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통제된 열핵융합의 어려움은 무엇입니까? 국제 응용 및 기초 연구 저널

열핵융합 제어(TF)의 문제점

모든 선진국의 연구자들은 통제된 열핵 반응에 다가오는 에너지 위기를 극복할 수 있다는 희망을 걸고 있습니다. 중수소와 삼중수소로부터 헬륨을 합성하는 이 반응은 수백만 년 동안 태양에서 발생해 왔으며, 지상 조건에서는 거대하고 값비싼 레이저 설비, 토카막 및 항성기에서 50년 동안 이를 구현하려고 노력해 왔습니다. 그러나이 어려운 문제를 해결하는 다른 방법이 있으며 거대한 토카막 대신 상당히 작고 저렴한 충돌기 (충돌 빔 가속기)를 사용하여 열핵 융합을 수행하는 것이 가능할 것입니다.

토카막이 작동하려면 매우 적은 양의 리튬과 중수소가 필요합니다. 예를 들어, 전력 1GW의 원자로는 연간 약 100kg의 중수소와 300kg의 리튬을 연소합니다. 모든 핵융합 발전소가 10조 달러를 생산한다고 가정하면. 연간 kWh의 전기, 즉 오늘날 지구의 모든 발전소가 생산하는 것과 동일한 양이라면 세계의 중수소와 리튬 매장량은 수백만 년 동안 인류에게 에너지를 공급하기에 충분합니다.

중수소와 리튬의 융합 외에도 두 개의 중수소 원자가 결합하면 순수한 태양 융합이 가능합니다. 이 반응을 마스터하면 에너지 문제는 즉시 영원히 해결될 것입니다.

제어된 열핵융합의 알려진 변형 중 하나에서 열핵반응은 제어되지 않는 출력 증가 모드로 들어갈 수 없으므로 이러한 원자로는 본질적으로 안전하지 않습니다.

핵융합의 특징은 거의 완벽한 방사선 안전성입니다. 전문가들은 열 출력 1GW의 핵융합 발전소는 방사선 위험 측면에서 전형적인 대학 연구용 원자로인 1KW 우라늄 핵분열로와 동일하다고 말합니다. 이러한 상황은 여러 면에서 주요 국가 정부가 이 분야에서 긴밀한 국제 협력을 통해 열핵에너지에 세심한 관심을 기울이게 만드는 결정적인 요인입니다. 가까운 장래에 임박한 에너지 위기로부터 인류를 구하기 위해 특별한 국제 프로그램이 만들어졌습니다.

1990년대 초반까지 융합 분야 협력에 대한 이야기는 전혀 없었다. 두 초강대국의 모든 노력은 점점 더 강력해지는 열핵무기를 만드는 것을 목표로 했고, 에너지 문제는 '부산물'로 간주됐다. 그럼에도 불구하고 1954년 소련에서는 Leontovich의 지도 하에 최초의 Tokamak가 원자력 연구소에서 건설되었습니다. 1960년대 중반 열핵반응의 위력이 증가하면서 통제된 열핵융합 문제를 심각하게 "밀어내는" 것이 가능해졌습니다.

체르노빌 비극, 러시아와 미국의 군용 원자로에서 발생한 수많은 사고, 그리고 가장 중요한 것은 세계의 일반적인 정치 상황의 급격한 변화로 인해 1998년 러시아의 참여로 미국, 유럽 국가 및 일본, 중수소와 리튬 혼합물의 장기 열핵 연소를 위해 설계된 ITER 토카막 원자로의 엔지니어링 설계가 완료되었습니다. 50억 달러 규모의 ITER 프로그램은 2010~2015년 건설을 제공합니다. 1GW 용량의 실험용 토카막을 건설하고 2030~2035년에 전기를 생산할 수 있는 세계 최초의 실증 핵융합로 건설을 완료하여 '공급' 문제에서 벗어날 계획입니다.

물리적 관점에서 문제는 간단하게 공식화됩니다. 자립적인 핵융합 반응을 수행하려면 두 가지 조건을 충족하는 것이 필요하고 충분합니다.

1. 반응에 관여하는 핵의 에너지는 최소 10keV 이상이어야 합니다. 핵융합이 일어나기 위해서는 반응에 참여하는 핵이 반경 10 -12 -10 -13 cm의 핵력 장에 떨어져야 하지만, 원자핵은 양전하를 띠고 있어 전하와 같은 반발력을 가지고 있습니다. . 핵력 작용의 경계에서 쿨롱 반발 에너지는 10keV 정도입니다. 이 장벽을 극복하려면 충돌 시 핵이 최소한 이 값 이상의 운동 에너지를 가져야 합니다.
2. 반응핵 농도와 특정 에너지를 유지하는 체류 시간의 곱은 최소 10 14 cm -3 이어야 합니다. 소위 로슨 기준(Lawson criterion)이라고 불리는 이 조건은 반응의 에너지적 이점의 한계를 결정합니다. 핵융합 반응에서 방출되는 에너지가 적어도 반응을 시작하는 데 드는 에너지 비용을 충당하려면 원자핵은 많은 충돌을 겪어야 합니다. 중수소(D)와 삼중수소(T) 사이에 핵융합 반응이 일어나는 각 충돌에서 17.6 MeV의 에너지, 즉 약 3 10 -12 J가 방출됩니다. 예를 들어 10 MJ의 에너지가 점화에 소비되면 최소 3 10 18 D-T 쌍이 참여하면 반응은 수익성이 없습니다. 그리고 이를 위해서는 상당히 밀도가 높은 고에너지 플라즈마를 꽤 오랜 시간 동안 반응기 안에 보관해야 합니다. 이 조건은 Lawson 기준으로 표현됩니다.

두 가지 요구 사항이 동시에 충족될 수 있다면 제어된 열핵융합 문제는 해결될 것입니다.

