도 공짜는 아니다. 원전을 처음 가동할 때 연쇄반응을 시작하기 위해 캘리포늄과 같은 중성자원을 이용하는데, 이 원소는 엄청나게 비싸다.[15], 핵융합 발전소에서 생각해볼 수 있는 그나마 가장 큰 사고는 D-T 반응로가 망가져서 삼중수소가 유출되는 사태이다. 그런데 원자로 운영에 필요한 삼중수소는 수백 g에 불과하기 때문에 이 미량의 삼중수소가 누출될 일도 없고, 누출되더라도 순식간에 무해한 수준 미만으로 희석되어 환경에 미치는 영향은 미미할 것이다. 게다가 삼중수소의 반감기는 12.3년에 불과하며 투과력이 약한 베타선만을 방출하기 때문에 플루토늄-239처럼 24000년에 달하는 긴 반감기를 갖고 강력한 방사선을 뿜어대는 위험한 방사성 동위원소들에 비하면 위험성은 극히 낮다. 단지 삼중수소가 비싸기 때문에 금전적인 손실만 일어날 뿐, 핵융합 발전소에서 사고로 누출될 수 있는 극미량의 삼중수소가 인체에 미치는 영향은 거의 없다. 이처럼 핵융합 발전은 구조상 체르노빌 원자력 발전소 폭발 사고후쿠시마 원자력 발전소 사고, 또는 화력 발전소에서의 분진 폭발[16]과 같은 대형 참사가 일어날 가능성이 원천적으로 없기 때문에 마음 놓고 사용할 수 있다.
  1. 매우 높은 환경 친화성: 유해물질을 거의 발생시키지 않는다.
    • 핵융합 발전의 경우, 수치상의 방사선 자체는 핵분열 발전보다 더 많이 나온다(약 10,274Sv/h). 그러나 핵분열 후 생기는 생성물 자체가 방사능 물질인 핵분열 발전과는 달리, 핵융합 발전소의 반응생성물은 방사능을 띠지 않는 헬륨이며, 인류 문명에 이롭기까지 하다. 핵융합 발전소에서 나온 헬륨은 풍선으로 만들어 팔아도 문제가 되지 않을 만큼 안전하며[17], 초극저온 연구에 필수적인 액체 헬륨으로 만들어 과학 발전에 유용하게 사용할 수도 있다. D-D 반응 및 삼중수소의 붕괴 부산물로 헬륨-3도 소량 발생하는데, 이 헬륨-3는 현재로서는 '없어서 못 구하는' 귀한 물질이며, 나오기만 한다면 다시 반응로에 넣고 연료로 재사용할 수도 있어서 많이 배출되면 오히려 더욱 좋은 물질이다.

이처럼 환경에 무해한 헬륨을 배출한다는 점에서, 대량의 황산화물(SOx), 일산화탄소, 이산화탄소, 미세먼지 등 유해물질들을 대기 속으로 뿜어내는 화력발전소, 그리고 인체에 유해하고 처치도 곤란한 방사성 생성물을 부산물로 배출하는 원자력발전소와는 대조된다.핵융합 발전에서 거의 유일하게 문제가 되는 것은 중성자선인데, 중성자선은 고속 중성자의 흐름이다. 고속 중성자는 반응로를 방사화(Neutron activation)시키는데, 대량의 반응생성물까지 다 신경 써서 환경으로부터 격리해야 하는 핵분열 발전과 달리 핵융합 발전은 반응로를 폐기할 때에만 잘 버리면 되므로, 결국 환경에 유해한 폐기물의 양은 핵분열 발전에 비해 어마어마하게 적게 배출된다. 그리고 중성자 방사화 문제는 핵공학자들도 잘 알고 있는 사실이며 원자로에도 해당하는 문제이므로(핵분열시 중성자가 발생한다) 이미 방사화 문제를 줄이기 위한 저 방사화 소재에 대한 연구가 많이 진행되어 있다. 이에 더해 아예 방사화를 원천 차단할 방법으로 액체 금속 블랭킷 및 디버터(Blanket, Divertor)[18]에 대한 연구도 진행중이다.

핵융합 이후 막대한 에너지가 방출되는데, 이것은 아인슈타인의 질량과 에너지의 등가성(等價性)의 원리(&lt;math&gt;E=mc^2&lt;/math&gt;)에 의해 정확히 계산된다. 태양과 같은 은 그 빛과 열에너지가 핵융합에서 생긴다. 수소 1kg이 핵융합하면 1kg의 헬륨이 나오는 것이 아니라 0.9929kg의 헬륨이 만들어지는데, 이 때 사라진 0.0071kg의 질량이 에너지로 전환되어 약 638TJ의 막대한 에너지가 나온다.[19] 이런 원리로 태양은 매초 400만톤의 질량을 에너지로 전환하여 그 밝기를 유지하고 있다.

즉 위험성, 환경 영향, 효율 등 현재 산적되어 있는 에너지에 대한 문제들을 모조리 해결할 수 있는 데우스 엑스 마키나이다. 성공만 한다면 말 그대로 태초부터 지구의 모든 에너지의 원천이었던 태양을 이 땅에 강림시킬 수 있다. 그야말로 기존의 인류가 이뤄내 온 과학적 성취와는 차원이 다른, 문명사적인 진일보를 이끌어낼 수 있는 혁명적인 기술인 것이다.

이와 같이 강력한 장점들이 매우 많기 때문에 차세대 인류의 에너지 창출원으로 주목받고 있다. 지구의 생태계 거의 전부가 여태껏 태양에너지 기반의 생활[20]을 했으므로 핵융합 자체는 완전히 새롭지는 않지만, 그것을 인류가 제어하게 된 것은 처음이다.

이런 장점들을 고려해봤을때, 근미래에 상용화가 된다면 기존의 화력, 수력, 풍력, 조력, 태양열 발전은 물론이고 핵분열 발전까지 전부 대체할 수 있는 그야말로 완벽한 미래의 발전 방식으로 자리 잡을 것으로 예측된다. 스티븐 호킹 또한 핵융합 발전이 인류를 종말에서 구할 수 있는 첫 번째 단추라고 했을 정도로, 선택사항이 아닌 인류의 무궁한 발전을 위한 필수 사항이 된 것이다.

하지만 이러한 장점들에도 불구하고 아직은 기술력 부족으로 인해 유의미한 수준으로 핵융합을 실현하지는 못하고 있는 상태이다.

4. 핵융합 발전

핵분열과 마찬가지로, 막대한 에너지를 발전에 이용할 수 있다. 하지만 이를 위해서는 여러 산을 넘어야 한다. 일단 핵융합 반응이 일어나려면 매우 높은 온도나 압력이 필요하다. 가장 유리한 조건인 중수소-삼중수소(D-T) 반응의 경우만 해도 실용화를 하기 위해서는 대략 2억K 정도의 이온 온도가 필요하며, 이 외에 중수소-중수소(D-D), 중수소-헬륨3(D-He3), 양성자-붕소(p-B11) 등의 경우는 핵융합이 일어나기 위한 조건이 훨씬 까다롭다.[21] 따라서 현재까지는 DT 반응이 핵융합 발전의 가장 이상적인 모델이며, 삼중수소는 자연 상태에서 획득하기 어렵지만, 리튬에 중성자를 충돌시켜 인공적으로 생산해 낼 수 있다.

핵융합로가 점화 조건[22]에 이르기 위해서는 기본적으로 로슨 조건(Lawson Criterion)이라는 온도와 밀도, 가둠 시간에 대한 특정 값을 만족해야 한다. 이것은 기본적으로 플라즈마의 전자 밀도에 플라즈마 감금 시간을 곱한 값(neτE)과 온도 사이의 관계이다. 이 관계는 밑의 그래프처럼 나타나며, D-T 반응이 가장 달성하기 쉬운 반응임을 보여준다[23].

현재 핵융합 발전을 위해 연구되고 있는 메커니즘은 여러 가지가 있으나 이곳에선 3개를 거론한다. ITERKSTAR를 비롯해 대표적으로 토카막을 이용하는 자기장 가둠(Magnetic Confinement) 방식이 그 중 하나고, 다른 하나의 방법으로는 미국 국립점화시설 등에서 연구되고 있는 관성 가둠(Inertial Confinement Fusion, ICF) 방식, 자기 가둠과 관성 가둠의 혼합 방식(MTF, MIF, MagLIF 등)이다.

4.1. 가장 주목받는 방식

4.1.1. 자기장 가둠

자기장 가둠 방식의 발전이 이뤄지는 기본 구조 자체는 매우 간단하다. "핵융합로에 중수소와 삼중수소를 넣는다. → 융합로에 자기장을 걸어 중수소와 삼중수소로 이뤄진 플라즈마[24][25]를 가둔다 → 플라즈마를 초고온으로 가열한다. → 자발적으로 핵융합 반응이 일어난다. → 핵융합 반응으로 얻은 에너지로 증기를 발생시킨다 → 증기로 터빈을 돌린다."[26] 다른 나머지 과정은 화력 발전이나 핵분열 발전과 거의 일치하며, 핵융합 반응 단계를 좀 더 자세히 살펴보면, 중수소와 삼중수소가 융합되어 고에너지의 알파선과 중성자선이 발생한다. 먼저, 알파선은 전하를 가지고 있으므로 자기장에 영향을 받기 때문에 플라즈마를 벗어날 수 없고, 알파선이 가진 에너지는 열로 전환되어 플라즈마를 가열하는 데 소모되며,[27] 에너지를 잃은 알파선은 평범한 헬륨핵으로 변해 융합로 밖으로 배출된다.[28] 다음으로, 중성자선은 전하가 없으므로 전자기장의 영향을 받지 않고 플라즈마 밖으로 빠져나와 외부의 리튬 블랭킷에 충돌되고 새로운 삼중수소를 발생시킨다.[29] 또한 중성자선이 가진 에너지는 리튬 블랭킷에 전달되어 블랭킷을 가열하며 이 에너지를 통해 터빈을 돌려 전기를 생산하게 된다.

