핵융합 에너지는 기후 중립적이고 안전한 방식으로 전기를 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 에너지의 양은 아직 충분하지 …
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ITER의 토카막 시설은 자기장을 통해 플라즈마를 고리 모양의 챔버에 가둡니다.
핵융합 에너지는 기후 중립적이고 안전한 방식으로 전기를 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 에너지의 양은 아직 충분하지 않으며 연구자들은 수십 년 동안 연구 해 왔습니다. 이제 미국에서 이정표에 도달했습니다.
미국 에너지부는 핵융합 기술의 주요 돌파구를 발표했습니다. 캘리포니아 로렌스 리버모어 국립 연구소의 국립 점화 시설(NIF)의 과학자들은 실험실에서 핵융합을 사용하여 "순 에너지 이득"을 달성하는 데 처음으로 성공했습니다.
"이것은 핵융합을 현실로 만드는 데 경력을 바친 국립 점화 시설 연구원과 직원에게 이정표이며,이 이정표는 의심 할 여지없이 더 많은 발견으로 이어질 것"이라고 미국 에너지 장관 Jennifer M. Granholm은 말했다. "간단히 말해서, 이것은 21 세기의 가장 인상적인 과학적 업적 중 하나입니다."
수십 년 동안 연구자들은 실험용 핵융합로에 이 과정에서 생성된 새로운 에너지의 총량보다 더 많은 에너지를 투입해 왔습니다. 이러한 좌절은 핵융합이 아닌 핵분열이 관련된 건강 및 안전 위험에도 불구하고 무제한의 배출 가스가없는 에너지로가는 길의 표준 절차가되었음을 의미합니다.
2022년 12월 5일, NIF 과학자들은 필요한 것보다 더 많은 에너지를 융합에서 추출한 역사상 최초의 제어 핵융합 실험을 수행했습니다. 따라서 연구원들은 대규모 에너지 생성에 한 걸음 더 다가섰습니다.
"에너지의 미래"
원자력 분야에서 일하는 사람이라면 누구나 이미 농담을 알고있을 것입니다 : 핵융합을 이용한 전기 생산은 아직 30 년이 남았습니다 - 이것은 오늘날과 마찬가지로 10 년 전 연구자들에게도 사실이었습니다. 그러나이 기술의 복잡성에도 불구하고이 기술을 연구하는 사람들은 모든 노력을 기울일 가치가 있다고 굳게 믿습니다.
하지만 왜? 핵융합은 우리에게 알려진 다른 에너지원보다 에너지 잠재력이 높습니다. 석탄, 석유 또는 가스를 태우는 것과 같은 화학 반응보다 거의 4 백만 배 더 많은 에너지를 방출 할 수 있으며 현재 세계의 모든 원자력 발전소에서 사용되는 핵분열보다 4 배 더 많은 에너지를 방출 할 수 있습니다. 20 세기 초에 발견 된 핵융합은 많은 정책 입안자들, 특히 유럽의 미래 에너지로 간주됩니다.
그러나 핵융합은 실제로 우리의 현재 방법에 대한 "녹색"대안이며,이 과정을 통해 전기를 생산하는 데 얼마나 멀리 왔습니까?
"불타는 장작"처럼
이를 조사하기 위해 35 개국의 핵융합 전문가들의 대규모 공동 프로젝트 인 국제 열핵 실험로 인 ITER을 방문하는 것이 좋습니다.
ITER은 프랑스 남부의 그림 같은 해안에서 몇 시간 거리에 있으며 주변의 목가적 인 풍경에서 눈에 띕니다. 프로젝트 현장은 금속 홀, 작업장 및 장비로 가득합니다. 연구원과 기술자는 안전 헬멧, 고무 장화 및 네온 색 조끼를 입고 경내를 돌아 다닙니다.
이러한 산업 환경 속에서 ITER의 피에트로 바라바스키 사무총장은 핵융합 에너지의 미래가 유망하다고 말합니다.
그는 융합 에너지의 생산을 장작을 태우는 것과 비교합니다. "먼저 불을 붙이고 나무를 데우면 어느 시점에서 화학 반응이 시작됩니다. 이 반응은 나머지 나무를 태우기에 충분합니다."
