핵융합의 발견! 모든 것을 바꿀 수 있는 에너지의 돌파구인가? 궁굼하지않소?

[로버트 박]

핵융합의 발견! 

모든 것을 바꿀 수 있는 에너지의 돌파구인가?

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핵융합의 발견! 모든 것을 바꿀 수 있는 에너지의 돌파구인가?

 캘리포니아 로렌스 리버모어 국립 연구소의 국립 점화 시설에서, 

과학자들이 핵융합 반응을 성공적으로 만들어내며 

중대한 돌파구가 열렸다고 CNN이 보도했다. 

하지만 그것은 실제로 무엇을 의미하고, 왜 그렇게 중요할까?

 이것은 단지 손익분기점을 깨는 최초의 순수한 에너지일 뿐만 아니라,

 훨씬 더 큰 무언가를 의미한다. 바로 희망이다! 

이 결과는 화석 연료에 대한 우리의 의존도에 완전히 마침표를 찍고, 

마침내 기후 변화 위기에 긍정적인 영향을 미칠 수 있는

 무한한 청정 에너지 자원을 만들고자, 

수십 년 간의 과학자들의 탐구에서 나온 것이다.

 이 소식이야말로 화석 연료로 고통 받고 있는 지구에게 큰 뉴스이지만,

이것 또한 위협적일 수도 있다. 미래에 세계 최대 동력원이 될 수도 있는 

이 새로운 형태의 원자력 에너지에 대해 알아보자.

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핵융합은 무엇인가?

핵융합은 우리 우주에서 가장 강력한 에너지원인 

태양을 모방하려는 인류의 시도이다. 

태양은 매초 수백 톤의 수소를 헬륨으로 융합하여 일정한 열과 에너지를 

제공하는 거대한 플라즈마 연소 공으로 구성된 자연 융합 공장이다. 

인간이 만든 핵융합 과정은 태양에 동력을 공급하는 것과 같은

 에너지를 복제하려고 노력한다.

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좀 더 작은 차원에서

핵융합은 두 개 이상의 원자가 하나의 큰 원자로 융합될 때 발생한다. 

이 과정은 열로서 엄청난 양의 에너지를 생산한다.

 왜냐하면 융합되는 두 개의 입자가 실제로 서로를 밀어내기 때문이다.

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청정 에너지

핵융합은 화석연료와 달리 온실가스를 배출하지 않는

 사실상 무한한 형태의 에너지를 약속한다.

 게다가, 오늘날 사용되는 핵분열 발전과는 달리,

 장수명 방사성 폐기물을 생산하지 않는다.

 깨끗하고 탄소가 없는 에너지로 움직이는 세상을 상상해 보라.

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핵분열과 어떻게 다른가?

핵융합이 두 개 이상의 원자를 함께 융합하는 반면, 

핵분열은 그 반대 작용을 한다. 

핵분열은 큰 원자를 두 개 이상의 작은 원자로 나누고, 

그 열은 에너지를 생성하는 데 사용된다.

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원자력 폐기물

에너지부에 따르면, 원자력은 방출이 없는 에너지원이지만, 

핵분열을 통해 안전하게 저장되어야 하는 방사성 폐기물을 생성하고 

안전 위험을 수반한다. 

즉, 후쿠시마 원자로와 체르노빌 원자로와 같은 핵 멜트다운이 발생한다.

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훨씬 위험이 적은 핵융합

반면 핵융합은 핵분열과 같은 안전 위험을 수반하지 않으며, 

핵융합에 사용되는 물질은 반감기가 훨씬 짧다고 CNN은 보도했다.

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어떻게 무제한한가?

핵융합의 근원 원소는 주로 중수소와 삼중수소(수소의 두 동위원소)이다.

 중수소는 담수와 소금물 모두에 풍부하며, 500ml의 물에서 나오는 중수소는

 약간의 삼중수소와 함께 1년 동안 집에 전력을 공급할 수 있다고 CNN은 보고했다.

 반면에, 삼중수소는 합성할 수는 있지만, 드물고 얻기가 더 어렵다.

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열쇠는 수소에 있다.

탄소 다이렉트의 수석 과학자이자

 로렌스 리버모어의 수석 에너지 기술자였던 

훌리오 프리드만은 "석탄과 달리 소량의 수소만 필요하며

 우주에서 발견되는 가장 풍부한 믈질"이라며 

"수소는 물에서 발견되기 때문에 이 에너지를 생성하는 물질은 

엄청나게 무제한이고 깨끗하다"고 CNN에 말했다.

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에너지는 어떻게 우리집에 전달되나?

두 원자를 융합함으로써 생성된 열은 물을 따뜻하게 하고, 

증기를 생성하며, 터빈을 돌려 전력을 생산하는 데 사용된다.