보통 수억도의 플라즈마를 어떻게 보관하는가가 가장 큰 문제라고 생각하겠지만, 자기장으로 가둬버리는 이론적 방안이 핵융합 개발의 초기부터 마련되어 있었으므로 과학자들은 이는 별로 문제 될 것이 없다고 생각했었고, 핵융합 발전의 상용화에 대한 전망은 매우 고무적이었다. 문제는 자기장을 어떤 모양으로 만드냐는 것. 자기장 가둠 방식의 기본은 도넛 모양의 가둠이다.[30] 반지 모양의 자기 코일을 도넛 모양으로 배치해 그 안에 플라즈마를 가두는 것. 하지만 여기에도 구조적으로 플라즈마가 불안정해지게 하는 요소가 담겨있으니, 도넛 모양의 자기장 가둠 장치 구조상 플라즈마에 작용하는 외부 자기장은 도넛 바깥 방향으로 약해지기 때문에 플라즈마 내의 이온과 전자가 쏠리면서 상하로 움직이고 퍼텐셜 차에 따라 내부 전기장이 생기게 된다. 그러면 다시 이 전기장 때문에 플라즈마가 전체적으로 도넛 바깥쪽으로 휘어 벽과 닿아서 붕괴.[31] 이를 막기 위해서는 플라즈마 띠 자체를 꼬아 줘야 한다. 이온과 전자를 위아래로 섞어 전기장을 상쇄하려는 것. 이때 자기장 가둠 방식에 회의를 가지고 관성 가둠 방식으로 선회하는 학자들이 많았다.

그러다 1958년에 소련의 연구진이 이 문제를 획기적으로 해결할 장치를 개발하는데, 그것이 바로 토카막(Tokamak)이다.[32] 토카막은 플라즈마에 전류를 흐르게 해 유도 자기장을 만들어 나선 운동을 하게 유도하는 방식을 취한다. 이로서 아예 제어가 거의 되지 않았던 초기의 다른 도넛 모양의 관성가둠 방식에 비해선 플라즈마 가둠 시간이 비약적으로 향상되었다. 그래도 토카막이라고 해도 플라즈마를 무한정 장기간 안정된 상태로 유지할 수 있는 건 아니다. 따라서, 현재 토카막으로 대표되는 자장 가둠 발전의 상용화의 가장 큰 관건은 이 가둠 시간을 얼마나 오래 유지할 수 있는가이다. 당연히 토카막이라는 발상은 핵융합 발전의 문제점을 뚫어주는 단비 같은 존재였기 때문에 자기장 가둠 방식을 연구하던 대다수 학계와 국가들은 이 방식에 몰두하게 되며 특히 1970년대 이후부터 연구되는 대다수의 핵융합 실험로들은 토카막 방식일 정도로 대세가 된다. 이후 미국의 TFTR[33]과 유럽연합의 JET 토카막 장치는 중수소-삼중수소 융합반응을 실증해 보였으며, 일본의 JT-60 핵융합로는 이론적으로[34] 에너지 증폭률(Q)[35]=1을 달성하여 Breakeven(임계조건)을 달성하는 성과를 보이는 등 계속된 실험들은 자장 가둠 핵융합이 충분히 손익분기점을 넘길 수 있는 가능성이 있음을 확인시켜 주었다[36]. 특히 1982년 독일의 ASDEX 토카막은 플라즈마 가둠 성능을 크게 향상시키는 H-Mode를 발견하여 토카막 연구에 새로운 지평을 열어주었다.

1990년대 이후부터는 전자기술 및 컴퓨터 기술의 급속한 발전에 힘입어 핵융합 분야에도 많은 진보들이 이루어지고 있다. 각종 측정 장비들의 성능이 크게 향상되고 가격도 낮아지면서 연구에 도움이 되고 있으며, 특히 슈퍼컴퓨터의 성능이 비약적으로 향상되면서 이론 플라즈마 물리에서도 많은 진전을 이루고 있다. 이에 더해서 과거에는 플라즈마를 유체[37]나 하전입자들의 집합(Particle-In-Cell 방법)으로 취급하여 모델링하였는데, 80년대 후반 플라즈마를 이루고 있는 하전입자들을 입자가 아닌 고리로 취급[38]하는 Gyrokinetic 방법이 도입되면서 컴퓨터로 플라즈마를 더 간편하게 사실적으로 모델링할 수 있게 되었다. 또한 기계학습을 비롯한 인공지능 기술을 이용하여 실험 결과의 처리나 플라즈마 물리에 대한 이해를 향상시키는 방법도 시도되고 있다.

한편, 세계의 여러 나라가 손잡고 함께 만들고 가동할 ITER 역시 토카막 방식으로 짓기로 결정되었으며, 상용화 가능 최소 에너지 증폭률(Q=10)을 달성하는 것을 목표로 건설되고 있다. ITER 이후에는 핵융합 발전의 상용화를 위한 연구가 진행될 DEMO가 건설될 예정이다. 우리나라에서는 현재 가동 중인 KSTAR 토카막 장치가 2016년에 70초간 플라즈마를 유지하는데 성공하였고 2020년대에 300초에 도달할 것을 목표로 하는데, 이는 장시간 플라즈마를 유지하는 데 있어서 다루어져야 할 물리적 현상들을 300초면 모두 확인할 수 있기 때문이다. KSTAR 이후로는 ITER과 비슷하게 핵융합 발전의 상용화를 위한 연구가 진행될 K-DEMO가 건설될 예정되어 있다.

그런데 스텔러레이터(Stellarator)라는 방식도 존재한다. 겉으론 매끈하고 평범한 도넛 모양의 토카막과 달리 스텔러레이터는 아예 뫼비우스의 띠처럼 여러 번 꼬아서 만든 모양이다. 이론상으론 소련의 토카막보다 먼저 미국의 라이먼 스피처가 1951년에 고안한 것이지만 당연히 설계와 건설에서부터 괴악한 난이도를 자랑하기 때문에 토카막이 1970년대부터 활발히 연구되고 건설된 것에 비해 별로 주목받지 못하였다.[39] 그러다가 90년대가 되면서 슈퍼컴퓨터의 도움으로 상대적으로 쉽게 설계 및 시뮬레이션이 가능해졌고 여러 나라에서 관심을 가지게 되었다. 스텔러레이터는 토카막과 달리 플라즈마 자체에 전류를 흘릴 필요가 없어 플라즈마 유지에는 더 탁월하다[40]. 도넛형 모양을 유지하게 하는 자기 코일 외에도 나선형 코일을 추가 배치해 자기장에 의한 플라즈마 회전 경로를 기하학적으로 풀어 플라즈마 스스로 수축되게 만드는 핀치 원리를 이용했기 때문. 이러니 당연히 만드는게 빡시다. 그래도 2015년 12월 독일이 스텔러레이터 디자인을 도입한 세계 최대 핵융합로인 벤델슈타인 7-X를 완공하였다. 이 실험로에서의 결과에 따라 다른 나라들도 스텔러레이터를 진지하게 고민하게 될 듯 싶다.[41] 하지만 ITER이 토카막 방식으로 하기로 확정이 된 상황이라 자금적 여유가 없는 나라들은 토카막 방식을 유지할 것 같다.[42] 현재까지의 실험으로 이 두 가지 방법은 장단점이 명확히 갈리는데, 토카막은 플라즈마의 온도나 밀도에서 우위지만 반응시간 유지가 힘들고 스텔러레이터는 반응시간 유지에는 탁월한데 플라즈마의 온도나 밀도가 뒤떨어진다.

스텔러레이터의 하위 변종으로는 토카막과 스텔러레이터를 섞어서 만든것 같은 헬리오트론(Heliotron), 스텔러레이터 방식에서 외장 자기 코일을 제거하고 나선형 코일만 이용하는 톨사트론(Torsatron), 독일의 Wendelstein 7-X가 채용한 헬리아스(Helias)와 같은 방식들이 있다. 현재 헬리오트론 방식의 스텔러레이터는 일본의 LHD(Large Helical Device: 거대나선장치)가 유명하며 톨사트론 방식 또한 독일 등지에서 소규모로 제작되기도 하였다. 일단 토카막이 가장 대중적이며 일반인들에게도 널리 알려진 방식이다.

