핵융합 발전이란 무엇인가

핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 결합하여 거대한 양의 에너지를 방출하면서 하나의 무거운 원자핵을 형성하는 과정이다. 이 때 방출되는 에너지를 얻어서 사용할 수도 있다. 핵융합 반응은 플라즈마라고 불리는 물질의 상태에서 일어난다. 플라즈마는 고체, 액체 또는 기체와 구별되는 독특한 성질을 가진 양이온과 자유롭게 움직이는 전자로 만들어진 뜨겁고 하전된 기체이다. 태양은 다른 모든 별들과 함께 이 반응에 의해 움직인다. 우리의 태양에서 융합하기 위해서, 원자핵들은 섭씨 천만 도 정도의 매우 높은 온도에서 서로 충돌할 필요가 있다. 높은 온도는 그들이 서로 전기적인 거부감을 극복할 수 있는 충분한 에너지를 제공한다. 일단 핵들이 서로 매우 가까운 거리에 도달하면, 그들 사이의 매력적인 핵력은 전기적인 반발력을 능가하고 융합할 수 있게 할 것이다. 이런 일이 일어나려면, 핵들이 충돌할 가능성을 높이기 위해 작은 공간 안에 갇혀 있어야 한다. 태양에서, 그것의 거대한 중력에 의해 생성된 극단적인 압력은 융합을 위한 조건을 만들어낸다. (왜 과학자들은 핵융합 에너지를 연구하고 있는가?) 1930년대에 핵융합 이론이 이해된 이후, 과학자들과 점점 더 많은 엔지니어들이 핵융합을 재현하고 이용하기 위해 노력해 왔다. 핵융합이 산업적 규모로 지구상에 복제될 수 있다면 세계의 수요를 충족시키기 위해 이론상으로는 아주 깨끗하고 안전하고 저렴한 에너지를 제공할 수 있을 것이기 때문이다. 핵융합은 핵분열보다 연료 1kg당 4배, 석유나 석탄을 태우는 것보다 4백만배 더 많은 에너지를 생산할 수 있다. 다른 재료들에 비해 아주 낮은 가격으로 많은 에너지를 생산해낼 수 있다. 개발 중인 핵융합로 개념의 대부분은 여분의 중성자를 포함하는 수소 원자인 중수소와 삼중수소의 혼합물을 사용할 것이다. 이론적으로, 단지 몇 그램의 반응물로, 선진국의 한 사람이 60년 이상 필요로 하는 대략적인 에너지인 테라줄의 에너지를 생산하는 것이 가능하다. 이는 매우 놀라운 것이며, 혁신적인 것이라고도 할 수 있다. 중수소는 바닷물에서 저렴하게 추출할 수 있으며, 삼중수소는 잠재적으로 핵융합으로 생성된 중성자와 자연적으로 풍부한 리튬의 반응으로 생성될 수 있다. 이러한 연료 공급은 수천 년 동안 지속될 것이다. 미래의 핵융합로 또한 본질적으로 안전하며 높은 활동이나 오래 지속되는 핵 폐기물을 생산할 것으로 기대되지 않는다. 또한, 핵융합 과정은 시작과 유지보수가 어렵기 때문에, 폭주 반응과 용융의 위험이 없습니다. 핵융합은 엄격한 작동 조건에서만 발생할 수 있으며, 그 밖에서는 (예: 사고나 시스템 고장의 경우) 플라즈마가 자연적으로 종료되고, 에너지가 매우 빠르게 손실되며, 원자로에 지속적인 손상이 가해집니다. 심각하게는 아주 큰 피해들로 이어질 수도 있습니다. 중요한 것은 핵융합은 핵분열과 마찬가지로 이산화탄소나 다른 온실가스를 대기 중으로 배출하지 않기 때문에 이번 세기 후반부터 저탄소 전력의 장기적 원천이 될 수 있다는 점이다. (태양보다 뜨겁다.) 태양의 거대한 중력은 자연적으로 핵융합을 유도하지만, 그 힘이 없다면 반응이 일어나려면 태양보다 더 높은 온도가 필요하다. 지구에서 우리는 중수소와 삼중수소 퓨즈를 만드는 동시에 압력과 자기력을 조절하여 혈장을 안정적으로 제한하고 반응을 시작하는 데 필요한 것보다 더 많은 에너지를 생산할 수 있을 정도로 오랫동안 핵융합 반응을 유지하기 위해 섭씨 1억도 이상의 온도가 필요하다. 현재 핵융합로에서 요구되는 조건에 매우 가까운 조건들이 실험에서 일상적으로 달성되고 있지만, 반응을 유지하고 에너지를 지속적으로 생산하기 위해서는 플라즈마의 향상된 구속 특성과 안정성이 여전히 필요하다. 전 세계의 과학자들과 기술자들은 계속해서 새로운 물질들을 개발하고 시험하고 새로운 기술을 설계하여 순수 핵융합 에너지를 달성하고 있다. (핵융합 기술 개발은 어떻게 해야 할까요?) 핵융합과 플라즈마 물리학 연구는 50개국 이상에서 수행되고 있으며, 핵융합 반응은 많은 실험에서 성공적으로 생성되었다. 전문가들은 스텔라레이터와 토카막과 같은 융합이 일어나는 다양한 디자인과 자석 기반 기계를 고안해냈지만 레이저, 선형 장치, 첨단 연료에 의존하는 접근 방식도 고안했다. 핵융합 에너지가 성공적으로 롤아웃되는 데 걸리는 시간은 글로벌 파트너십과 협업을 통해 자원을 동원하는 것과 업계가 신흥 퓨전 기술을 얼마나 빨리 개발, 검증 및 검증할 수 있는지에 달려 있습니다. 또 다른 중요한 문제는 이 미래 에너지원의 실현과 관련된 요구사항, 표준 및 모범 사례와 같은 필요한 핵 인프라를 동시에 개발하는 것이다. 10년간의 부품 설계, 현장 준비 및 제조 과정을 거쳐 2020년 프랑스에서 세계 최대의 국제 핵융합 시설인 ITER의 조립이 시작되었다. ITER는 핵융합 에너지 생산의 과학기술적 타당성을 입증하고 DEMOs라고 불리는 미래 전력 생산용 핵융합 발전소의 기술과 개념을 입증하는 것을 목표로 하는 국제 프로젝트이다. ITER는 10년 하반기에 첫 번째 실험을 시작할 것이며, 전출력 실험을 시작할 것이다. 계획상으로는 2036년에 시작될 예정이다. 데모 일정은 나라마다 다르지만, 2050년까지 전기를 생산하는 핵융합 발전소가 건설되어 가동될 수 있다는 것이 전문가들의 일치된 의견이다. 이와 병행하여, 수많은 민간 출자 사업체들도 핵융합 발전소의 개념을 개발하고, 수년간의 공적 자금 지원 연구개발에 걸쳐 창출된 노하우를 활용하며, 핵융합 발전을 훨씬 더 빨리 제안하고 있다.