개략적으로, 열핵 원자로는 연료(중수소 및 삼중수소)와 에너지 E1이 유입되어 가열되는 일종의 "블랙 박스"로 표현될 수 있습니다. 반응 생성물(a-입자, 중성자 및 핵융합 중에 방출되는 에너지 E2)은 "상자"에서 나옵니다. 이는 소비된 에너지 E1보다 커야 합니다.

그러나 이러한 물리적 문제를 기술적으로 구현하는 것은 엄청난 어려움에 직면해 있습니다. 결국 10keV의 에너지는 1억도의 온도입니다. 물질은 진공 상태에서 단 1초 동안만 이 온도에서 유지되어 설비 벽에서 격리될 수 있습니다.

현재 제어된 핵융합 문제에 대한 해결책은 플라즈마의 자기 가두기(토카막, 스텔라레이터 등)와 관성 가두기(레이저 융합)라는 두 가지 주요 방향으로 개발되고 있습니다.

강력한 레이저 펄스에 의해 점화되는 열핵미세폭발 방식을 이용한 레이저 융합은 최근 몇 년간 가장 집중적으로 발전해 왔습니다. 여기에서는 빔 수렴, 연료 캡슐 주입, 플라즈마 진단 등의 기술이 크게 발전했습니다. 이는 단지 작은 문제일 뿐입니다. 필요한 매개변수와 펄스 에너지가 1-인 레이저 시스템이 필요합니다. 10MJ. 그러나 이것은 현재 존재하지 않으므로 이러한 작업의 성공을 예측할 실제 이유가 없습니다.

자기 감금은 준정적 플라즈마 연소를 얻으려는 시도로 귀결됩니다. 이러한 방법은 거의 반세기의 역사를 가지고 있습니다. 수많은 실험 연구를 통해 토카막은 최적의 매개변수, 즉 작업실이 운전대 모양의 설치를 가지고 있다는 것이 밝혀졌습니다. 우리가 열핵 플라즈마의 필수 매개변수에 가장 근접할 수 있었던 것은 토카막에서였습니다. 그러나 여기서는 작은 특징을 주목할 필요가 있다. 거의 모든 성공은 규모를 늘려 달성됩니다. 사실 토카막 이론은 플라즈마 감금 시간이 자기장 강도와 설치 크기의 제곱에 정비례한다고 말합니다. 자기장 세기의 한계에 거의 도달했기 때문에 남은 방법은 크기를 늘리는 것뿐입니다. 토카막이 존재하는 동안 직경은 2미터에서 20미터로 늘어났습니다. 보조 장비를 갖춘 토카막은 수억 달러, 심지어 수십억 달러의 가치가 있는 전체 기업입니다. 다음 토카막을 건설하는 데는 몇 년이 걸리며, 이에 대한 일련의 실험을 거친 후 결론은 다음과 같습니다. 더 큰 크기의 설치가 필요합니다. 현재 100억 달러가 넘는 국제 프로젝트 'ITER'가 추진되고 있다. 그러나 이 거대한 구조물이 긍정적인 에너지 출력을 제공할 수 있을지에 대해서는 강한 의구심이 있습니다.

제어된 열핵융합 연구의 매우 중요한 특징은 제안된 플라즈마 감금 방법에 관계없이 모든 프로젝트의 가치가 오늘날 수십억 달러에 달한다는 것입니다. 작은 크기와 저렴한 비용의 설치는 이미 지쳐버린 지 오래입니다. 전 세계적으로 약 10만명의 사람들이 합성 문제를 연구하고 있으며, 선도적인 과학자, 숙련된 엔지니어 및 디자이너가 솔루션을 찾고 있습니다. 결정 과정에서 실수가 있었다고 말할 이유가 전혀 없습니다. 그리고 수년간의 연구 결과, 이 전체 과학자 군대는 명확한 결론에 도달했습니다. 즉, 제어된 합성 문제를 해결하는 것은 천문학적인 건설 비용으로 설치 크기를 늘려야만 가능하다는 것입니다.

우리는 문제 해결을 위한 매우 실제적인 프로젝트의 매우 흥미로운 예를 들 수 있습니다. 거대한 수 입방 킬로미터의 강철 보일러를 물로 반쯤 채우고 열핵 전하의 폭발로 가열하는 것이 제안되었습니다. 우리는 그러한 프로젝트 실행의 타당성과 환경적 결과를 자유롭게 평가하지 않을 것입니다. 이 예는 열핵 에너지를 사용하는 대체 방법을 찾는 규모를 매우 명확하게 보여줍니다.

현재 제어된 열핵융합에 대한 견해는 매우 모순적입니다. 한편으로는 실질적으로 동등한 대안이 없으며 문제 해결에 이미 막대한 돈이 지출되었으며 후퇴가 불가능합니다. 반면에, 각각의 새로운 단계에는 점점 더 많은 비용이 발생합니다. 많은 국가에서는 엄청난 비용으로 인해 추가 연구를 포기해야 했습니다. 가장 열성적인 낙관론자조차도 이 문제는 다음 세기 중반까지 해결되지 않을 것이라고 예상합니다. 그러나 그때쯤이면 지구상의 거의 모든 석유와 가스 매장량이 소실될 것이며, 따라서 인류는 심각한 원자재 위기에 직면하게 될 것입니다. 그래도 해결 방법을 찾지 못하면 어떻게 됩니까?...

그러나 전망이 정말로 그렇게 암울하고 인류가 그것을 피하기 위해 엄청난 비용을 지불해야 할까요? 더 저렴하고 접근하기 쉬운 솔루션이 있을까요?