핵융합 발전(發電) 기술의 발전(發展)은 냉전의 도움이 대단히 컸다고 볼 수 있다. 냉전 초기 미국과 소련 양국 모두 핵무기에 필요한 핵물질의 생산 속도가 대단히 느린 점에 불안감을 가지고 있었고, 짧은 시간 동안 대량의 핵물질을 생산해낼 수 있는 방법을 경쟁적으로 찾고 있었는데, 양자 모두 핵융합로가 효과적인 중성자 증식로로 사용될 수 있다는 점에 주목했다. 앞서 설명한 리튬 블랭킷을 우라늄 블랭킷으로 교체하는 것만으로도 핵융합로는 최고의 플루토늄 생산로로 완벽히 탈바꿈된다. 평시에는 발전소로 사용하던 시설을 그대로 전시에는 최고의 핵무기 생산 공장으로 활용할 수 있다는 점은 양국 수뇌부에게 금상첨화가 아닐 수 없었고, 중성자 증식로로 사용할 수만 있다면 심지어 핵융합 발전에 실패해도 나무랄 바 없었다. 결국 미소 양국 모두 제사보다는 제삿밥에 관심을 가지고 핵융합 발전에 전폭적인 지원을 하게 되었다. 현재 핵분열 발전소를 운용하는 나라들이 엄청나게 쌓여가는 플루토늄으로 골머리를 앓는 것을 보면 엄청난 아이러니. 미국과 소련외에 다른 나라들이 핵융합 발전에 별로 관심을 두지 않다가 오일 쇼크 이후에 본격적으로 핵융합 발전에 투자하기 시작한 것도 같은 맥락에서 이해할 수 있다. 또한 관성 가둠 방식이 미국에서 유일하게 연구 되고 있는 것도 같은 이유다. 미국과 소련을 제외한 다른 나라들은 모두 토카막의 개발 이후 핵융합 발전에 뛰어들었으므로 관성 가둠 방식에 관심을 가질 필요가 없었고 그 이전부터 핵융합 발전을 연구하던 소련이 망하면서 미국과 러시아만 남게 된 것이다. 물론 미국이 관성 가둠 방식을 계속 연구하는 데는 레이저 기술 향상의 목적도 있다.

2016년 12월 14일 대한민국의 KSTAR가 H-모드를 70초정도 유지했다고 발표했다. 올해 가능할 거라고 언급되었던 플라즈마 100초 유지 목표는 중간에 내열소재에 문제가 생기면서 내년으로 미뤄졌지만 차세대 핵융합로 운전 모드 중 하나인 'ITB(Internal TransportBarrier, 내부수송장벽) 모드'를 구현했다는 점에서 의의가 있다.

최근에는 큰 베타값[43]을 갖는 구형(Spherical) 토카막에 주목하는 기관들도 있다. 사실 구형 토카막은 실험로로는 많이 연구됐었지만[44] 본격적인 발전용으로는 크게 주목받진 못했는데 요즘 발전용으로도 자주 거론되고 있다. MIT의 ARC(Affordable, Robust, Compact)[45]와 영국 컬햄[46] Tokamak Energy 사의 ST40 핵융합로가 그 주인공으로, 두 기관 모두 고온 초전도체(High Temperature Superconductor)기술을 접목한 소형 핵융합 발전소를 제작하는 것을 목표로 하고 있다.

2017년 이 분야에 많은 예산을 지원하는 중국이 5천만도에서 100초 달성에 성공했다.

2017년 9월 12일자 기사. 한국에서 7천만도를 70초간 유지하는데 성공했다.

2019년 2월 13일 국가핵융합연구소에서 핵융합 발전을 위한 연구 장치인 KSTAR가 초전도 토카막으로는 세계 최초로 중심 이온 온도 1억도 이상의 초고온 고성능 플라즈마를 1.5초간 유지하는데 성공했다고 밝혔다. 한국 인공태양 1억도 첫 달성…세계 핵융합 이끈다

4.1.2. 관성 가둠

반면, 미국과 러시아에서 주로 연구되는 ICF 방식 핵융합은 레이저나 핀치 효과(Pinch effect)를 이용하는데, 이는 중수소와 삼중수소의 혼합물로 이루어져 있는 연료 펠릿이나 Hohlraum의 내부 벽[47]에 레이저 혹은 이온빔[48]을 쏘거나, 핀치 효과를 이용해 연료 펠릿에 열과 압력을 가함으로써 핵융합이 시작된다.

레이저 에너지가 인가되면 펠릿이 정지한 사이 레이저 타깃 표면에서 플라즈마가 분출, 펠릿이 압축되고 압축된 연료 타깃의 중심부에서 핵융합 반응이 일어나는데, 레이저 세팅을 세밀하게 조정하여 충격파를 모두 중심부로 향하게 해 최대한 펠릿을 압축시키는 것이 가장 큰 기술적 과제이다.

NIF에서 쓰는 금제 Hohlraum의 사진. 크기에 주목하라.

NIF 연료 펠릿. 이 펠릿이 위의 Hohlraum에 장전되어 레이저 체임버에 설치된다.

레이저 체임버에 설치 될 준비가 된 Hohlraum과 연료 펠릿.

레이저 체임버와 반응로

NIF 레이저 시스템이다. 무려 2조와트(즉 2테라와트)급으로 세계최대, 최고의 레이저이다.

레이저 타깃 체임버. Hohlraum이 체임버에 투하되면, 이를 정밀하게 추적하고 레이저를 발사해 위의 레이저 시스템이 만든 모든 에너지를 바로 Hohlraum의 내부 벽에 집중시킨다.

미국 에너지부 아래의 로렌스 리버모어 국립 연구소에 있는 국립점화시설(NIF, National Ignition Facility)에서는 2mm정도 너비의 연료 펠릿을 으로 만든 hohlraum(공동)에 장전하여 타겟에 500TW(500조 와트) 규모의 레이저를 쏘아 핵융합을 시도하고 있는데, 기술력 한계로 인해 인가된 레이저의 20%만이 실제로 펠릿에 조사되므로, 실험에 큰 어려움을 겪고있다.美서 500조와트 레이저빔 照射 성공 이로 인해 2012년에 모 기관인 에너지부의 감사까지 받게 되는 등, 관성 핵융합에 대한 기대는 사라져가고 있었으나 2013년 9월 마침내 Energy Milestone (에너지 시금석)을 지나는데에 성공했다. 이는 핵융합 점화로까지 평가되기는 힘들지만 알파입자를 밖으로 빠져나오게 그대로 두는게 아닌, 강제로 펠릿의 온도를 높이는데에 사용해야한다는 이론의 입증에는 성공한 것 이다. Alpha Particle Self Heating을 통해, 마침내 펠릿이 실제로 흡수한 에너지보다 많은 에너지를 핵융합으로 방출해 내는 것에 성공한 것.

물론 펠릿에 레이저 에너지가 전해지면서 잃어버리는 에너지가 실제로 펠릿에 조사되는 에너지보다 훨씬 많으므로, 레이저의 출력에 비하면 핵융합으로 생산된 에너지는 보잘것 없다. 실제로 2013년 실험에서 핵융합으로 생산된 에너지는 14KJ, 조사된 레이저의 출력은 1.8MJ였으니....하지만 더욱 강력한 핵융합을 유도해낼 이론적 가능성을 실험적으로 확인했다는 것에 큰 성과라고 볼 수 있다.

관성 가둠 방식은 레이저, 이온빔을 이용한 것만 있는 게 아니다. 아래에서 소개할 관성 정전기 가둠(Inertial Electrostatic Confinement)도 관성 가둠 방식. 또 다른 대중적인 관성 가둠 방식으로 Z-pinch도 있는데, 대표적으로 미국 Sandia National Laboratory의 Z machine이 유명하다. 금속 와이어로 펠릿을 둘러싼 새장 형태의 Hohlraum을 사용하는데, 금속 와이어에 엄청난 대전류를 흘려 매우 강한 핀치 효과를 일으켜서 연료를 플라즈마화 및 압축시키는 원리이다. 다만 요즘에는 금속 와이어 방식을 사용하지 않고, 원통 형태의 금속 용기에 고체 상태의 연료를 담고 레이저를 쏴서 플라즈마화 시킨 뒤 대전류를 흘려 압축하는 MagLIF 방식을 연구중이다. 이 방식은 관성+자기 가둠 방식에 더 가깝다.

관성 가둠 방식에 많은 회의적, 비판적 시선이 존재하는데, 관성 가둠 방식은 모든 에너지가 단 한 번의 작용에서 발생한다는 쟁점이다. 자기장 가둠 방식은 현재 단지 몇 초~분밖에 플라즈마를 유지하지 못하지만 장기적으로 보아 ITER 목표인 16분 이상이라도 유지한다면, 그동안 지속해서 열을 받은 물이 증기가 되고 터빈을 돌려 전기를 만들 것이다. 하지만 관성 가둠 방식은 터빈을 돌릴 물(증기)에 열을 '지속하여' 제공해주는 방식이 아니다. 그러므로 관성 가둠 방식의 다음 기술적 난점은 이 작용을 얼마나 빨리, 자주 연쇄적으로 일으켜줄 수 있는가이다. 위에서 예로 든 NIF의 경우 핵융합을 일으킬 때마다 새로운 연료 펠릿을 넣어줘야 하는데 과연 중간에 물(증기)이 식지 않게 작업할 수 있을까? 더군다나 현재 Hohlraum은 대량 생산이 되지 않아 가격이 비싸다. 레이저 관성 가둠 핵융합 발전이 실용화되려면 매초에 한 번 핵융합을 일으켜야 하는데, 가격이 충분히 낮아지지 않는다면 역시 실용화는 물 건너간다. 레이저 또한 지금보다 고성능, 고효율의 레이저가 필요하다.

이 때문에 많은 관성 가둠 방식은 발전에 적합하지 않는다고 생각하는 사람들이 많다. 한편 미 국방성이 정의한 4세대 핵폭탄의 정의는 핵분열을 통한 핵융합을 일으키는 폭탄이 아닌 비핵수단을 이용한 핵융합 기폭인데 이 중 비핵 기폭 방법으로 강력한 레이저 조사를 통한 핵융합 기폭을 거론하고 있기 때문에 군사적인 의도로 핵융합을 개발하는 것 아니냐는 의견도 나온다. 물론 지금 레이저 핵융합 실험 결과로는 먼 미래의 이야기이고, 그것이 가능할 정도면 전자기장으로 연료를 압착해서 핵융합 시킬 수도 있기에 아직까진 걱정 안 해도 된다.