핵융합에 의한 에너지 생산
원자는 핵 (양성자와 중성자 포함)과 전자로 구성됩니다. 핵융합에서는 두 개의 원자가 핵을 부수어 하나로 융합됩니다. 이것은 핵융합 과학자들이 전기로 변환하기를 원하는 초과 에너지를 생성합니다. 언젠가 그것은 우리 가정을 밝힐 것입니다.
기술적으로 우리는 이미 핵분열 발전소에서 빠르게 비행하는 중성자의 에너지를 사용하고 있습니다. 그럼 그냥 고수하지 않겠습니까?
핵융합 대 핵분열
핵융합과 달리 핵분열은 두 개의 가벼운 원자를 함께 융합하지 않고 무거운 원자를 두 개 이상의 원자로 나눕니다.
세계의 모든 원자력 발전소는 핵분열로를 사용하여 전기를 생산합니다. ITER이 위치한 프랑스는 핵분열에서 에너지의 70 %를 얻습니다. 그러나 대부분의 국가에서 핵분열은 체르노빌 재해, 후쿠시마 멜트 다운 및 미국 Three Mile Island 원자력 발전소의 부분 멜트 다운과 같은 사고로 인한 유해한 방사선에 대한 대중의 두려움으로 인해 인기있는 연료 원이 아닙니다.
핵분열과 핵융합의 주요 차이점은 두 과정에서 생성되는 연료의 방사능이라고 ITER 지식 책임자 인 Akko Maas는 설명합니다. 그는 ITER에서 연구를 시작할 때부터 팀의 일원이었습니다.
"핵분열에서 사용된 우라늄과 생산된 플루토늄은 모두 방사성입니다. 그리고 일단 에너지를 얻으면 여전히 방사성 물질이 남아 있습니다." 융합 에너지에 가장 효율적인 것으로 간주되는 두 전구체 중 중수소는 방사성이 아니지만 삼중 수소는 방사성입니다. 그러나 방사선은 비교적 약하고 수명이 짧습니다.
"산업적 규모에서도 물질을 올바르게 선택하면 핵융합 중 방사능을 100 년에서 200 년으로 제한 할 수 있으며 이는 핵분열에서 관찰되는 40,000 년보다 훨씬 관리하기 쉽습니다."라고 Maas는 말합니다.
핵융합 실험에 사용되는 플라즈마가 특정 지점까지만 연소된다는 사실은 예상치 못한 안전 이점을 제공합니다.
"친환경"이점
원자력의 지지자들은 그것이 매우 효율적 일뿐만 아니라 화석 연료에 대한 우리의 의존도를 크게 줄일 수 있다고 주장합니다. 원자력 에너지 자체는 온실 가스를 배출하지 않기 때문에 화석 연료에 대한 탄소가없는 대안으로 간주됩니다 - 주요 부산물은 헬륨, 비 반응성, 무독성 가스입니다.
또한 중수소는 바닷물에 풍부하며 연구자들은 리튬을 사용하여 현장에서 삼중 수소를 생산하려고합니다.
풍력 및 태양열과 같은 재생 가능 에너지 원만으로는 세계의 기본 에너지 수요를 충족시킬 수 없습니다. 핵융합이 성공한다면 그보다 훨씬 더 많은 것을 제공할 수 있습니다.
이 모든 것이 장밋빛으로 들리지만 여전히 먼 꿈입니다. 핵융합이 현실화되기 위해서는 플라즈마 물리학의 기술적 돌파구가 필요합니다.
플라즈마 "종료"
"기술적으로, 자립적이고 안정적인 융합 반응을 달성하는 것은 어렵습니다."라고 Barabashi는 말합니다.
태양 광선과 우리가 지구에서 느끼는 열은 융합 반응의 결과입니다 – 이 과정은 극한의 온도와 압력 하에서 태양의 핵에서 일어납니다. 도전은 태양의 무거운 질량의 중력으로 인한 압력없이 태양의 핵심에서 과정을 재현하는 것입니다.