그런 방법이 있습니다. 그리고 자연은 이미 그에게 여러 번 메시지를 보냈습니다. 열핵 연구 초기에도 방전 전류의 자기장에 의해 플라즈마 기둥이 압축되는 소위 "핀치 효과"가 발견되었습니다. 그 효과로 인해 핵융합 반응의 징후인 중성자가 방출되었습니다. 많은 기대가 있었고 합성 문제에 대한 빠른 해결책이 기대되었습니다. 이 순간은 당시 유명한 영화 “1년의 9일”에서 매우 감정적으로 표현되었습니다. 그러나 기쁨은 곧 실망으로 바뀌었습니다. 중성자 방출의 원인은 플라즈마 기둥의 전체 부피에 걸친 반응이 아니라 빠른 중수소(중수소 핵)의 작은 그룹이라는 것이 밝혀졌습니다. 강한 불안정성 동안 플라즈마에서 발생하는 전기장에 의해 가속될 때 중수소는 다른 플라즈마 입자의 에너지를 크게 초과하는 에너지를 받고 중성자의 방출과 함께 핵융합 반응을 시작했습니다. 물리학자들은 이러한 "팀과의 분리"를 정말 좋아하지 않았습니다. 결과로 나온 중성자는 "거짓"이라고 불렸고 이러한 검색 방향은 포기되었습니다. 그런데 합성반응이 진행되고 있었어요!

최근 과거의 또 다른 예입니다. 많은 사람들은 '냉열핵융합'에 관한 놀라운 메시지를 잘 기억하고 있습니다. 그러나 M. Fleischmann과 S. Pons가 그리고 S. Jones가 독립적으로 발견한 효과는 매우 약하고 에너지를 생성하는 데 사용할 수 없다는 것이 금방 분명해졌습니다. 발견된 효과에 대한 가장 유력한 설명은 소위 "가속기 모델"입니다. 즉, 팔라듐이 균열될 때 발생하는 강한 전기장에 의해 중수소가 가속되어 핵융합 반응이 발생합니다. 다시 중수소 가속!

첫 번째 핵융합 반응은 빠른 b 입자를 질소 핵에 충돌시켜 수행되었습니다. 초우라늄 원소의 핵은 알려진 원소의 핵에 가속된 입자를 충돌시켜 얻은 것입니다.

가속기에서 핵반응이 수행되는 방식은 완전히 자연스럽고 누구도 의심하지 않습니다. 가속된 양성자의 에너지 수준은 이미 수백 기가전자볼트 단위로 측정되었습니다. 이러한 기술의 경우 쿨롱 장벽 에너지가 10keV인 중수소-삼중수소 또는 중수소-중수소의 합성 반응은 전혀 어렵지 않습니다. 그러나 가속된 중수소와 삼중수소 핵의 충돌을 이용한 핵융합 반응의 가능성은 아직 연구되지 않았다. 여기에는 매우 중요한 이유가 있습니다.

사실 열핵 연구의 주요 목표는 다량의 에너지 방출로 강렬한 반응을 얻는 것이며 가속기에서는 핵 반응이 거의 개별적으로 발생합니다. 여기서 가장 중요한 것은 반응 행위의 수가 아니라 그 발생 사실입니다. 가속기에서 낮은 핵반응 강도는 가속된 빔의 입자 수가 상대적으로 적고 그에 따라 농도가 낮다는 사실에 의해 결정됩니다. 물론 제어된 핵융합 문제를 해결하기 위해 현대 가속기 기술을 직접 사용하는 것은 의미가 없습니다. 그녀에게는 빔의 입자 농도를 높이는 작업이 설정되었지만 주요 작업은 아닙니다. 여기서 주요 임무는 최대 입자 에너지를 달성하는 것입니다.

문제를 조금 다르게 공식화해 볼까요? 핵융합 반응이 일어날 가능성이 높을 때, 빔의 입자 밀도가 1014cm인 수백 킬로전자볼트의 가속된 중수소 및 삼중수소 이온(중수소, 트리톤)의 에너지를 갖는 충돌 빔을 사용하여 가속기를 개발 및 생성 - 3, 실용상 강도가 충분히 높을 때. 현대 과학 기술의 발전으로 이러한 문제는 작은 가속기를 사용하여 매우 빠르게 해결할 수 있습니다. 계산에 따르면 필요한 이온 밀도를 얻으려면 가속기의 전류가 수십 암페어여야 합니다. 오늘날 존재하는 고전류 이온 가속기는 최대 10 6 eV의 이온 에너지에서 최대 10 6 A의 전류를 얻을 수 있게 해줍니다. 남은 작업은 그러한 매개변수를 가진 빔을 포함하는 것입니다. 하지만 이 문제에도 해결책이 있습니다. 현대식 충돌 빔 가속기에서는 제한 시간이 시간 단위로 측정됩니다! 빔 충돌이 본질적으로 펄스 주기적인 반응로를 구축하려고 시도할 수도 있습니다. 이 경우 빔의 충돌은 10 -7 -10 -8초 정도 지속되며 이 시간 동안만 "유지"하면 됩니다. 충돌은 10 7 -10 8Hz의 빈도로 반복될 수 있으며 이는 반응이 거의 연속적으로 연소됨을 의미합니다.

충돌 빔 방식과 자기 가두기 방식의 가장 중요한 차이점은 가속기의 크기가 핵융합 조건을 달성하는 데 근본적인 역할을 하지 않는다는 것입니다. 실험 설정의 최소 크기는 필요한 에너지를 갖는 이온 소스의 크기에 의해서만 결정됩니다. 그리고 그들은 작습니다. 산업에서 사용되는 수백 킬로 전자 볼트의 이온 소스 (예 : 반도체 이온 주입)는 10m2 이하의 면적을 차지하고 수천 달러의 비용이 듭니다. "무효" 핵융합 실험에서는 충돌기의 크기(빔이 충돌하는 부피)가 매우 작을 수 있습니다. 예를 들어, 길이가 2cm이고 직경이 0.4cm인 경우 25W의 열 방출이 예상됩니다. 즉, 설치의 비전력은 10 8 W/m 3(대략 다음과 동일)입니다. 내연기관의 경우). 이러한 매개변수를 달성한다는 것은 제어된 열핵융합 문제에 대한 물리적 해결책을 의미합니다. 필요한 용량을 확보하는 것은 순전히 기술적인 문제입니다. 예를 들어 원자로의 작업량에는 필요한 수의 충돌기, 즉 "열핵 연료봉", 연료 요소가 포함될 수 있습니다.