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그것의 의미

핵융합을 완벽하게 하는 것은 우리의 과도한 화석 연료 사용으로 

우리 자신에게 일으켰던 기후 변화 위기로부터 인류를 구할 수 있다는 뜻이다.

 청정 에너지원을 갖는 것은 희망적이다. 

치명적인 홍수, 기근을 유발하는 가뭄, 맹렬한 산불, 치명적인 폭염, 

점점 더 많은 생명을 위험에 빠뜨리는 기후 변화의 더 비참한 영향을 완화시킬 것이다.

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엄청난 가능성

만약 우리가 핵융합을 마스터한다면, 

세계의 많은 곳에 전력을 공급하지 못할 이유가 없다. 

보도에 따르면 연료 1그램의 핵융합 에너지의 양은

 8톤의 기름을 써서 만든 에너지와 같다고 하는데,

 이는 800만 대 1의 수확량이다!

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당면할 과제

핵융합 에너지를 이용하는 가장 큰 도전은 발전소를 통해 

전력망과 난방 시스템에 전력을 공급할 수 있도록 

충분히 오래 유지하는 것이다.

 미국의 핵융합 성과는 중요하지만, 생성된 에너지는 여전히

 단일 발전소를 가동하는 데 필요한 규모보다 너무 작다.

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큰 규모의 필요성

제레미 치텐덴 런던 임페리얼 칼리지 관성융합연구센터 공동 책임자는 

핵융합 실험에 대해 CNN에 "물 10 주전자를 끓이는 데 필요한 양"이라고 말했다.

 "이 에너지로 발전소를 가동하기 위해서는 에너지를 더 크게 발생시켜야 합니다.

 훨씬 더 많은 에너지가 필요합니다."

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핵융합은 세계 곳곳에서 일어나고 있다

미국, 영국, 유럽에서는 여러 핵융합 프로젝트가 진행 중이다. 

프랑스는 35개국이 지금까지 가장 야심찬 에너지 프로젝트에 협력하고 있는

 국제 열핵 실험로(ITER) 프로젝트의 본거지이다. 

주요 ITER 회원국은 중국, 미국, 유럽 연합, 러시아, 인도, 일본, 그리고 한국이다.

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영국과 프랑스의 토카막

영국과 프랑스의 ITER 프로젝트에서, 핵융합 과학자들은 

거대한 자석이 장착된 거대한 도넛 모양의 기계인

 토카막으로 연구하고 있다. 

토카막에 소량의 연료가 투입된 후, 자석이 켜지고 

내부의 온도가 믿기 어려울 정도로 높게 책정되면 

종종 제4의 물질 상태라고 불리는 플라즈마가 생성된다.

 플라스마 과학 및 융합 센터에 따르면 플라즈마는

 매우 뜨거운 물질로 전자가 원자에서 떨어져 나가 

전하를 띤 수프처럼 이온화된 가스를 형성한다.

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토카막에서는 무슨일이 벌어질까?

토카막 내부의 온도를 헤아릴 수 없을 정도로 높은 수준

(플라스마가 적어도 섭씨 1억 5천만도에 도달해야 함)으로 상승시키면

 연료에서 나오는 입자들은 강제로 융합된다. 

이렇게 높은 온도에서 중성자는 양전하를 띤 플라스마를 벗어나

 토카막의 벽에 늘어선 "담요"에 부딪혀 운동 에너지를 열로 전달한다.

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유지하기 힘든 열

토카막이 얼마나 많은 열을 포함하고 있는지 계산하는 것은 어렵지만,

 간단히 말하면 섭씨 1억 5천만도는 태양의 중심부보다 대략 10배 더 뜨겁다. 

그렇다면 어떻게 그것이 지구상에 존재할 수 있을까? 

핵융합 에너지 과학자들과 기술자들은 열을 저장하는 강한 자기장을 만드는

 거대한 자석을 설계함으로써 이미 이 장애물을 극복했다. 

그 어떤 다른 물질들은 쉽게 녹아버린다.

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예전의 성과

2022년 2월, 영국 과학자들은 토카막에서 5초 동안 59 메가줄의 

핵융합 에너지를 생성하고 유지했다고 발표했다. 

하루 동안 집에 전력을 공급할 수 있을 정도의 에너지에 불과했고,

 나오는 것보다 더 많은 에너지가 그 과정에 들어갔지만, 

지구상에서 핵융합을 지속할 수 있다는 것이 실제로 가능하다는 것을

 증명했기 때문에 역사적인 실험이었다.

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더 큰 토카막을 짓다

2022년 5월, CNN은 ITER의 새로운 토카막의 무게가 에펠탑 3개와 맞먹는

 23,000톤이 될 것이라고 보도했다. 

그것은 1,000만 개의 작은 부품과 백만 개의 구성 요소로 완성될 것이며, 

일부는 직경이 24 m인 지금까지 만들어진 가장 큰 자석을 포함한다.