지구에서 융합을 이루려면 가스를 태양 핵 온도의 약 10 배인 섭씨 약 1 억 5 천만 도의 극도로 높은 온도로 가열해야합니다. 이 시점에서 가스는 우리가 호흡하는 공기보다 거의 백만 배 가벼운 플라즈마가됩니다.
핵융합 연구자들은 중수소와 삼중수소의 혼합물을 가열하여 플라즈마를 만드는 것이 융합이 일어나고 에너지가 생성될 수 있는 환경을 만드는 가장 쉬운 방법이라는 것을 발견했습니다.
ITER에서 핵융합 실험에 사용되는 플라즈마는 토카막이라는 시설에서 강한 자기장에 의해 제한됩니다. 이러한 극한 조건에서 플라즈마의 입자는 빠르게 충돌하여 열을 생성합니다. 그러나 역설적이게도 충돌률과 그에 따른 가열 효과는 온도가 계속 상승함에 따라 감소합니다.
"마치 플라즈마가 특정 지점에서 꺼지는 것과 같습니다."라고 Barabaschi는 말합니다.
나무 비유로 돌아가서, 그것은 "불타는 플라즈마"를 계속 유지하는 불을 피우는 방법을 모르는 것과 같습니다. 이것은 전 세계의 핵융합 실험이 직면한 가장 큰 도전입니다.
퓨즈
한 사람의 고통은 다른 사람의 기쁨입니다. 불리한 조건에서 플라즈마의 "셧다운"은 또한 불안정한 경우 반응이 중단됨을 의미합니다. 전문가들에 따르면 이것은 합병을 분할보다 더 안전하게 만듭니다.
후쿠시마와 같은 멜트 다운은 핵융합로에서 일어날 것 같지 않다고 ITER의 안전 및 품질 부서장 인 Gilles Perrier는 말합니다. 핵분열 원자로에는 방사성 핵이 있으며, 원자로가 정지 될 경우 냉각되어야합니다.
"핵분열로 사고의 위험이 훨씬 높아집니다. 합병으로 인해 매우 낮습니다."라고 Perrier는 말합니다.
그의 견해로는 융합 장치의 안전성은 플라즈마 봉쇄, 방사선 노출 감소 및 삼중 수소 오염 방지의 세 부분으로 구성됩니다.
플라즈마는 진공 용기에 들어 있습니다.
"플라즈마 누출의 최악의 시나리오에서도 현장에 미치는 영향은 제한적입니다."라고 그는 말합니다.
실험에서 전기까지
지금까지 핵융합 연구자들은 5초 안에 최대 59메가줄의 에너지를 생성할 수 있었습니다. 그것은 두 달 동안 작은 전구를 작동시키기에 충분한 전기입니다.
연구원들이 현재 직면하고있는 도전은 (훨씬) 더 큰 규모로 전기를 생산하는 방법에 대한 질문입니다.
Barabashi는 핵융합 실험에서 발전 원자로로의 전환은 나무를 태우는 것에서 석탄 화력 발전소로 이동하는 것과 같다고 말합니다. 주요 과제이지만 그는 ITER의 실험용 원자로가 10 년 말까지 가동 될 것이며 향후 30 년 동안 시범 발전소 건설에 기여할 수 있다고 낙관합니다.
하루가 끝나면 핵융합 기술은 시간이 걸리지 만 일부 과학자들에 따르면 우리는 그것을 가지고 있지 않습니다.
핵융합 에너지는 이번 겨울 에너지 위기를 해결하지 못할 것이며 가까운 장래에 배출량을 줄이는 데 도움이되지 않을 것입니다. 핵 과학자 L.J. Reinders는 그의 저서 The Fairy Tale of Nuclear Fusion에서 핵융합 에너지가 우리의 가장 시급한 기후 문제를 해결하기에는 너무 늦을 것이라고 주장한다.
반면에 Barbashi는 핵융합에 대한 투자가 오늘날 우리의 에너지 수요를 충족시키는 것이 아니라 세기 후반의 에너지 수요를 충족시키는 것이라고 믿습니다.
편집자 주: 이 기사는 원래 2022년 12월 6일에 영어로 게시되었습니다. 미국 에너지부 성명을 반영하기 위해 2022년 12월 13일에 번역 및 업데이트되었습니다.