유사한 제안이 과학 문헌에서 반복적으로 표현되었지만 불행히도 그 문제는 연구의 요점에 이르지 못했습니다. 한편, 그들은 작고 저렴한 실험실 벤치에서 간단한 실험 테스트를 수행합니다.

이러한 실험의 많은 물리적, 기술적 문제는 이미 해결되었습니다. 추정에 따르면 작업 비용은 이 분야의 다른 연구보다 10~20,000배 저렴할 것으로 예상됩니다. 그리고 성공하면 현재 개발 중인 모든 방향에서 약속하는 것보다 제어된 열핵융합 문제에 대한 비교할 수 없을 정도로 간단한 해결책의 가능성이 열립니다.

2016년 7월 9일

일부 낙관론자들이 말하는 것처럼 현대 초전도체를 사용한 혁신적인 프로젝트를 통해 제어된 열핵융합을 구현하는 것이 곧 가능해질 것입니다. 하지만 전문가들은 실제 적용에는 수십 년이 걸릴 것으로 내다봤다.

왜 그렇게 어려운가요?

핵융합에너지는 미래 에너지원으로 주목받고 있다. 이것이 원자의 순수한 에너지입니다. 그러나 그것은 무엇이며 달성하기 어려운 이유는 무엇입니까? 먼저, 고전적 핵분열과 열핵융합의 차이점을 이해해야 합니다.

원자분열은 우라늄이나 플루토늄과 같은 방사성 동위원소가 분리되어 다른 고방사성 동위원소로 변환되는 과정이며, 이 동위원소는 폐기되거나 재활용되어야 합니다.

열핵융합 반응은 수소의 두 동위원소인 중수소와 삼중수소가 하나의 전체로 융합되어 방사성 폐기물을 생성하지 않고 무독성 헬륨과 단일 중성자를 형성하는 것입니다.

제어 문제

태양이나 수소폭탄에서 일어나는 반응은 열핵융합이며, 엔지니어들은 발전소에서 이 과정을 어떻게 제어할 것인가라는 엄청난 과제에 직면하게 됩니다.

이것은 과학자들이 1960년대부터 연구해 온 것입니다. Wendelstein 7-X라고 불리는 또 다른 실험용 열핵융합로가 독일 북부 도시 Greifswald에서 가동을 시작했습니다. 아직 반응을 일으키려는 의도는 없습니다. 테스트 중인 특수 설계일 뿐입니다(토카막 대신 스텔라레이터).

고에너지 플라즈마

모든 열핵 설비에는 고리 모양이라는 공통된 특징이 있습니다. 이는 강력한 전자석을 사용하여 부풀린 자전거 내부 튜브인 토러스 모양의 강력한 전자기장을 생성한다는 아이디어를 기반으로 합니다.

이 전자기장은 밀도가 매우 높아 전자레인지에서 섭씨 100만도까지 가열하면 플라즈마가 링의 중심에 나타나야 합니다. 그런 다음 핵융합이 시작될 수 있도록 점화됩니다.

역량 입증

현재 유럽에서는 두 가지 유사한 실험이 진행 중입니다. 그 중 하나는 최근 최초로 헬륨 플라즈마를 생성한 Wendelstein 7-X입니다. 다른 하나는 아직 건설 중이며 2023년 가동을 목표로 하는 프랑스 남부의 거대한 핵융합 실험 시설인 ITER입니다.

실제 핵반응은 ITER에서 일어날 것으로 추정됩니다. 비록 짧은 시간 동안일 뿐이고 확실히 60분을 넘지 않을 것입니다. 이 원자로는 핵융합을 실용화하기 위한 여러 단계 중 하나일 뿐입니다.

핵융합로: 더 작고 더 강력하다

최근 몇몇 설계자들이 새로운 원자로 설계를 발표했습니다. 매사추세츠 공과대학 학생 그룹과 무기 제조업체 록히드 마틴 대표에 따르면 핵융합은 ITER보다 훨씬 더 강력하고 작은 시설에서 달성할 수 있으며 10년 이내에 완료할 준비가 되어 있다고 합니다. 연령.

새로운 디자인의 아이디어는 액체 헬륨을 필요로 하는 기존의 초전도체가 아닌 액체 질소로 냉각될 때 그 특성을 나타내는 현대식 고온 초전도체를 전자석에 사용하는 것입니다. 새롭고 더욱 유연한 기술은 원자로의 설계를 완전히 바꿀 것입니다.

독일 남서부의 칼스루에 공과대학에서 핵융합 기술을 담당하고 있는 클라우스 헤쉬(Klaus Hesch)는 회의적입니다. 이는 새로운 원자로 설계에 새로운 고온 초전도체의 사용을 지원합니다. 그러나 그에 따르면 물리 법칙을 고려하여 컴퓨터에서 무언가를 개발하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 아이디어를 실제로 적용할 때 발생하는 문제를 고려해야 합니다.

SF

Hesch에 따르면 MIT 학생들의 모델은 프로젝트의 타당성만을 보여줍니다. 그러나 실제로는 공상과학 소설이 많이 포함되어 있습니다. 이 프로젝트에서는 핵융합의 심각한 기술적 문제가 해결되었다고 가정합니다. 그러나 현대과학은 이를 해결하는 방법을 전혀 모릅니다.

그러한 문제 중 하나는 접을 수 있는 릴이라는 아이디어입니다. MIT 설계에서는 전자석을 분해하여 플라즈마를 보유하는 링 내부로 들어갈 수 있습니다.

