핵융합 효율 개선 방안 탐구

박여은․서지호․송채정․이수현

전북과학고

Ⅰ. Lawson criterion

핵융합 반응이 지속적으로 발생하기 위해서는 고온의 플라즈마를 충분히 오래 유지할 수 있어야 한다. 이처럼 플라즈마를 유지할 수 있는 조건을 Lawson criterion이라고 한다. 핵융합 반응에서 생성되는 에너지 비율이 소실되는 에너지 비율보다 높을 때 이 시스템은 충분한 에너지를 확보함으로써 스스로 핵융합을 지속시킬 수 있는 상태가 된다. 따라서 해당 조건을 만족할 때 시스템은 점화 상태에 이르러 지속적으로 핵융합이 가능하다.

Lawson criterion은 크게 [eqn: n,T,T _{E}] 세 변수에 의해 표현된다. 먼저 [eqn: n]은 플라즈마 입자의 밀도를 나타내며, 단위 부피당 플라즈마 입자 수로 계산된다. [eqn: T]는 플라즈마의 온도로, 입자들의 평균 운동 에너지를 나타낸다. 온도가 높을수록 입자들의 속도가 빨라지므로 핵융합 발생 가능성이 높아진다. [eqn: T _{E}]는 플라즈마 가둠 시간으로, 플라즈마 내부에 공급된 에너지가 외부로 빠져나가지 않고 머무르는 평균 시간을 의미한다. [eqn: T _{E}]값이 클수록 플라즈마는 더 오랜 시간동안 고온을 유지할 수 있어 핵융합 반응에 유리한 환경을 조성할 수 있다. 이 세 요소가 곱해진 값 [eqn: nTT _{E}]가 특정 임계값 이상일 때, 외부에서 지속적인 에너지 공급이 없더라도 플라즈마가 핵융합 반응을 스스로 유지할 수 있게 된다. 이는 에너지 이득 계수인 [eqn: Q GEQ 1]인 상태를 의미한다.

Ⅱ. 핵융합 반응로의 특성 및 장단점

핵융합 반응을 일으키기 위해서 초고온의 플라즈마를 가둬야 한다. 이때 플라즈마를 가두는 방식에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 자기 밀폐형(MCF)은 자기장을 이용하여 플라즈마를 가두는 방법이고, 관성 밀폐형(ICF)는 관성을 이용하여 플라즈마를 가두는 방법이다. MCF의 대표적인 반응로로는 Tokamak과 Stellarator 등이 있고, ICF의 대표적인 반응로로는 NIF, Z-pinch 등이 있다.

(1) Tokamak

핵융합 반응은 두 원자가 합쳐질 때 질량 손실로 인해 에너지가 방출되는 것을 말한다. 이러한 핵융합 반응을 볼 수 있는 예시로는 태양이 있다. 태양 내부에서는 수소 핵융합 반응이 일어나 태양은 [eqn: 3.828 TIMES 10 ^{26}]W의 에너지를 방출한다. 토카막은 도녓형 핵융합 반응로로, 태양처럼 핵융합 반응이 일어나는 환경을 조성하기 위해 강력한 자기장을 이용해 플라즈마를 가둔다. 이 방식에서는 플라즈마가 자기장에 의해 도넛 형태로 가둬지고, 내부에 전류를 흘려 플라즈마를 안정화시킨다. 이때 패러데이 법칙에 의하여 도넛 형태 내부에 설치된 솔레노이드 자기장에 변화를 주는 방식으로 플라즈마 내부에 전류를 흘려주게 된다. 전류를 흘려주면 전자와 이온들이 밖으로 빠져나가지 않고 장치 내부에 머무르게 되는데, 이러한 초고온 플라즈마를 조절하기 위해 장치 외부에 PF 코일을 설치하여 자기력선의 모양을 만들고 위치를 고정하여 토카막을 구동하게 된다.

[그림 ] Tokamak 구조

(2) Stellarator

외부 코일만을 이용하여 3차원 비대칭 자기장을 형성하고, 이를 통해 플라즈마를 가두는 자기밀폐형 핵융합 장치이다. Stellarrator는 외부의 꼬인 코일만으로 자기장을 형성하여 플라즈마 안에 따로 전류를 흘리지 않아도 자기장이 비틀림을 가지게 된다. 이렇게 비틀린 자기력선 위를 플라즈마가 회전하며 벗어나지 않는다는 특징이 있다.