오히려 위에서 밝혔듯이 Indirect drive 방식은 수소폭탄의 작동 메커니즘과 굉장히 유사하기 때문에 이를 이용해 모사 핵실험을 할 수도 있다는 것이 포인트이다. 이런 식으로 레이저 핵융합 시설을 이용하면 실제 원자폭탄을 이용한 핵실험 없이도 수소폭탄을 개발할 수 있다. 이런 이유로 미국의 NIF나 러시아 같은 수소폭탄 보유국들이 Indirect drive를 이용한 핵융합 실험에 적극적이다. 하지만 유럽(영국, 프랑스, 체코 등지에 고에너지 레이저 핵융합 실험 시설이 있다)과 일본(오사카 대학이 GEKKO-XII(激光XII) 레이저 핵융합 시설을 보유하고 있다)에서는 수소폭탄으로의 응용하고는 전혀 무관한 핵융합 방식인 Direct drive 방식을 이용해서 레이저-플라즈마 상호작용, 고에너지 물리학 실험을 주로 진행하고 있다.

즉, 국립점화시설은 단순히 레이저 핵융합 실험을 위해 건설된 것이 아니다. 많은 사람이 착각하는데 레이저 핵융합 실험은 어디까지나 핵무기 테스트, 고성능 레이저 개발, 고에너지 물리학 실험 등 다양한 NIF의 건립 목적 중 하나일 뿐이다. 이는 고부가가치의 각종 첨단 기술과, 특히 레이저 무기 및 핵무기와 관련도가 매우 높기에 미국이나 러시아가 레이저 핵융합에 적극적으로 투자하는 것이다.

사실, NIF만 보자면 위의 주장들이 완전히 틀렸다고는 할 수 없지만 레이저핵융합은 NIF나 로사톰 외에도 다양한 연구기관에서 연구되고 있기에 모두 맞는 것은 아니다[49]. 지난 20년간 레이저핵융합에 피코세컨드 혹은 펨토세컨드 레이저를 이용한 고속점화(Fast Ignition) 및 충격 점화(Shock/Impact Ignition) 등 새로운 기법이 도입되고, Flashlamp 펌핑 레이저를 대체할 DPSSL(다이오드 펌프 고체레이저) 기술이 눈부시게 발전하면서 레이저핵융합도 발전에 충분히 이용될 수 있다는 예측이 극히 최근에 제시되고 있다. 이에 따라 몇 년 전부터 일본(오사카 대학의 LFEX), 프랑스(Laser Mégajoule 및 Laser Integration Line, LIL), 유럽연합(Extreme Light Infrastructure, ELI), 미국(University of Rochester의 OMEGA-EP), 중국(SG(神光)-IV 및 Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility, SULF) 등 세계 각국에서 페타와트 출력, 킬로줄 에너지 급의 레이저를 건설했거나 건설하는 중이다. 레이저문서도 같이 읽어보자.

국내에서는 토카막 방식에 밀려 다른 방식은 보유한 대형 연구 장치가 없지만 그나마 레이저 핵융합은 소규모로 꾸준히 연구되고는 있다. KAIST와 GIST 및 GIST 산하의 APRI(고등광기술연구소), 한국원자력연구원, 기초과학연구원에서 고에너지 레이저 개발을 위한 OPCPA 기술과 레이저핵융합, 고속점화 기술에 대해 연구하고 있으며 특히 APRI는 비록 에너지는 수십J 정도지만 페타와트 출력을 가지는 레이저를 보유하고 있다.

4.1.3. 관성+자기 가둠

관성 가둠과 자기 가둠을 혼합한 방식도 있는데 대표적인 것으로 자화표적핵융합(MTF: Magnetized Target Fusion), 자기관성핵융합(MIF: Magneto Inertial Fusion), 자화선형관성핵융합(MagLIF: Magnetized Linear Inertial Fusion)등이 있다. 이들 방식은 주류는 아니지만, 일본[50]이나 중국에서 연구가 되고 있으며 최근 미국 에너지부 소속 연구기관이나 대학, 스타트업 기업 등에서 자주 시도되고 있다.

대표적인 예로 미국 TAE Technologies[51]사와 Helion Energy 사, 캐나다의 General Fusion 사의 핵융합로를 들 수 있는데, 세 회사 모두 두 개의 대포 포신을 맞댄 모양을 하고 있는 핵융합로를 개발하였다. 원리는 모두 비슷한 편으로, 자세한 원리는 다음과 같다. 우선 포신의 양 끝에서 플라즈마를 발생시키고 자기력을 이용하여 가속한 뒤 가운데 지점에서 충돌시키게 되는데, 그러면 Field-Reversed Configuration(FRC)이라는 가운데가 뚫린 시가 담배 혹은 럭비공 형태의 플라즈마 덩어리(Plasmoid)가 생긴다. 이 FRC는 굉장히 안정적이고 베타값(플라즈마의 압력/자기장의 압력)이 크다는 특징이 있으며, 특히 FRC는 그 스스로의 흐름이 자기장을 만들어 잠시간은 외부의 자기장이 없어도 스스로 형태를 유지하는 성질을 가진다.

여기서 세 회사는 갈림길을 걷는데, 헬리온 사는 강력한 자기장(현재는 1.5 테슬라, 최종 버전은 40 테슬라)으로 FRC를 압축하여 융합시키는 과정을 반복하고, TAE 사는 중성입자빔을 이용하여 FRC를 유지하며 지속적인 핵융합을 일으킨다.[52] 반면 제너럴 퓨전 사는 피스톤으로 핵융합로를 강타하고 그때의 충격파로 FRC를 압축시키고 융합하는 과정을 반복한다.

이 외에도 프린스턴 대학교에서는 회전 자기장(Rotating Magnetic Field)을 이용한 핵융합 로켓을 개발하고 있다. Direct Fusion Drive라는 프로젝트로, 현재 PFRC-2 실험로를 통해 연구하고 있으며 2020년 중반 경 프로토타입 핵융합로인 PFRC-4를 제작하는 것을 목표로 하는 듯하다. 워싱턴 대학교(UW)에서도 이와 비슷하지만, 원리는 조금 다른 Fusion Driven Rocket이라는 이름의 FRC를 이용한 핵융합 로켓을 개발하고 있고, 2030년 완성을 목표로 하고 있으며 이 외에도 다양한 방식이 여러 기관이나 대학에서 연구되고 있다.

TAE Technologies 사의 핵융합로

Helion Energy 사의 핵융합로

General Fusion 사의 핵융합로(한글자막 지원)

4.1.4. 융합-분열 혼성로(Fusion-Fission Hybrid)

융합-분열 혼성로는 핵융합 방식과 핵분열 방식을 혼합한 것으로, 핵분열 발전의 폐기물로 발생하는 우라늄-238(열화우라늄의 주성분)이나 가장 안전하고(즉, 연쇄반응이 일어나지 않고 비교적 핵폐기물 문제에서도 자유로운) 풍부한 핵분열 연료인 토륨-232를 이용하여 에너지를 생산할 수 있다. 융합-분열 혼성로가 실용화된다면 핵융합로에서 블랭킷 재료를 핵분열 연료로 하는 형태가 될 것이다. 특히 토륨 융합-분열 혼성로의 경우 우라늄-235를 이용한 '시동'이 필요한 원자로 방식보다 안전하고, 가속기 방식보다 효율적으로 핵분열이 가능하다는 장점이 있다.

현재 융합-분열 혼성로의 주요 해결 과제는 핵융합의 유지를 위한 삼중수소 증식과 핵분열을 동시에 수행할 수 있을 만큼 충분히 중성자를 발생시키고 블랭킷을 적절히 분배할 수 있느냐는 것이다. 만약 순수 핵융합 발전이 실패한다면 이를 한 가지 대안으로도 고려해 볼 수 있을 것이다.

4.2. 기타 방식들

현재 핵융합 발전을 목표로 하는 연구는 대체로 위에서 소개된 방식을 크게 벗어나지 않는다. 따라서 이 항목에선 발전 외에 다른 용도를 목적으로 하는 핵융합 방식이거나, 지금은 시도되지 않는 이론들, 혹은 새로운 이론 등을 소개한다.

4.2.1. 관성 정전 가둠

관성 정전 가둠(Inertial Electrostatic Confinement, IEC)은 전기장 하에서 양전하인 원자핵을 가속해 가두고 핵융합을 일으키는 방식이며, 이온 엔진과 동일한 원리로 볼 수 있다.

일으키기도 어렵고 유지하기도 어려운 핵융합이지만, IEC 방식은 구현하는 것이 간단하여 취미의 영역에서 핵융합로를 만드는 사람들도 있다. 그것도 집에서 개인적으로. 심지어 17살 고딩도 집에서 뚝딱뚝딱해서 만든 핵융합로가 신문 기사에도 떴던 적이 있었다!

위 사진은 실제 핵융합중인 모습으로, Philo Farnsworth[53]가 만들어낸 Farnsworth–Hirsch Fusor란 놈이다.[54] 사실 아이디어는 필로 판스워스가 TV를 개발하면서 진공 튜브에서 벌어지는 현상을 갖고 핵융합을 할수 있을까 하고 연구한게 시조라고...아무튼 IEC 핵융합에서 가장 대표적인 방식은 Fusor 이지만 Polywell 이라는 또 다른 관성 정전 가둠 핵융합 방식도 있다. 이 방식은 로버트 버사드라는 물리학자가 고안하였다. 한국인이 대표로 있는 미국의 EMC2(Energy/Matter Conversion Corporation)사에서 개발하는 핵융합로도 Polywell이다(이 회사를 세운 사람도 로버트 버사드다!).