이는 내부 시스템의 객체에 접근하고 교체할 수 있기 때문에 매우 유용할 것입니다. 하지만 실제로 초전도체는 세라믹 소재로 만들어집니다. 올바른 자기장을 형성하려면 수백 개가 정교한 방식으로 얽혀 있어야 합니다. 그리고 여기에 더 근본적인 어려움이 있습니다. 그들 사이의 연결은 구리 케이블 사이의 연결만큼 간단하지 않습니다. 그러한 문제를 해결하는 데 도움이 되는 개념에 대해 아무도 생각조차 하지 않았습니다.

너무 뜨거운

높은 온도도 문제다. 핵융합 플라즈마의 핵심 온도는 섭씨 약 1억 5천만도에 달합니다. 이 극심한 열은 이온화된 가스의 중심에 그대로 남아 있습니다. 그러나 그 주변에서도 핵융합이 발생하는 데 필요한 삼중수소가 "재생"되는 금속 튜브의 내부 층인 원자로 구역에서는 500도에서 700도까지 여전히 매우 뜨겁습니다.

핵융합로는 소위 전력 방출이라는 더 큰 문제를 안고 있습니다. 이는 사용된 연료(주로 헬륨)가 합성 공정에서 나오는 시스템의 일부입니다. 뜨거운 가스가 유입되는 첫 번째 금속 부품을 "전환기"라고 합니다. 2000°C 이상까지 가열될 수 있습니다.

전환기 문제

장치가 그러한 온도를 견딜 수 있도록 엔지니어들은 구식 백열 전구에 사용되는 금속 텅스텐을 사용하려고 노력하고 있습니다. 텅스텐의 녹는 점은 약 3000도입니다. 그러나 다른 제한 사항이 있습니다.

가열이 지속적으로 발생하지 않기 때문에 이는 ITER에서 수행될 수 있습니다. 원자로는 가동 시간의 1~3%만 가동될 것으로 예상된다. 그러나 이는 연중무휴 24시간 가동되어야 하는 발전소의 경우에는 선택사항이 아닙니다. 그리고 누군가 ITER와 동일한 전력으로 더 작은 원자로를 건설할 수 있다고 주장한다면 전환기 문제에 대한 해결책이 없다고 말하는 것이 안전합니다.

수십년 만에 발전소

그럼에도 불구하고, 과학자들은 열핵 원자로의 개발에 대해 낙관하고 있지만, 일부 열성팬이 예측하는 것만큼 빠르지는 않을 것입니다.

ITER는 제어된 핵융합이 실제로 플라즈마 가열에 소비되는 것보다 더 많은 에너지를 생산할 수 있음을 보여주어야 합니다. 다음 단계는 실제로 전기를 생산하는 완전히 새로운 하이브리드 실증 발전소를 건설하는 것입니다.

엔지니어들은 이미 설계 작업을 진행 중입니다. 2023년 발사 예정인 ITER에서 교훈을 얻어야 할 것이다. 설계, 계획, 건설에 소요되는 시간을 고려하면 최초의 핵융합발전소가 21세기 중반보다 훨씬 일찍 가동될 가능성은 낮아 보인다.

저온 핵융합 러시아

2014년에 E-Cat 원자로에 대한 독립적인 테스트에서 이 장치는 900와트를 소비하면서 32일 동안 평균 2,800와트의 전력 출력을 생산한 것으로 결론지었습니다. 이는 어떤 화학 반응이 방출할 수 있는 것보다 더 많은 양입니다. 그 결과는 열핵융합의 획기적인 발전이나 노골적인 사기를 말해줍니다. 이 보고서는 리뷰가 진정으로 독립적인지 의문을 제기하고 테스트 결과의 위조 가능성을 제안하는 회의론자들을 실망시켰습니다. 다른 사람들은 기술을 복제하기 위해 Rossi의 융합을 가능하게 하는 "비밀 성분"을 알아내기 시작했습니다.

로시는 사기꾼인가요?

안드레아는 인상적이다. 그는 Journal of Nuclear Physics라고 불리는 자신의 웹사이트 댓글 섹션에서 독특한 영어로 전 세계에 선언문을 발행합니다. 그러나 그의 이전 시도에는 이탈리아의 폐기물 연료화 프로젝트와 열전 발전기가 포함되어 실패했습니다. 폐기물 에너지화 프로젝트인 페트롤드래곤(Petroldragon)은 불법 폐기물 투기가 이탈리아 조직범죄에 의해 통제되어 폐기물 규정 위반으로 형사 고발을 당했기 때문에 부분적으로 실패했습니다. 그는 또한 미 육군 공병대를 위한 열전 장치를 만들었지만 테스트하는 동안 장치는 명시된 전력의 일부만 생산했습니다.

많은 사람들이 Rossi를 신뢰하지 않으며 New Energy Times의 편집장은 그를 일련의 실패한 에너지 프로젝트 뒤에 있는 범죄자라고 직접 불렀습니다.

독립적인 검증

Rossi는 1MW 상온 핵융합 발전소에 대한 1년간의 비밀 테스트를 수행하기 위해 미국 회사 Industrial Heat와 계약을 체결했습니다. 이 장치는 수십 개의 E-Cat이 들어 있는 선적 컨테이너였습니다. 실제로 열이 발생하는지 확인할 수 있는 제3자가 실험을 모니터링해야 했습니다. Rossi는 E-Cat의 상업적 생존 가능성을 입증하기 위해 작년의 대부분을 컨테이너에 살면서 하루 16시간 이상 작동을 관찰하면서 보냈다고 주장합니다.

3월에 시험이 끝났습니다. Rossi의 지지자들은 그들의 영웅이 무죄 판결을 받기를 바라며 관찰자의 보고서를 간절히 기다렸습니다. 하지만 그들은 결국 소송을 당하게 됐다.