[그림 ] Tokamak과 Stellarator 비교

[표 ] 자기 밀폐형 핵융합 반응로 (Tokamak, Stellarator 비교)

	Tokamak	Stellaraor
자기장 형성 방식	플라즈마 내부에 전류를 흘림	외부 코일로 3차원 자기장 형성
작동 방식	순간 작동 (플라즈마 전류 유도 방식으로 연속 작동이 어려움)	연속 운전 가능
플라즈마 안정성	전류 불안정성에 취약	내부 전류 X → 비교적 안정적
구조	대칭적 도넛형 구조 → 설계 및 제작 비교적 용이	3차원 비대칭 곡면 코일 → 제작 난이도 높음
자기장 정밀도 요구	비교적 유연함	고정밀 자기장 구조 필요 (오차에 민감)
제어 및 유지보수	비교적 쉬움	어려움 (복잡한 구조)

(3) NIF

관성 밀폐형 핵융합 반응로의 대표적인 사례로, 레이저 핵융합을 의미한다. 연료 캡슐을 마이크로미터 크기의 구형 타깃에 담은 후 초고출력 레이저 192개를 동시에 쏴서 타깃 표면을 순간적으로 가열한다. 외부가 가열되면서 내부가 급격히 압축되고 매우 짧은 시간 동안 중심부가 핵융합 조건에 도달하게 된다. 그 결과로 핵융합 반응이 일어나면서 에너지와 중성자를 방출한다. 2022년에 [eqn: Q>1]을 처음으로 달성하며 큰 화제가 되었고, 이후에도 연구가 활발하게 진행 중이다.

[그림 ] NIF 구조

Ⅲ. [eqn: T _{E}]값을 증가시키기 위한 기술적 방안 설계

핵융합 반응로에서 어떤 변수를 조절할지 결정하기 위해서 각 변수를 조절시킬 때 상황을 살펴보았다. [eqn: n]을 증가시키면 작은 부피로 높은 반응률로 반응이 가능하다. 하지만 이를 증가시키기 어려운 이유로는 고밀도일수록 플라즈마 불안정성이 증가하여 에너지 손실이 증가하기 때문이다. [eqn: T]를 높일 시 반응률이 극적으로 증가된다는 장점이 있지만 1억 K 이상의 온도가 필요한데 이를 위한 환경 조성이 어렵다는 문제점과 누설 및 방사선 손실이 증가한다는 문제점이 있다. [eqn: T _{E}]는 손실을 줄이면서 효율을 높일 수 있지만 플라즈마를 오래 가두기 매우 어렵고, 자기장 제어 기술이 필요하다. 위 내용을 볼 때 [eqn: n,T]값은 일정 한계 이상 높이기 어렵고 플라즈마가 불안정해진다는 문제점이 있다. 한편 [eqn: T _{E}]는 플라즈마 격리 방식을 개선하여 지속적으로 증가시킬 수 있다. [eqn: T _{E}]를 증가시킴으로써 플라지마가 더 오랜 시간 동안 고온을 유지할 수 있도록 하고, 에너지 효율을 높여 결과적으로 핵융합 반응을 지속 가능하게 한다. 따라서 [eqn: T _{E}]를 증가시키는 방법을 찾기로 하였다. [eqn: T _{E}]를 증가시키는 방법으로 플라즈마의 불안정성을 억제하는 것을 선택하였다. 핵융합로 안의 플라즈마는 수백만 도의 고온 상태에서 매우 불안정한 성질을 가진다. 이러한 플라즈마의 불안정성을 억제함으로써 [eqn: T _{E}]를 증가시킬 수 있을 것이라고 기대된다.