Fusor의 구조도.

현재 여러 사람이 취미로 이 Fusor를 만들고 있다고 한다. 실제 핵융합이 되긴 하지만, 발전 용도로는 전혀 쓸모가 없다. 우선 구조상 전극으로 인해 열이 계속 손실되고, 상업 운전을 하려면 연료 : 에너지 비율이 1 : 10은 되어야 하는데 이놈은 거꾸로 10 : 1..

어쨌든 테슬라 코일과 마찬가지로 Fusor도 설계도는 인터넷에 있으며, 재료들을 불법적으로 구하지만 않는다면 만들어도 상관없다고 한다. 중수소를 구하는 게 가장 까다롭긴 하지만, 중수는 시그마 알드리치 등에서 실험실용으로 판매하니까 그걸 전기 분해해서 얻으면 된다. 중수 1L에 8~90만원 정도 하지만 애초에 이건 채산성을 생각하고 만드는 게 아니니까...

그런고로 이 방식은 거의 취미생활에 사용하거나 비파괴 검사, 동위원소 생산 등을 위한 값싼 중성자원으로 써먹고 있다고 한다. 중성자원이 되는 이유는 아까 말했다시피 안에서 실제 핵융합이 일어나면서 중성자를 내뱉기 때문.

4.2.2. 거품 핵융합(Sonofusion)

레이저 대신 음파 발광 현상을 이용한 관성 (Bubble)핵융합 방식도 있다. 그러나 추가 연구 결과 거품 핵융합에서 발생했다는 중성자는 사실이 아닌 것으로 밝혀졌으며 발생하는 온도도 핵융합을 일으키기에는 매우 부족한 온도로 확인되어 현재는 음파 발광 현상을 이용한 핵융합은 연구되고 있지 않다.

https://firstlightfusion.com 최근 영국에서 원리가 거품 핵융합과 매우 유사한 것으로 보이는 핵융합 연구를 진행하고 있다.

4.2.3. 뮤온 촉매 핵융합(Muon-Catalyzed Fusion)

뮤온 촉매 핵융합(μCF)은 뮤온을 이용하여 핵융합 반응을 더 잘 일으킬 수 있도록 하는 방법이다. 뮤온 촉매 핵융합 과정에서는 먼저 중수소나 삼중수소 원자핵에 전자 대신 뮤온을 붙여주게 된다. 뮤온의 궤도는 원자핵에 매우 가까워서 뮤온의 음전하는 원자핵의 양전하를 중화시켜줘서 중수소와 삼중수소가 합쳐진 dtμ 원자를 생성하고, 곧 두 원자핵이 융합할 정도로 가까이 다가서게 된다. 뮤온은 핵융합 이후에도 존재하고 다음 핵융합 반응을 위해 재사용되는데 이것이 촉매의 역할과 비슷하다고 하여 이 핵융합 방식을 뮤온 촉매 핵융합이라고 부르게 되었다. 그러나 뮤온의 수명이 너무 짧고 뮤온이 헬륨 원자핵에 붙어버리는 Sticking 현상이 자주 발생해서 충분히 재사용되지 못해 현재 뮤온 촉매 핵융합은 거의 연구되고 있지 않다.[55] 상온에서도 핵융합을 일으킬 수 있는 방식이나 뮤온을 생성하는 데 드는 에너지조차 회수하지 못하는 실정이라 상온 핵융합으로 분류하지는 않는다.

4.2.4. 초전 핵융합(Pyroelectric Fusion)

초전 핵융합은 초전 현상을 이용한 핵융합 방식인데, 초전 현상은 특정한 종류의 결정에 열을 가하면 결정에 전위차가 발생하는 현상이다. 초전 핵융합에서는 이런 방식으로 강력한 전기장을 생성하고 이를 통해 이온을 가속해서 핵융합을 일으키게 된다. 2005년 미국 UCLA에서 이 현상을 실험을 통해 확인하였다고 한다. 핵융합 발전보다는 소형 입자가속기 같은 용도로 유용할 것으로 보인다.

4.2.5. 스핀 편극 핵융합(Spin-Polarized Fusion)

연료가 되는 원자핵의 스핀을 자장 방향으로 편극시키면 핵융합 반응 단면적(Fusion cross section)이 약 1.5배 증가해서 핵융합 반응을 더 쉽게 일으키는 것이 가능하다. 현재 미국 General Atomics 사가 보유한 DIII-D 토카막에서 실험 중이며, 미국 에너지부 산하 연구소인 제퍼슨 연구소도 참여하고 있다. 미국 외에는 스위스의 ETH Zürich, 독일, 일본(쓰쿠바 대학)등에서 연구하고 있으며 앞서 설명한 TAE Technologies 사도 스핀 편극 핵융합을 연구하고 있다. 초고온의 핵융합 플라즈마 속에서 원자핵이 충분히 오랫동안 편극된 상태를 유지하도록 하는 것이 과제라고 하며, 다행히도 현재까지 연구된 결과 편극을 잃게 하는 요인들은 대부분 큰 문제가 되지 않는 것으로 결과가 나오고 있다고 한다.

5. 군사적 이용

이 핵융합 현상을 이용한 핵무기가 바로 수소폭탄이라고 불리는 핵폭탄이다. 수소폭탄의 경우 핵융합을 이용한 것이기 때문에 수소 융합반응에서는 분열생성물과 같은 다량의 방사능이 발생하지 않으므로 수소폭탄 자체만 놓고 보면 비교적 "깨끗한 수폭"이지만, 사실상 최초의 기폭수단으로 대량의 X선 방출이 없으면 반응이 성립하지 않는다.

때문에 실질적으로 수소폭탄의 주위를 우라늄 238로 싼 초우라늄 폭탄은 수폭의 융합반응에서 발생하는 고속중성자에 의해 보통은 비분열성인 우라늄 238로 분열반응을 일으키게 함으로써 보다 큰 폭발력과 함께 다량의 방사능을 발생하는 더러운 수폭이며, 이 폭탄을 3F 폭탄이라 한다. 이는 "텔러-울람 설계"로 유명한 가장 기초적인 수소 폭탄 작동 방식이다. 폭발 후 순서대로 1단계 핵분열(Fission) 2단계 핵융합(Fusion) 3단계 핵분열 반복(Fission) 으로 진행된다.

반면 핵분열 원자폭탄은 임계질량을 모아놓기만 하면 알아서 반응을 한다. 엄밀히 말하면 핵융합도 마찬가지인데 전자기력이 모이는 것을 방해하는 것이다.

우라늄 238 대신에 코발트를 사용한 코발트 폭탄, 질소화합물을 사용한 질소폭탄도 있다.

오늘날 전략무기라고 하는 위력이 강한 핵무기는 이에 속한다. 순융합폭탄은 아직도 연구 중이나, 만약 실제로 개발이 된다면 원자폭탄을 방아쇠로 사용하지 않는, 잔류방사능이 거의 없는 "아주 깨끗한 폭탄"이 될 것이다. 물론 핵융합 시 발생하는 대량의 방사선은 잔류방사능이 아니므로 논외로 친다.

단, 현재까지 순융합폭탄의 질량 대비 효율은 고작해야 같은 질량의 TNT와 대등한 수준에 불과하므로, 사실상 무기는 고사하고 실험용 장비로서의 가치도 없다. 참고로 가장 질량 대비 효율 높은 기존 방식의 수소폭탄은 같은 질량의 TNT의 1,000만배 효율이다. 사실 수소폭탄에서 가장 많은 폭발력을 담당하는 부분은 핵폭발로 인한 핵융합으로 발생한 추가적인 핵분열이다.

또한 레이저 관성 가둠 방식은 군사적 전용이 가능할 수 있다. 이 기술이 발전하게 되면 우주에서 레이저를 집중해 핵폭탄을 기폭 시킬 수 있게 된다. 위에서 설명하는 NIF는 미국의 아임계 핵실험 프로젝트에서도 사용하고 있다.

6. 소문

상온 핵융합이라 하여 상온 상태에서 핵융합이 일어나는 현상이 있다고 하며 연구도 진행 중이나 과학계에서는 부정적이며 불가능한 것으로 본다. 1980년 후반에 처음 나온 이래 조사가 이루어졌으나 결론은 현재도 똑같이 부정적이었다. 상온 핵융합 이야기가 나오면 거의 반드시 팔라듐이 따라나오곤 한다. 팔라듐 수준으로는 핵융합을 일으킬 만큼 수소를 압착시킬 수 없다는 것이 밝혀진 지 오래다. "핵융합" "팔라듐" 이 두 단어만 나오면 그냥 무시해도 될 정도로, 상온 핵융합은 불가능하다고 보면 된다.

2010년 5월 12일, 북한 측이 단독으로 핵융합로 실험에 성공했다고 주장했다. 대충 보면 Dense Plasma Focus 장치인데 핵융합로이긴 하지만 일종의 입자가속기라고 보면 된다. 발전용으로는 못 써먹고 핵물리학이나 X선, 극자외선원 연구에 보통 쓰인다. 이것은 위에 언급된 관성 정전 가둠 장치로 보이는데 관성 정전 가둠은 위에 잘 나와 있듯이 중고생도 만들 수 있는 수준이고 DPF 장치도 이미 광운대나 2004년에 한양대에서 플라즈마 응용을 위해 만들어서 실험한 적이 있다(Hanyang University Plasma Focus). 북한이 이걸 실제로 만들었는진 모르겠으나 보다시피 제작에 특출난 기술이나 많은 돈이 필요한 것도 아니라서 북한이 실제로 만들고 핵융합을 일으켰다 해도 놀랄 것은 전혀 없고, 대단한 것도 아니다.