재판

Rossi는 플로리다 법원에 제출한 서류에서 테스트가 성공적이었고 독립적인 중재인이 E-Cat 원자로가 소비한 것보다 6배 더 많은 에너지를 생산했음을 확인했다고 밝혔습니다. 그는 또한 Industrial Heat가 24시간 평가판 이후에 미화 1억 달러에서 미화 1,150만 달러를 선불로 지불하기로 합의했다고 주장했습니다(표면적으로는 회사가 미국에서 기술을 판매할 수 있도록 라이센스 권리를 위해). 연장된 평가판은 350일 이내입니다. Rossi는 IH가 자신의 지적 재산을 훔치기 위해 "사기 계획"을 운영하고 있다고 비난했습니다. 그는 또한 회사가 E-Cat 원자로를 남용하고, 혁신적인 기술과 제품, 기능 및 디자인을 불법적으로 복제하고, 자신의 지적 재산권에 대한 특허를 부적절하게 얻으려고 시도했다고 비난했습니다.

금광

다른 곳에서 Rossi는 자신의 시위 중 하나에서 IH가 투자자로부터 5천만~6천만 달러를 받았으며 중국 고위 관리가 참여한 재연 이후 중국으로부터 2억 달러를 추가로 받았다고 주장했습니다. 이것이 사실이라면 1억 달러 이상의 위험이 따릅니다. Industrial Heat는 이러한 주장이 근거가 없다고 거부했으며 적극적으로 방어할 계획입니다. 더 중요한 것은 그녀가 "Rossi가 E-Cat 기술로 달성한 결과를 확인하기 위해 3년 넘게 노력했지만 성공하지 못했다"고 주장한다는 것입니다.

IH는 E-Cat이 작동할 것이라고 믿지 않으며 New Energy Times는 이를 의심할 이유가 없다고 봅니다. 2011년 6월, 출판사 대표가 이탈리아를 방문하여 Rossi를 인터뷰하고 그의 E-Cat 시연을 촬영했습니다. 하루 후 그는 화력 측정 방식에 대해 심각한 우려를 표명했습니다. 6일 후, 기자는 자신의 영상을 유튜브에 올렸다. 전 세계의 전문가들이 7월에 발표된 분석 결과를 그에게 보냈습니다. 이것이 사기라는 것이 분명해졌습니다.

실험적 확인

그러나 러시아 인민 우호 대학교의 Alexander Parkhomov와 Martin Fleischmann Memorial Project(MFPM) 등 많은 연구자들이 Rossi의 상온 핵융합을 재현하는 데 성공했습니다. MFPM 보고서의 제목은 “탄소 시대의 끝이 가까워졌습니다”였습니다. 이러한 감탄의 이유는 열핵 반응 외에는 설명할 수 없는 감마선 폭발의 발견 때문이었습니다. 연구자들에 따르면 Rossi는 자신이 말한 것과 정확히 일치합니다.

실행 가능한 오픈 소스 상온 융합 레시피는 에너지 골드러시를 촉발할 수 있습니다. Rossi의 특허를 우회하여 수십억 달러 규모의 에너지 사업에서 그를 보호할 수 있는 대체 방법이 발견될 수도 있습니다.

그래서 아마도 Rossi는 이러한 확인을 피하는 것을 선호할 것입니다.

왜 그렇게 어려운가요?

핵융합 에너지는 잠재적인 에너지원으로 간주되며 순수한 원자력 에너지입니다. 그러나 그것은 무엇이며 달성하기 어려운 이유는 무엇입니까? 먼저, 고전 핵융합과 열핵융합의 차이점을 이해해야 합니다.

핵융합은 수소의 두 동위원소인 중수소와 삼중수소가 단일 전체로 합쳐져 방사성 폐기물을 생성하지 않고 무독성 헬륨과 단일 중성자를 형성하는 것으로 구성됩니다.

제어 문제

고에너지 플라즈마

역량 입증

핵융합로: 더 작고 더 강력하다

새로운 디자인의 아이디어는 전자석에 현대적인 고온 초전도체를 사용하는 것인데, 이는 기존의 초전도체가 아닌 액체 질소로 냉각될 때 그 특성을 나타내는데, 이는 전자석의 디자인을 완전히 바꿀 수 있는 새롭고 보다 유연한 기술이 필요합니다. 원자로.

독일 남서부의 카를스루에 공과대학(Karlsruhe Institute of Technology)에서 기술을 담당하고 있는 클라우스 헤쉬(Klaus Hesch)는 회의적입니다. 이는 새로운 원자로 설계에 새로운 고온 초전도체의 사용을 지원합니다. 그러나 그에 따르면 물리 법칙을 고려하여 컴퓨터에서 무언가를 개발하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 아이디어를 실제로 적용할 때 발생하는 문제를 고려해야 합니다.

SF

너무 뜨거운

소위 전력 출력이라는 더 큰 문제가 있습니다. 이는 사용된 연료(주로 헬륨)가 합성 공정에서 나오는 시스템의 일부입니다. 뜨거운 가스가 유입되는 첫 번째 금속 부품을 "전환기"라고 합니다. 2000°C 이상까지 가열될 수 있습니다.

전환기 문제

수십년 만에 발전소

그럼에도 불구하고, 과학자들은 열핵 원자로의 개발에 대해 낙관하고 있지만, 일부 열성팬이 예측하는 것만큼 빠르지는 않을 것입니다.

저온 핵융합 러시아

로시는 사기꾼인가요?

많은 사람들이 Rossi를 신뢰하지 않으며 New Energy Times의 편집장은 그를 일련의 실패한 에너지 프로젝트 뒤에 있는 범죄자라고 직접 불렀습니다.

독립적인 검증

재판

금광

실험적 확인

그러나 러시아 인민 우호 대학교의 Alexander Parkhomov와 Martin Fleischmann Memorial Project(MFPM) 등 많은 연구자들이 Rossi의 상온 핵융합을 재현하는 데 성공했습니다. MFPM 보고서의 제목은 “탄소 시대의 끝이 가까워졌습니다”였습니다. 이런 감탄의 이유는 열핵반응 외에는 설명할 수 없는 발견 때문이었다. 연구자들에 따르면 Rossi는 자신이 말한 것과 정확히 일치합니다.