저자: 수슈미타 라마크리슈난
핵융합 에너지는 기후 중립적이고 안전한 방식으로 전기를 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 에너지의 양은 아직 충분하지 않으며 연구자들은 수십 년 동안 연구 해 왔습니다. 이제 미국에서 이정표에 도달했습니다.
미국 에너지부는 핵융합 기술의 주요 돌파구를 발표했습니다. 캘리포니아 로렌스 리버모어 국립 연구소의 국립 점화 시설(NIF)의 과학자들은 실험실에서 핵융합을 사용하여 "순 에너지 이득"을 달성하는 데 처음으로 성공했습니다.
"이것은 핵융합을 현실로 만드는 데 경력을 바친 국립 점화 시설 연구원과 직원에게 이정표이며,이 이정표는 의심 할 여지없이 더 많은 발견으로 이어질 것"이라고 미국 에너지 장관 Jennifer M. Granholm은 말했다. "간단히 말해서, 이것은 21 세기의 가장 인상적인 과학적 업적 중 하나입니다."
수십 년 동안 연구자들은 실험용 핵융합로에 이 과정에서 생성된 새로운 에너지의 총량보다 더 많은 에너지를 투입해 왔습니다. 이러한 좌절은 핵융합이 아닌 핵분열이 관련된 건강 및 안전 위험에도 불구하고 무제한의 배출 가스가없는 에너지로가는 길의 표준 절차가되었음을 의미합니다.
2022년 12월 5일, NIF 과학자들은 필요한 것보다 더 많은 에너지를 융합에서 추출한 역사상 최초의 제어 핵융합 실험을 수행했습니다. 따라서 연구원들은 대규모 에너지 생성에 한 걸음 더 다가섰습니다.
"에너지의 미래"
원자력 분야에서 일하는 사람이라면 누구나 이미 농담을 알고있을 것입니다 : 핵융합을 이용한 전기 생산은 아직 30 년이 남았습니다 - 이것은 오늘날과 마찬가지로 10 년 전 연구자들에게도 사실이었습니다. 그러나이 기술의 복잡성에도 불구하고이 기술을 연구하는 사람들은 모든 노력을 기울일 가치가 있다고 굳게 믿습니다.
하지만 왜? 핵융합은 우리에게 알려진 다른 에너지원보다 에너지 잠재력이 높습니다. 석탄, 석유 또는 가스를 태우는 것과 같은 화학 반응보다 거의 4 백만 배 더 많은 에너지를 방출 할 수 있으며 현재 세계의 모든 원자력 발전소에서 사용되는 핵분열보다 4 배 더 많은 에너지를 방출 할 수 있습니다. 20 세기 초에 발견 된 핵융합은 많은 정책 입안자들, 특히 유럽의 미래 에너지로 간주됩니다.
그러나 핵융합은 실제로 우리의 현재 방법에 대한 "녹색"대안이며,이 과정을 통해 전기를 생산하는 데 얼마나 멀리 왔습니까?
"불타는 장작"처럼
이를 조사하기 위해 35 개국의 핵융합 전문가들의 대규모 공동 프로젝트 인 국제 열핵 실험로 인 ITER을 방문하는 것이 좋습니다.
ITER은 프랑스 남부의 그림 같은 해안에서 몇 시간 거리에 있으며 주변의 목가적 인 풍경에서 눈에 띕니다. 프로젝트 현장은 금속 홀, 작업장 및 장비로 가득합니다. 연구원과 기술자는 안전 헬멧, 고무 장화 및 네온 색 조끼를 입고 경내를 돌아 다닙니다.
이러한 산업 환경 속에서 ITER의 피에트로 바라바스키 사무총장은 핵융합 에너지의 미래가 유망하다고 말합니다.
그는 융합 에너지의 생산을 장작을 태우는 것과 비교합니다. "먼저 불을 붙이고 나무를 데우면 어느 시점에서 화학 반응이 시작됩니다. 이 반응은 나머지 나무를 태우기에 충분합니다."