2014년 10월, 록히드 마틴측에서 핵융합을 밀어붙여서 1년 안에 실증로, 5년 안에 대형 원자로, 10년 안에 핵융합 발전소를 짓겠다고 주장했다. 만일 성공하면 이제까지 내놨던 공밀레들의 목록에 한 개 더 끼일듯. 또한, 2014년 10월 16일 핵융합원자로를 10배 축소해 트럭에 탑재 가능한 원자로를 개발했다고 발표했으며, 10년 안에 상용화 할것이라 주장했다. 터무니없는 소리로 치부할 수도 있으나, 록히드 마틴의 스컹크 웍스 부서는 외계인 고문이라 부를 수 있는 수준의 별의별 말도 안 되는 것들을 만들어 온지라 무시할 수도 없는 상황이다. 록히드 마틴의 15년 8월 현재 연구 현황 발표 발표회 모양을 보면 자기장 가둠 방식 중 자기 거울을 이용한 것으로 보인다.

2017년 중순에도 다른 연구소나 기업에서는 활발하게 핵융합 연구 소식이 나오고 있지만 록히드 마틴사의 것은 별다른 소식이 없다. 사측에서 당시 발표했던 동영상과 컨셉아트만 봐도 이전의 자기경 가둠 방식에서 개선된 점은 찾아볼 수 없었고, 이미 수십년 전에 MFTF-B나 범피 토러스, Ioffe bars 등 다양한 대안 자기경 방식이 시도됐었지만 모두 플라즈마 불안정성과 유출 문제를 해결하지 못해 사장되었다. 현재 일본 쓰쿠바 대학의 GAMMA10 탠덤 미러 장치와 러시아 Budker 핵물리학 연구소의 Gas Dynamic Trap, 그 외 미국 몇몇 주립대의 소형 실험 장치 등 자기경 방식도 분명 소규모로 연구되고는 있지만 이미 자기경 방식은 상용 핵융합 발전에서는 한발 물러난 상태다. 우리나라도 MIT에서 자기경 장치를 인도받아 "한빛"장치로 명명하고 관련 연구를 진행했었다.

이렇게 비주류 방식의 가둠 장치에 대한 연구가 계속되는 것은 단지 핵융합 상용화를 위한 연구만이 아니라 플라즈마 응용 및 다양한 실험을 위해 운용되는 측면도 있다. 적어도 2017년 핵융합 연구를 볼 때 자기경 방식에 별 혁신은 없었기에 이 방식은 사기업이 핵융합 상용화를 목적으로 연구하기에는 부적절한 가둠 방식이다. 이로 미루어 볼 때 록히드 마틴사는 사실상 현재 자기경 방식의 핵융합을 포기했거나 연구에 상당한 난항을 겪고 있다고 추측된다.

김치 산업화에 (!?!?) 핵융합 기술을 사용한다고 한다. 그냥 핵융합에서 이용되는 플라즈마 물리학을 응용한 것이다. 농산물 처리 및 가공에도 플라즈마는 활발하게 연구, 이용되고 있다.

2019년 3월 모 환경 관련 시민단체에서 "핵융합은 태양에서 일어나는 현상으로 핵융합을 실현하는 것은 지구에 태양을 구현하겠다는 것으로 불가능함"이라면서 과학·공학자들 뒷목잡는 핵융합 예산 전체를 삭감할 것을 주장하는 개소리를 써놓은 시민단체 예산 의견서(원본)를 내놓았다.

사실 국내 핵융합 연구는 저런 듣보잡 단체뿐만 아니라 각계에서 상당 기간 푸대접을 받아온 것이 사실이다. 동아 사이언스에 따르면, 심지어 국내 에너지 연구의 주류였던 원자력계로부터도 냉소적 시각과 견제를 견뎌내야 했다고 하니, 얼마나 험한 길을 걸어온 것인지 알 수 있다. 이경수 ITER 사무차장 역시 2018년 중순 일간지 인터뷰에서 KSTAR 공사를 시작하기 전까지 어려웠던 현실을 토로하며 국민의 정부참여정부 시기에 핵융합 연구에 대한 정부 지원이 긍정적으로 변했던 것을 아주 높게 평가하면서 지원을 계속 늘릴 필요가 있다고 역설하기도 했다.

7. 서브컬처

  • 폴아웃 시리즈에서는 이걸 소형화 시킨 초소형 핵융합 전지(Micro Fusion Cell)가 등장한다. 주로 에너지 무기 탄약에 쓰이지만 기타 다른 동력원으로도 사용한다. 폴아웃 2에서는 자동차를 구동시키는데 이용하고, 폴아웃 4에서는 파워아머를 구동시키는 데에도 이용한다.
  • 포탈 2에서 GLaDOS의 언급에 따르면 애퍼처 사이언스의 주 전원은 핵융합 발전기로 보인다. 후반부에 노심용융이 언급되는 것으로 보아 구형 핵분열 발전기도 일부 사용하고 있다. 터릿의 동력원은 핵융합 코어(Fusion Core)를 사용하고 있다. 핵융합장치를 그정도로 줄일 수 있으면 터릿대신 그거 팔아먹는게 더 이득일텐데

  • 인터스텔라의 인듀어런스 호의 엔진모듈 네 개는 각각 소형 토카막을 하나씩 탑재했다.
  • 이브온라인에서 갈란테는 핵융합 발전을 통해 함선 내의 에너지 계통을 책임진다는 설정이 있다.
대부분의 스페이스 오페라 및 관련 게임에서는 핵융합정도는 기초기술에 해당하는 경우가 대부분이다.
  • 심시티 2000심시티 3000, 심시티 4[57], 심시티(2013) 미래도시 확장팩에서 가장 나중에 등장하는 최종 테크 발전소가 핵융합 발전소다. 성능은 도시에 필요한 전력의 절반 가량을 혼자 공급하는 초고성능. 심시티(2013)에서는 실제 핵융합로처럼 핵융합을 시작시키기 위해 막대한 전력을 소모한다.
  • 스타크래프트에서 아둔의 창에서 인공 별이 등장한다. 원리가 핵융합이라는 설명은 없고 태양석을 공급해야 돌아간다고 나오긴 하지만 확실히 '별' 인 만큼 태양석으로 핵융합 반응을 일으키는듯하다. 해병의 강화복인 CMC 전투복 역시 상온 핵융합 카트리지가 장착되어 동력원으로서 기능하고 있다.
  • Anno 2205 캠페인의 최종 목표이다. 달에 풍부한 헬륨3을 사용하여 핵융합 발전기를 가동하고, 지구의 에너지난을 해결하는 것이 그것.
  • Mekanism, GregTech 등 일부 마인크래프트 모드에서도 최종 테크로 등장한다. 만들기 위해 상당한 자원과 테크 진행을 요구하지만 일단 만들기만 하면 대량의 에너지를 얻을 수 있게 된다.
  • 엘리트: 데인저러스에서는 인류의 주요 에너지원으로 사용되고 있다. 함선은 물론 우주 정거장과 기지들도 핵융합 발전기로 돌아간다.