그래서 아마도 Rossi는 이러한 확인을 피하는 것을 선호할 것입니다.

열핵 원자로에서 최종적으로 얻을 수 있는 에너지의 임박한 사용에 대해 상당히 권위 있는 외국 전문가들의 절대적인 자신감으로 가득 찬 진술에도 불구하고 모든 것이 그렇게 낙관적이지는 않습니다. 매우 이해하기 쉽고 접근하기 쉬운 것처럼 보이는 열핵 에너지는 실제로 실제로 광범위하고 광범위하게 구현되는 것과는 거리가 멀습니다. 최근 인터넷에는 “가까운 미래에 핵융합로를 만드는 데 기술적 장애물이 사실상 남아 있지 않다”는 장밋빛 메시지가 일반 대중에게 다시 등장했습니다. 하지만 그런 자신감은 예전부터 있었어요. 그것은 매우 유망하고 해결 가능한 문제처럼 보였습니다. 그러나 수십 년이 지났고 그들이 말하는 카트는 여전히 거기에 있습니다. 매우 효율적이고 환경친화적인 에너지원은 여전히 인류의 통제 범위를 벗어났습니다. 이전과 마찬가지로 이것은 언젠가 성공적인 프로젝트로 끝날 유망한 연구 개발 주제입니다. 그러면 풍요의 뿔에서처럼 에너지가 우리에게 올 것입니다. 그러나 사실은 시간을 표시하는 것과 같은 긴 진전이 당신을 매우 진지하게 생각하고 현재 상황을 평가하게 만든다는 것입니다. 몇 가지 중요한 요소를 과소평가한다면 매개변수의 중요성과 역할을 고려하지 않는 것이 좋습니다. 결국, 태양계에도 가동되지 않은 열핵 원자로가 있습니다. 이것은 행성 목성입니다. 질량 부족과 중력 압축으로 인해 이 거대 행성의 대표자는 필요한 전력에 도달하여 태양계의 또 다른 태양이 될 수 없었습니다. 기존의 핵연료와 마찬가지로 연쇄반응이 일어나기 위해서는 임계질량이 필요하다는 것이 밝혀졌기 때문에 이 경우에도 제한적인 매개변수가 있습니다. 그리고 전통적인 핵 전하를 사용할 때 필요한 최소 질량에 대한 제한을 어떻게 든 피하기 위해 폭발 중 재료 압축이 사용되는 경우 열핵 설비를 만드는 경우 특정 비표준 솔루션도 필요합니다.

문제는 혈장을 얻어야 할 뿐만 아니라 유지해야 한다는 것입니다. 생성되는 열핵 원자로의 작동에는 안정성이 필요합니다. 그러나 이것은 큰 문제입니다.

물론 열핵융합의 이점에 대해 아무도 논쟁하지 않을 것입니다. 이것은 에너지를 얻기 위한 거의 무제한의 자원입니다. 그러나 러시아 기관 ITER(우리는 국제 실험용 열핵 원자로에 대해 이야기하고 있음)의 이사는 10여 년 전에 미국과 영국이 열핵 시설에서 에너지를 받았지만 그 출력은 투자한 전력과는 거리가 멀다고 올바르게 지적했습니다. 최대치는 70%에도 못 미쳤다. 하지만 현대 프로젝트(ITER)는 투자 대비 10배 이상의 전력을 확보해야 합니다. 따라서 이 프로젝트는 기술적으로 복잡하며 이에 대한 조정은 물론 원자로의 발사 날짜에 대한 조정이 이루어질 것이며 결과적으로 이 개발에 투자한 주에 대한 투자 수익이 반환될 것이라는 진술입니다. , 매우 놀랍습니다.

따라서 자연 열핵 원자로(별)에서 플라즈마를 유지하는 강력한 중력을 인간 공학 창조의 결과인 자기장으로 대체하려는 시도가 얼마나 정당한가라는 의문이 제기됩니다. 열핵융합의 장점 - 에너지 방출은 예를 들어 기존 연료를 연소할 때 발생하는 열 방출보다 수백만 배 더 큽니다. 동시에 이것이 성공적인 억제에 장애물이 됩니다. 에너지가 자유로워집니다. 충분한 수준의 중력으로 쉽게 해결되는 문제는 엔지니어와 과학자에게는 엄청나게 어려운 작업이 됩니다. 이것이 열핵에너지의 즉각적인 전망에 관해 낙관론을 공유하는 것이 그토록 어려운 이유입니다. 천연 열핵 원자로인 태양을 사용할 가능성이 훨씬 더 높습니다. 이 에너지는 적어도 50억년 동안 지속될 것이다. 이로 인해 광전지, 열전소자 및 일부 증기 보일러도 작동하며 렌즈 또는 구형 거울을 사용하여 물을 가열합니다.

참고문헌 링크

Silaev I.V., Radchenko T.I. 열핵융합을 위한 설치물 생성 문제 // 국제 응용 및 기초 연구 저널. – 2014. – 1호. – P. 37-38;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=4539 (접근 날짜: 2019년 9월 19일). 출판사 "자연 과학 아카데미"에서 발행하는 잡지에 주목합니다.

플라즈마 물리학 분야는 별을 병에 담고자 하는 열망에서 꽃피웠습니다. 지난 수십 년 동안 이 분야는 천체 물리학에서 우주 날씨, 나노기술에 이르기까지 수많은 방향으로 성장했습니다.