핵융합에 의한 에너지 생산
원자는 핵 (양성자와 중성자 포함)과 전자로 구성됩니다. 핵융합에서는 두 개의 원자가 핵을 부수어 하나로 융합됩니다. 이것은 핵융합 과학자들이 전기로 변환하기를 원하는 초과 에너지를 생성합니다. 언젠가 그것은 우리 가정을 밝힐 것입니다.
기술적으로 우리는 이미 핵분열 발전소에서 빠르게 비행하는 중성자의 에너지를 사용하고 있습니다. 그럼 그냥 고수하지 않겠습니까?
핵융합 대 핵분열
핵융합과 달리 핵분열은 두 개의 가벼운 원자를 함께 융합하지 않고 무거운 원자를 두 개 이상의 원자로 나눕니다.
세계의 모든 원자력 발전소는 핵분열로를 사용하여 전기를 생산합니다. ITER이 위치한 프랑스는 핵분열에서 에너지의 70 %를 얻습니다. 그러나 대부분의 국가에서 핵분열은 체르노빌 재해, 후쿠시마 멜트 다운 및 미국 Three Mile Island 원자력 발전소의 부분 멜트 다운과 같은 사고로 인한 유해한 방사선에 대한 대중의 두려움으로 인해 인기있는 연료 원이 아닙니다.
핵분열과 핵융합의 주요 차이점은 두 과정에서 생성되는 연료의 방사능이라고 ITER 지식 책임자 인 Akko Maas는 설명합니다. 그는 ITER에서 연구를 시작할 때부터 팀의 일원이었습니다.
"핵분열에서 사용된 우라늄과 생산된 플루토늄은 모두 방사성입니다. 그리고 일단 에너지를 얻으면 여전히 방사성 물질이 남아 있습니다." 융합 에너지에 가장 효율적인 것으로 간주되는 두 전구체 중 중수소는 방사성이 아니지만 삼중 수소는 방사성입니다. 그러나 방사선은 비교적 약하고 수명이 짧습니다.
"산업적 규모에서도 물질을 올바르게 선택하면 핵융합 중 방사능을 100 년에서 200 년으로 제한 할 수 있으며 이는 핵분열에서 관찰되는 40,000 년보다 훨씬 관리하기 쉽습니다."라고 Maas는 말합니다.
핵융합 실험에 사용되는 플라즈마가 특정 지점까지만 연소된다는 사실은 예상치 못한 안전 이점을 제공합니다.
"친환경"이점
원자력의 지지자들은 그것이 매우 효율적 일뿐만 아니라 화석 연료에 대한 우리의 의존도를 크게 줄일 수 있다고 주장합니다. 원자력 에너지 자체는 온실 가스를 배출하지 않기 때문에 화석 연료에 대한 탄소가없는 대안으로 간주됩니다 - 주요 부산물은 헬륨, 비 반응성, 무독성 가스입니다.
또한 중수소는 바닷물에 풍부하며 연구자들은 리튬을 사용하여 현장에서 삼중 수소를 생산하려고합니다.
풍력 및 태양열과 같은 재생 가능 에너지 원만으로는 세계의 기본 에너지 수요를 충족시킬 수 없습니다. 핵융합이 성공한다면 그보다 훨씬 더 많은 것을 제공할 수 있습니다.
이 모든 것이 장밋빛으로 들리지만 여전히 먼 꿈입니다. 핵융합이 현실화되기 위해서는 플라즈마 물리학의 기술적 돌파구가 필요합니다.
플라즈마 "종료"
"기술적으로, 자립적이고 안정적인 융합 반응을 달성하는 것은 어렵습니다."라고 Barabashi는 말합니다.
태양 광선과 우리가 지구에서 느끼는 열은 융합 반응의 결과입니다 – 이 과정은 극한의 온도와 압력 하에서 태양의 핵에서 일어납니다. 도전은 태양의 무거운 질량의 중력으로 인한 압력없이 태양의 핵심에서 과정을 재현하는 것입니다.
지구에서 융합을 이루려면 가스를 태양 핵 온도의 약 10 배인 섭씨 약 1 억 5 천만 도의 극도로 높은 온도로 가열해야합니다. 이 시점에서 가스는 우리가 호흡하는 공기보다 거의 백만 배 가벼운 플라즈마가됩니다.