7.1. 관련 캐릭터

8. 관련 문서


  1. [1] 즉 원자의 전자 수 만큼
  2. [2] 그 외에 중성미자와 광자가 융합 과정에서 직·간접적으로 발생하기도 한다. 우주에서 볼 수 있는 초대규모의 핵융합 반응이 바로 초신성이다. 초신성의 에너지 대부분이 중성미자 형태로 날아간다.
  3. [3] 단, 철보다 가벼운 원소라고 해도 반드시 핵융합할 때 에너지를 내놓지는 않는다. 대표적인 예외 경우가 양성자-삼중수소 융합반응인데, 이 반응은 반응 단면적이 대략 1000keV 이하에선 0에 가깝고 핵융합을 하면서 764keV만큼의 에너지를 흡수한다. 이 외에도 에너지는 흡수하지 않더라도 이런저런 이유로 잘 융합하지 못하는 반응들이 있다.
  4. [4] 정확한 과정은 W+입자(약력의 매개입자중 1종류) 방출 →양전자 & 전자 중성미자로 붕괴 과정을 거친다.
  5. [5] 원래 가벼웠던 입자(양성자) 무거운 입자(중성자)로 변하는 것이 부자연스럽다고(열역학 1법칙=질량-에너지 보존법칙)생각할 수도 있으나, (양성자) + (양성자가 가지고 있던 운동에너지) = (중성자) + (고에너지 전자 중성미자) + (양전자)이므로, 열역학 1법칙에 위배되지 않는다. (아인슈타인의 질량-에너지 등가 법칙 E=mc²을 생각하면, 양성자가 가지고 있던 운동에너지의 일부가 질량으로 전환되었다고 생각할수도 있다. 여담이지만 실제로, LHC에서 무거운 입자들(톱 쿼크,힉스입자 등)을 생성할 때 빛의 속도에 거의 근접한 양성자 2개가 서로 충돌하면서, 그 양성자들의 운동에너지가 양성자 내부의 가상 입자(불확정성 원리에 의해서 생성될수 있으나, 직접 관측하는것은 불가능한 입자)들에 작용해서 질량으로 바뀌면서 가상 입자가 실제 입자(관측가능한 입자)로 변환되는 것을 이용해서 생성하는 것이다.)
  6. [6] 이를 Deuterium의 앞글자를 따서 D라고 표기하기도 한다.
  7. [7] 참고로 입자가속기로는 핵융합 발전소를 만들 수 없다. 이런 식으로 융합시키면 반응 단면적이 너무 작고, 융합하는 입자 수 자체도 매우 적기 때문이다. 입자가속기의 핵융합은 중원소 실험이나 방사성 핵종의 생산에 쓰인다. 다만 입자가속기 자체만으로 핵융합 발전소를 만들 수 없을 뿐 핵융합 플라즈마의 가열에는 쓰인다(흔히 이를 Neutral Beam Injector, 즉 '중성입자빔 주입기'라고 한다). 일부 학자들은 핵융합로를 입자가속기의 일종으로 보기도 한다.
  8. [8] 중수소 핵융합의 경우 0.645%
  9. [9] 약 12500 L(리터)
  10. [10] 바닷물의 질량은 1.35×1021 kg, 전체 수소 중 중수소의 비율 0.015%, 물의 평균 분자량 18.02, 수소의 평균 원자량 1.0079로 계산함.
  11. [11] 중수소가 헬륨-4로 핵융합할 경우, 0.645%의 질량결손이 발생한다.
  12. [12] 수소폭탄이 그렇게 위력적인 것은 순전히 금속 리튬을 사용해서 순간적으로 엄청난 횟수의 핵융합 반응을 일으키기 때문이다. 금속과 플라즈마의 밀도 차이는 정말 아주아주 크다. 일반적으로 토카막 방식 핵융합로의 플라즈마에는 1m3 당 1019~1021 개의 전자(≒이온의 개수)가 존재하고, 표준 온도 압력(STP) 상태의 일반 기체에는 0.0224㎥(=22.4L) 당 1㏖(약 6.02×1023개)의 분자가 존재한다. 즉 우리 주변의 공기보다도 밀도가 훨씬 낮다. 따라서 핵융합로에 연료를 욱여넣어서 핵융합로를 수소폭탄으로 만들려고 한다면, 핵융합로는 플라즈마 상태의 연료를 다 담을 수조차 없을 것이다.
  13. [13] 플라스마의 온도는 높지만, 플라스마가 가진 전체 열에너지는 얼마 안 된다는 뜻이다. 같은 부피의 100°C H2O라도 100°C의 액체 에는 스치기만 해도 심각한 화상을 입지만, 100°C의 수증기에 몇 초동안 노출되는 정도로는 화상을 입지 않는 것과 원리가 같다.
  14. [14] 현재 핵분열 발전소들의 경우, 원자로에서 연료가 방치될 경우 스스로 열을 발생시켜 온도가 상승하기 때문에 냉각 계통이 필요하며, 만약 냉각이 일정 시간 이상 지연될 경우 바로 멜트다운 후 방사능 사고로 이어지게 된다. 원전의 수명이 다 되어도 남은 연료가 식을 때까지 비교적 긴 시간 동안 냉각을 해야 하는 것이 현재 핵분열 발전소이고, 실제로 원전사고들의 대부분은 냉각이 제대로 이루어지지 않아 발생한 사고들이다. 그에 비해 핵융합은 설령 냉각 시스템에 문제가 생기거나 장치가 깨져서 내부의 플라스마가 누출되는 일이 생기더라도, 핵융합 플라스마는 불순물(Impurity)에 굉장히 민감해서 외부의 산소 같은 중원소가 극미량이라도 섞이면 순식간에 스스로 냉각되어 기체 상태가 되기 때문에 체르노빌처럼 몇십년 동안 활활 타오를 수가 없다. 핵융합로의 냉각장치가 고장 나면 비싼 전자석이 손상되어 돈은 좀 많이 깨지겠지만, 핵융합로에 구멍이 뚫리거나 박살이 나는 등, 인명피해와 직접 관계되는 참사는 일어나지 않는다.
  15. [15] 지금은 처음 가동할 때만 이용하니 매우 작은 양만 필요해서 그렇게 비싸게 느껴지지 않을 수 있으나, 만약 이걸 연쇄반응에서 나오는 중성자 대신 지속적으로 중성자를 공급하는 데에 쓰려고 한다면 가격은 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.
  16. [16] 대기 중에 떠다니는 미세한 고체 입자에 불이 붙어 기체처럼 폭발하는 현상. 화력 발전소에서는 석탄 분진이 폭발할 가능성이 있다.
  17. [17] 단, 상업적인 용도로 팔기에는 발생량이 너무 적다. 핵융합에 필요한 수소의 양이 g~kg 단위로 적은 만큼, 1년에 수십 kg밖에 생산하지 못하기 때문이다.
  18. [18] 주로 액체 리튬-6을 쓰는데, 중성자를 흡수해서 헬륨과 삼중수소로의 핵분열이 일어나기 때문이다. 과정을 핵방정식으로 서술하면 ^{6}_{3}\text{Li}+^{1}_{0}\text{n}\to ^{4}_{2}\text{He}+^{3}_{1}\text{T}(발열반응)이 된다. 헬륨은 비핵화 원소이므로 안전하며, 같이 방출된 삼중수소는 핵융합 발전의 연료로서 회수할 수 있는데다가, 발열반응인지라 이쪽에서도 에너지 추출이 가능해서 효율도 나쁘지 않은 편. 다만, 리튬-6은 자연계의 리튬의 8%에도 미치지 못하기 때문에 가장 많은 리튬-7을 이용한 방식도 연구중이라고 한다. 단, 이쪽은 중성자를 촉매 삼아 알파선과 삼중수소로 분리되기는 하지만, 흡열반응인지라 핵융합 발전에 쓰기에는 효율이 나쁘다. 단, 수소폭탄에 응용할 경우, 적당량이 섞여 있으면 전체적인 효율이 오른다는 보고서가 있다.링크
  19. [19] 638 TJ이면 이론상으로 약 26만 마력(HP)를 가진 니미츠급 항공모함을 약 38일 1시간 31분 동안 풀가동할 수 있는 에너지이다. 즉 (이론상으로는) 수소 96kg만 있으면 이 거대하고 강력한 무기를 10년 동안 움직일 수 있다는 뜻이다. 게다가 수소는 물만 퍼와서 전기분해만 해도 생성되므로, 바닷물을 필요할 때마다 대량으로 퍼올 수 있는 바다 위에서는 연료를 걱정할 필요가 없다. 따라서 핵융합로가 고장 나거나 선원들이 굶어 죽는 일을 무시하면 사실상 무한정 항해가 가능하다.
  20. [20] 화석연료도 결국 출발은 고대 생물이 얻었던 태양 에너지이다.
  21. [21] D-He3과 p-B11 반응은 Aneutronic fusion이라 하며 도달하기 매우 어렵지만, 기존의 D-T, D-D 방식에 비해 중성자가 거의 발생하지 않아 방사화 및 중성자 차폐에 대한 부담이 매우 적다는 장점이 있다. 특히 Aneutronic fusion은 하전입자인 반응생성물과 전자기파를 통해 전기를 얻는 직접 에너지 전환(Direct Energy Conversion)이 가능하며 그 효율 또한 매우 높다.
  22. [22] 핵융합 반응이 외부 에너지 투입 없이 스스로 유지될 수 있는 조건이다. 현재는 핵융합 발전이 경제성을 가지기 위해서 꼭 점화 조건에 이를 필요는 없다고 하지만, 일단은 핵융합 발전 연구의 기본 목표라고 알아두자.
  23. [23] 보통 자기장 가둠 핵융합은 플라즈마 온도가 높고 밀도가 낮으며, 관성 가둠 핵융합은 그 반대이다.
  24. [24] 플라즈마는 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 제4의 상태를 말한다.
  25. [25] 이때 지구 최고의 온도 차를 만든다!(플라즈마:1억 5000만도 코일:-273.15도)
  26. [26] 이는 화력 발전이나 핵분열 발전과 구조적으로 매우 비슷한데, 화력 발전의 경우 "화로에 석탄을 넣는다 → 석탄에 불은 붙인다 → 자발적으로 화학적 반응이 일어난다 → 화학 반응으로 얻은 에너지로 증기를 발생시킨다 → 증기로 터빈을 돌린다." 핵분열 발전의 경우 "핵분열로에 핵연료봉을 넣는다 → 핵연료봉을 임계 질량 이상으로 합친다 → 자발적으로 핵분열 반응이 일어난다 → 핵분열 반응으로 얻은 에너지로 증기를 발생시킨다 → 증기로 터빈을 돌린다." 즉, 물을 끓여 대량의 증기를 만들고 이 증기로 터빈을 돌리는 것은 화력 발전이나 핵분열 발전과 동일하며, 이 물을 끓이는 에너지원을 어디서 구할 것인가가 차이점일 뿐이다.