플라즈마에 대한 우리의 일반적인 이해가 커짐에 따라 1초 이상 핵융합 조건을 유지할 수 있는 능력도 커졌습니다. 올해 초 중국의 새로운 초전도 핵융합로는 기록적인 102초 동안 섭씨 5천만도의 플라즈마를 담을 수 있었습니다. 지난 가을 독일에서 처음 비행한 벤델슈타인 X-7 스텔라레이터는 이 기록을 깨고 한 번에 최대 30분 동안 플라즈마를 유지할 수 있을 것으로 예상된다.

NSTX-U에 대한 최근 업데이트는 이러한 괴물에 비해 겸손해 보입니다. 이제 실험에서는 1초가 아닌 5초 동안 플라즈마를 유지할 수 있습니다. 그러나 이것은 또한 중요한 이정표입니다.

"5초만 지속되는 핵융합 플라즈마를 생성하는 것은 그리 긴 과정처럼 보이지 않을 수 있습니다. 그러나 플라즈마 물리학에서 5초는 정상 상태 물리학과 비교할 수 있습니다."라고 Myers는 말합니다. 안정적이다. 궁극적인 목표는 외부 에너지 투입이 거의 없이 스스로 핵융합을 수행할 수 있는 안정적인 '연소 플라즈마' 상태를 달성하는 것이다. 아직까지 이를 달성한 실험은 없습니다.

NSTX-U를 통해 프린스턴 연구원들은 현재 플라즈마 물리학에서 알려진 것과 정상 상태 연소를 달성하고 청정 전기를 생성할 수 있는 파일럿 플랜트를 만드는 데 필요한 것 사이의 격차를 일부 메울 수 있습니다.

한편으로 더 나은 격납 재료를 찾으려면 핵융합 플라즈마와 원자로 벽 사이에서 어떤 일이 일어나는지 더 잘 이해해야 합니다. 프린스턴은 장기적인 부식을 줄이기 위해 원자로 벽(탄소 흑연으로 만들어짐)을 액체 리튬으로 만들어진 "벽"으로 교체할 가능성을 모색하고 있습니다.

게다가 과학자들은 합성이 지구 온난화에 맞서 싸우는 데 도움이 된다면 서둘러야 한다고 믿습니다. NSTX-U는 물리학자들이 구형 토카막 설계를 계속 개발할지 여부를 결정하는 데 도움이 될 것입니다. 대부분의 토카막 원자로는 사과 모양이 덜하고 도넛 모양, 도넛 모양, 토러스 모양이 더 많습니다. 구형 토러스의 특이한 모양으로 인해 코일의 자기장을 보다 효율적으로 사용할 수 있습니다.

"장기적으로 우리는 이러한 기계 중 하나의 구성을 최적화하는 방법을 알아내고 싶습니다."라고 플라즈마 및 핵융합 과학 센터의 부소장인 Martin Greenwald는 말합니다. "이를 위해서는 기계의 성능이 모양과 같이 제어할 수 있는 요소에 따라 어떻게 달라지는지 알아야 합니다."

마이어스는 우리가 상업적으로 실현 가능한 핵융합 에너지로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지 추정하는 것을 싫어하며 이해할 수 있습니다. 결국, 수십 년간의 끊임없는 낙관주의는 이 분야의 명성을 심각하게 손상시켰고 융합이 헛된 꿈이라는 생각을 강화시켰습니다. 자금 조달에 대한 모든 영향을 미칩니다.

MIT의 핵융합 프로그램에 큰 타격을 주면서 연방정부는 세계에서 가장 강력한 자기장 중 하나를 생성하고 최고 압력에서 핵융합 플라즈마를 보여주는 Alcator C-Mid 토카막에 대한 지원을 제공했습니다. 예상되는 NSTX-U 연구의 대부분은 지속적인 연방 지원에 달려 있으며 Myers는 "1년 남았습니다"라고 말했습니다.

모든 사람은 연구비를 신중하게 지출해야 하며 일부 융합 프로그램은 이미 엄청난 금액을 소진했습니다. 예를 들어, 현재 프랑스에서 건설 중인 거대한 초전도 핵융합로인 ITER를 생각해 보세요. 2005년 국제협력이 시작됐을 때 50억 달러, 10개년 프로젝트로 발표됐다. 몇 년간의 실패 끝에 가격표는 400억 달러로 올랐습니다. 가장 낙관적인 추정에 따르면 이 시설은 2030년까지 완공될 예정이다.

그리고 ITER가 자원이 고갈되어 숙주를 죽일 때까지 종양처럼 부풀어오르는 것처럼 보이는 곳에서 MIT의 간단한 핵융합 프로그램은 훨씬 더 적은 예산으로 그것이 어떻게 이루어질 수 있는지 보여줍니다. 지난 여름, MIT 대학원생 팀은 훨씬 더 작은 장치만으로 ITER와 동일한 양의 전력을 생성하기 위해 새로운 고온 초전도 물질을 사용하는 저가형 핵융합로인 ARC에 대한 계획을 발표했습니다.

Greenwald는 "융합의 과제는 경제적으로 매력적이게 만드는 기술적 경로를 찾는 것입니다. 이는 우리가 가까운 미래에 할 계획입니다."라고 Greenwald는 말하며 ARC 개념이 현재 MIT의 에너지 이니셔티브에서 추구되고 있음을 지적했습니다. “융합이 지구 온난화에 변화를 가져오려면 더 빠르게 움직여야 한다고 생각합니다.”

시카고 대학의 플라즈마 물리학자이자 에너지 정책 연구소의 공동 창립자인 로버트 로스너(Robert Rosner)는 “핵융합은 주요 에너지원이 될 것을 약속합니다. 이는 본질적으로 우리의 궁극적인 목표입니다.”라고 말했습니다. “동시에 중요한 질문이 있습니다. 지금 우리는 얼마를 지출할 의향이 있습니까? 만약 차세대 똑똑한 아이들이 이 일을 전혀 원하지 않을 정도로 자금을 줄인다면 우리는 이 사업에서 완전히 손을 떼게 될 것입니다."

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