핵융합 연구자들은 중수소와 삼중수소의 혼합물을 가열하여 플라즈마를 만드는 것이 융합이 일어나고 에너지가 생성될 수 있는 환경을 만드는 가장 쉬운 방법이라는 것을 발견했습니다.
ITER에서 핵융합 실험에 사용되는 플라즈마는 토카막이라는 시설에서 강한 자기장에 의해 제한됩니다. 이러한 극한 조건에서 플라즈마의 입자는 빠르게 충돌하여 열을 생성합니다. 그러나 역설적이게도 충돌률과 그에 따른 가열 효과는 온도가 계속 상승함에 따라 감소합니다.
"마치 플라즈마가 특정 지점에서 꺼지는 것과 같습니다."라고 Barabaschi는 말합니다.
나무 비유로 돌아가서, 그것은 "불타는 플라즈마"를 계속 유지하는 불을 피우는 방법을 모르는 것과 같습니다. 이것은 전 세계의 핵융합 실험이 직면한 가장 큰 도전입니다.
퓨즈
한 사람의 고통은 다른 사람의 기쁨입니다. 불리한 조건에서 플라즈마의 "셧다운"은 또한 불안정한 경우 반응이 중단됨을 의미합니다. 전문가들에 따르면 이것은 합병을 분할보다 더 안전하게 만듭니다.
후쿠시마와 같은 멜트 다운은 핵융합로에서 일어날 것 같지 않다고 ITER의 안전 및 품질 부서장 인 Gilles Perrier는 말합니다. 핵분열 원자로에는 방사성 핵이 있으며, 원자로가 정지 될 경우 냉각되어야합니다.
"핵분열로 사고의 위험이 훨씬 높아집니다. 합병으로 인해 매우 낮습니다."라고 Perrier는 말합니다.
그의 견해로는 융합 장치의 안전성은 플라즈마 봉쇄, 방사선 노출 감소 및 삼중 수소 오염 방지의 세 부분으로 구성됩니다.
플라즈마는 진공 용기에 들어 있습니다.
"플라즈마 누출의 최악의 시나리오에서도 현장에 미치는 영향은 제한적입니다."라고 그는 말합니다.
실험에서 전기까지
지금까지 핵융합 연구자들은 5초 안에 최대 59메가줄의 에너지를 생성할 수 있었습니다. 그것은 두 달 동안 작은 전구를 작동시키기에 충분한 전기입니다.
연구원들이 현재 직면하고있는 도전은 (훨씬) 더 큰 규모로 전기를 생산하는 방법에 대한 질문입니다.
Barabashi는 핵융합 실험에서 발전 원자로로의 전환은 나무를 태우는 것에서 석탄 화력 발전소로 이동하는 것과 같다고 말합니다. 주요 과제이지만 그는 ITER의 실험용 원자로가 10 년 말까지 가동 될 것이며 향후 30 년 동안 시범 발전소 건설에 기여할 수 있다고 낙관합니다.
하루가 끝나면 핵융합 기술은 시간이 걸리지 만 일부 과학자들에 따르면 우리는 그것을 가지고 있지 않습니다.
핵융합 에너지는 이번 겨울 에너지 위기를 해결하지 못할 것이며 가까운 장래에 배출량을 줄이는 데 도움이되지 않을 것입니다. 핵 과학자 L.J. Reinders는 그의 저서 The Fairy Tale of Nuclear Fusion에서 핵융합 에너지가 우리의 가장 시급한 기후 문제를 해결하기에는 너무 늦을 것이라고 주장한다.
반면에 Barbashi는 핵융합에 대한 투자가 오늘날 우리의 에너지 수요를 충족시키는 것이 아니라 세기 후반의 에너지 수요를 충족시키는 것이라고 믿습니다.
편집자 주: 이 기사는 원래 2022년 12월 6일에 영어로 게시되었습니다. 미국 에너지부 성명을 반영하기 위해 2022년 12월 13일에 번역 및 업데이트되었습니다.
저자: 수슈미타 라마크리슈난
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