(1) ELM 제어

플라즈마의 가장자리에서 발생하는 불안정성으로 인해 열과 입자의 갑작스러운 손실을 초래하여, 에너지를 가두는 시간인 [eqn: T _{E}]가 크게 감소하게 된다. 이때 나타나는 가장자리의 불안정성이 ELM(Edge Localized Modes)이다. ELM이란 플라즈마 가장자리에서 압력과 전류가 비정상적으로 쌓이면서 터져 나오는 현상으로, 고에너지 입자와 열이 급격히 방출되어 내부 에너지 손실이 발생한다. 이를 제어하기 위한 방법으로 RMP가 있다. 이는 엣지 주변에 약한 자기장을 인위적으로 생성하여 ELM을 유발하는 경계면의 대칭성을 깨뜨리도록 한다. 결과적으로는 ELM 자체가 사라지거나 크기가 매우 작아지게 된다. ELM을 제어하는 다른 방법으로는 펠릿 주입이 있다. 고체 연료 조각을 플라즈마 가장자리에 고속으로 주입하여 인위적으로 작은 ELM을 자주 일으키는 방식을 말한다. 인위적으로 작은 ELM을 자주 일으킴으로써 큰 ELM이 생기는 것을 방지하게 된다.

[그림 ] Kstar의 ELM 완전 제어

(2) 중성입자 주입 및 전류 구동

Neutral Beam Injection이라고 불리는 중성입자 주입을 통해 고에너지 중성입자를 플라즈마에 쏘아 넣는 방식이다. 수소 이온을 가속시키면 수소 이온이 매우 빠른 속도로 이동하게 된다. 여기에 전자를 붙이면 중성상태로 입자가 변환되고, 자기장의 영향을 받지 않게 된다. 이러한 상태의 중성입자를 플라즈마에 쏘아 넣으면 내부에서 이온화되며 에너지를 전달하고 전류를 유도할 수 있다. 이러한 방식의 효과로는 플라즈마를 가열할 수 있고, 충돌로 인해 플라즈마 내에서 방향성을 가진 전류가 흐르게 된다는 점이 있다. 또한 flow shear를 유도하여 불안정한 유동을 억제할 수 있다는 장점이 있다.

[그림 ] 중성입자 주입 과정

Ⅳ. 제안한 방안의 실현 가능성 평가

(1) ELM 제어

ELM 제어의 장점으로는 내벽을 손상시키는 주요 원인인 ELM을 억제하여 핵융합 장치의 수명을 늘리고 플라즈마 안정성을 향상시킬 수 있다는 점이 있다. 또한 내부 에너지 손실을 줄여 [eqn: T _{E}] 값을 증가시킴으로써 핵융합 반응 유지에 유리하다. 한편 예상되는 단점으로는 매우 정밀한 자기장 제어가 필요하므로 설계 및 작동이 어렵고 민감하다는 점과 초기 설치 비용 및 유지 비용이 크다는 문제점이 있다.

해당 기술은 정밀한 자기장 제어 기술이 필요한 복잡한 장치이지만, 이미 실험적으로 검증된 방법이므로 기술적 실현 가능성이 높다고 할 수 있다. 또한 초기 설치비용과 유지 비용이 많이 들지만 플라즈마 손실 감소로 인한 장치의 수명 연장 효과가 있어 장기적인 관점에서 경제적으로 효율적일 수 있다.

(2) 중성입자 주입 및 전류 구동

고에너지 입자를 직접 주입하여 플라즈마의 온도를 효과적으로 높일 수 있고, 내부 자기장 구조를 직접적으로 유도 및 보정할 수 있어 불안정성 억제에 도움이 된다. 또한 비유도 전류 구동 방식으로 지속적인 운전이 가능하다는 장점이 있다. 한편 NBI 시스템은 고에너지의 입자를 가속하기 위해 매우 높은 전력을 소모하고, 입자를 가속시켜 중성화하고 이를 주입하는 복합적인 구조로 구성되어 있어 설치 및 정비가 까다롭다는 한계점이 있다.

해당 기술은 전 세계 대부분의 토가막에서 이미 적용 중인 기술로 상용 가능성이 높다. 장치의 비용과 전력 소모가 크다는 한계점에도 불구하고 다른 전류 구동 방식에 비해 효율이 높고 제어 정밀도가 뛰어나므로 실현 가능성이 높을 것으로 예측된다.