  27. [27] 초고온의 플라즈마는 여러 원인에 의해 빠른 속도로 식어 버리는데, "알파 입자가 플라즈마를 가열하는 속도" > "플라즈마가 식는 속도"의 등식이 성립하면 인위적으로 추가적인 가열을 할 필요가 없고 플라즈마는 스스로 계속해서 열을 낼 수 있다. 이 점은 핵융합 발전의 상용화에 있어서 1차 관건중 하나인데, TFTR(Tokamak Fusion Test Reactor ; 토카막 융합 시험로)등에서 이 부등식이 충분히 성립할 수 있음이 확인 되었다. 단, 이 부등식이 성립하지 않더라도 핵융합으로 발생한 에너지의 80 %가량을 중성자선이 가지고 있으므로 중성자선을 이용해 발전한 전력으로 부족분을 메꿀 수 있다. 하지만 알파입자가 스스로 플라즈마를 가열하는 것보다는 아무래도 효율이 많이 떨어질 수밖에 없다.
  28. [28] 간단히 말해 헬륨은 핵융합 시 발생하는 배기가스라고 할 수 있다. 다량의 방사성 딸원소가 발생하는 핵분열 발전, 다량의 온실가스와 탄화물이 발생하는 화력 발전 등이 지구상에 큰 악영향을 끼치는 것과 대비되는 부분이다. 헬륨은 자연 생태계에 완전히 무해하다. 오히려 지구상 희소원소로 현대 과학 기술에 꼭 필요하다. 다만, 핵융합 시 발생한 헬륨은 상업적으로 이용할 수 없다. 수 kg의 중수소와 삼중수소만으로 핵분열로 수십기를 종일 가동해서 얻을 수 있는 전력을 생산할 수 있는데, 따라서 고출력의 핵융합 발전소라 할지라도 헬륨 생산량은 하루에 수 kg정도가 고작이다. 이마저도 초전도체 설비를 위해 자체적으로 소모된다.
  29. [29] 핵융합 과정에서 삼중수소 하나당 중성자 하나가 발생하므로 중성자 하나당 하나 이상의 삼중수소를 재생산할 수 있어야 핵융합에 필요한 삼중수소를 계속 보충할 수 있는데, 중성자의 손실이 불가피하다는 점이 문제가 된다. 천연 상태의 리튬은 92.5%의 리튬-7과 7.5%의 리튬-6의 동위원소로 존재한다. 리튬-7은 고에너지의 중성자와 반응하고 리튬-6은 저에너지의 중성자와 반응하는데, 각 동위원소의 반응을 살펴보면 "Li-7 + n → He-4 + T + n - 2.5 MeV", "Li-6 + n → He-4 + T + 4.8 MeV"으로 리튬-7은 삼중수소 하나를 생산하고 2차 중성자를 생산하는데, 문제는 이게 흡열 반응이기 때문에, 이 반응으로 계속해서 삼중수소를 생산하는 건 불가능하다. 리튬-6은 발열 반응이긴 하지만, 중성자 하나당 삼중수소 하나만을 생산할 수 있기 때문에, 중성자의 손실이 일어나는 이상 소모되는 만큼의 삼중수소를 보충하지는 못한다. 따라서 리튬-7과 리튬-6의 동위원소비를 적절히 조정함으로써 DT반응 한 번당 다시 하나 이상의 삼중수소를 생산하는 것이 가능하다.
  30. [30] Magnetic Mirror(자기경 혹은 자기거울)방식도 초창기에 많이 연구되었으나 플라즈마 자체가 유출되는 문제를 해결하지 못해 현재는 거의 사장되었다.
  31. [31] 물론 그렇다고 해서 핵분열 발전소가 폭발하는 것처럼 대재앙이 발생하진 않는다. 플라즈마는 열용량이 매우 작기 때문. 고등학교 과학 시간에 배운 내용을 기억해보자. 플라즈마는 융합로 내벽에 닿으면 즉시 냉각된다. 그저 더는 핵융합 발전이 이뤄지지 않을 뿐이다. 사실 애초에 필요한 온도까지 가열하는 것부터 불가능해진다.
  32. [32] 러시아어 тороидальная камера с магнитными катушками의 앞글자들을 딴 줄임말이다. токамак. 영어로 해석하자면 toroidal chamber with magnetic coils 즉, 자기장 코일로 만든 도넛형의 가둠 장치. 참고로 해당 소련 연구진에는 유명 핵물리학자이자 소련 수소폭탄의 개발자인 안드레이 사하로프도 포함되어 있었다. 사실 이 사람이 토카막을 처음 제안했다.
  33. [33] 이 장치는 1995년 무려 섭씨 5억 1천만도의 플라즈마 이온 온도를 기록했다.
  34. [34] 당시 실험에서 중수소만을 사용했기 때문에 이 실험으로 얻은 결과를 이용해서 삼중수소가 첨가되었을 때의 Q값을 이론적으로 계산하였다.
  35. [35] 투입된 에너지와 핵융합으로 발생한 에너지의 비를 뜻한다. 실제로는 여러 물리적, 경제적 이유로 이 값이 1이 아닌 10은 넘어야 실제 사용이 가능하다.
  36. [36] 계산 방식에 따라 일부 학자들은 유럽의 JET 토카막도 임계조건을 달성했다고 주장한다. 당시 JET는 가장 높은 열출력을 기록한 핵융합로였다.
  37. [37] 정확히는 자기유체이다. 유체역학 문서 참고
  38. [38] 자화된 플라즈마에서 하전입자는 자기장을 따라 Cyclotron motion을 하기 때문이다.
  39. [39] 다만 처음 고안된 후 60년대까지는 꽤나 인기가 있었는데 아무래도 건설이 훨씬 간단한 토카막에 묻혔다.
  40. [40] 이미 일본의 LHD에서는 1시간 동안 플라즈마를 유지했을 정도다. 참고로 이 장치에서는 섭씨 1억도의 플라즈마 온도도 달성하였다.
  41. [41] 물론 기존에도 스텔러레이터 방식의 핵융합로가 있었다. 일본의 LHD(1998년)라던지 미국의 HSX라던지.
  42. [42] 이 때문에 ITER설립 초기에 토카막 지지파와 스텔러레이터 지지파로 나뉘어 공방이 오갔다.
  43. [43] 플라즈마의 압력을 자기장의 압력으로 나눈 값이다. 베타값이 클수록 작은 핵융합로에서 많은 에너지를 낼 수 있으며, 위에서 말한 aneutronic 핵융합을 일으킬 수 있는 플라즈마 도달온도를 낮출 수 있다는 점에서 제법 도움이 된다는 것이다. 다만 ARC와 ST40는 D-T 연료를 사용할 것이다.
  44. [44] 서울대 원자핵공학과도 VEST라는 이름의 구형 토카막을 보유하고 있으며, 핵융합 연구를 진행중이다.
  45. [45] 현재는 Commonwealth Fusion Systems 라는 회사를 설립하여 후속 연구를 진행중이다.
  46. [46] 이곳에 위치한 Culham Centre for Fusion Energy는 유명 핵융합 연구소로, 핵융합 발전 연구 태동기부터 있었던 연구소이다.
  47. [47] 연료 펠릿에 직접 쏘는 것과 Hohlraum의 내부 벽에 쏘는 것은 엄연히 다른 방식이다. 전자는 Direct drive, 후자는 Indirect drive라고 하며, Indirect drive는 Hohlraum의 내부 벽에 레이저를 쏘고 이때 발생한 엑스선을 이용해 핵융합을 일으킨다. 위 그림이 바로 Indirect drive를 묘사한 것이다. Indirect drive 방식은 수소폭탄의 폭발 메커니즘과 아주 유사하기 때문에 이를 통해 모사 핵실험을 할 수도 있다.
  48. [48] 이온빔 방식은 UC Berkeley과 미국 에너지부 산하 LBNL(로렌스 버클리 국립 연구소)와 러시아 사로프 연구소에서 주로 연구중이다. 그러나 아직 관성 가둠 방식에서 주류는 레이저 빔 방식이다.
  49. [49] 러시아는 소련 시절 ISKRA-4/5 레이저를 통해 레이저핵융합 연구를 진행했었지만, 현재는 진행중인 대형 레이저핵융합 연구 프로그램이 없다. ISKRA-6 프로그램이 계획중이긴 하지만 구체적으로 알려진 바는 없다. 사실 현대 러시아는 PIS를 개발한 Pelin社와 같은 몇몇 실적을 제외하면 냉전시대에 비해 핵융합 분야에서 많은 성과를 보여주지는 못하고 있다.
  50. [50] 미국 다음으로 활발하다
  51. [51] Tri Alpha Energy 사에서 개명하였다.
  52. [52] 이쪽은 핵융합 반응 단면적을 늘려주는 Spin polarized fusion을 시도하는 것으로 보인다.
  53. [53] 전자식 텔레비전의 발명가로, 퓨처라마판스워스 교수의 성을 이 사람에게서 따왔다. 퓨처라마에선 어린이 비만을 발명한 인간으로 언급된다.
  54. [54] 보통 Fusor라고 부른다
  55. [55] 뮤온을 생성하는데도 에너지가 꽤 소모되기 때문에 충분히 재사용되지 못하면 수지타산이 맞지 않는다. 아직 영국의 러더포드 애플턴 연구소(Rutherford Appleton Laboratory)와 일본의 이화학연구소(RIKEN)에서는 다루는 듯 하다.
  56. [56] 인공 중력으로 핵융합 반응을 일으키고 유지한다.
  57. [57] 여기서는 핵융합이 아닌 수소 발전소로 불린다.
  58. [58] 순찰함과 습격함의 주포에서 핵융합탄이 발사된다.
  59. [59] 필살주식중 하나가 핵융합 열선포다!
  60. [60] 97화에서 최후의 기술로 불의 온도를 올려 플라즈마를, 그로서 인공 태양을 만들어버린다! 에너지발전소로 쓰기 딱 좋아보인다
  61. [61] 고온의 플라스마에는 전자와 원자핵이 분리되어 있는데, 전자와 광자는 전자기적으로 상호간섭이 일어나기 때문에 레이저를 투사하면 플라스마의 경계면에서 반사되거나 통과하는 레이저는 에너지를 조금 잃어 파장이 변화한다. 이를 이용하여 간섭을 일으키면 플라스마의 에너지라던가 밀도를 측정하는 게 가능하다.

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