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ITER는 러시아 역사와 얽매여 있다

핵융합 에너지의 연구는 1930년대에 다양한 기계들에 

수십 년에 걸쳐 시험되면서 시작되었지만,

 1968년에 플라즈마에 요구되는 고온과 억제 방법을 처음으로 

달성할 수 있었던 것은 소련에서 만들어진 토카막이었다.

 토카막은 빠르게 복제된 기계가 되었고, 심지어 이름도 

러시아어에서 유래했다('토카막'은 자기 감금의 합성어이다.)

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수소폭탄은 최초의 핵융합이었다

핵융합의 첫 시연이었던 수소폭탄은 군이 직접 실험했다. 

수소 핵융합 반응의 동위원소는 핵융합 과정에 필요한 에너지를 방출하는

 일반적인 핵분열 폭탄 주위에 배치되었다. 

그 폭탄은 보통의 원자 폭탄보다 대략 1,000배 더 강력했기 때문에, 

그것은 일반 대중들이 핵융합 연구에 덜 열정적이게 만들었다.

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정치적, 이념적, 경제적 어려움

회원국들의 정치적, 이념적, 경제적 관계를 관리하는 것은 ITER의 가장 큰 

도전 중 하나였으며, 특히 우크라이나 침공으로 악화되었다. 

러시아는 ITER에게 많은 자금과 새로운 토카막을 위한 큰 자석 중 하나를 제공한다.

 ITER의 통신 책임자인 라반 코블렌츠는 "ITER는 정말로 냉전의 산물입니다.

 이는 이념적으로 비동맹 국가들이 의도적으로 협력한 것으로, 

단순히 더 나은 미래를 위한 공동의 목표를 공유하는 것입니다."라고 이야기했다.

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국립 점화 시설에서 레이저 사용

미국에서는 핵융합 작업의 상당 부분이 '열핵 관성 핵융합'이라는 과정을

 사용하고 있는 국립 점화 시설에서 일어나고 있다. 

본질적으로, CNN이 보도한 바와 같이, 과학자들은 

수소 연료가 들어 있는 펠릿을 192개의 레이저 배열로 발사하고, 

이는 초당 50번의 속도로 일련의 빠르고 반복적인 폭발을 일으킨다.

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레이저의 장단점

레이저를 사용함으로써 과학자들은 수소 동위원소 혼합물을 압축하여 

핵융합에 필요한 에너지를 제공할 수 있다. 그렇긴 하지만, 이 과정은

 융합 반응으로부터 레이저 자체를 보호하는 것에 관한 또 다른 문제를 제시한다.

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최근의 돌파구가 중요한 이유

비록 핵융합을 상업적으로 이용할 수 있을때 까지는 갈 길이 멀지만, 

이 획기적인 발견은 과학자들이 그들이 시작했던 것보다 

더 많은 에너지를 생산할 수 있다는 것을 보여준 첫 사례였다. 

이것은 잠재적인 상업적 에너지원의 필수적인 특성이다.

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다음은?

전문가들은 이제 에너지를 더 큰 규모로 생산하는 방법뿐만 아니라 

핵융합 비용을 줄이는 방법을 찾아 핵융합의 상업적인 사용이 

합리적이라는 것을 증명해야 한다. 모든 실험에는 막대한 시간과 비용이 든다.

 예를 들어 ITER에서는 단 하루 지연에 100만 달러가 넘는 비용이 든다고 한다.

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자금 구하기

ITER의 건설 비용 중 45%는 유럽연합이 부담하고 있으며,

 나머지 회원국들은 각각 9%가 조금 넘는 분담금을 내고 있는 것으로 추정된다. 

이 공사는 처음에는 64억 달러로 추정되었지만, 그 이후로 3배 이상 증가했다.

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수 년이 걸릴 것이다

과학자들이 핵융합 반응에서 에너지를 충분히 천천히 방출하여 전력망에 

전기로 전달하는 방법을 익히는 데는 여전히 수십 년이 걸릴 수 있다. 

우리 중 일부는 무한한 깨끗한 에너지를 생산하는 핵융합의 능력을 못볼 수도 있다. 

물론 과학자들은 기후 변화를 막기위해 경쟁하고 있다.

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하지만 모든 것을 바꿀 것이다

 80%가 화석 연료로 보고된 세계 에너지 사용량은 1973년 이후 

두 배 이상 증가했으며, 2022년 세계 인구가 80억 명을 돌파함에 따라 

세기 말에는 에너지 사용량은 실제로 세 배가 될 수도 있다.

 핵융합은 우리를 인류의 가장 깊은 실존적 위기로 이끌었던 

석탄, 석유, 가스와 같은 화석 연료의 사슬에서 

우리를 자유롭게 해줄 구원의 은총일지도 모른다.

출처:

 (Dummies) (CNN 1 and 2) (MIT Plasma Science and Fusion Center)

참조: How climate change is affecting our world