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202205.11

딱총새우가 핵융합 연구에 도움이 될 수 있을까?

KFE   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/nuclear-fusion/1379

핵융합에너지 시대에 대한 인류의 뜨거운 염원을 대변하듯 핵융합 스타트업들이 줄지어 탄생하고, 민간의 공격적 투자와 그로 인한 다양한 성과들까지 연일 핵융합 관련 뉴스들이 새롭게 쏟아져 나오고 있습니다.


그 중에서도 지난 4월 극초음속 발사체를 활용한 핵융합 반응 구현에 성공했다고 발표하며 언론의 주목을 받은 핵융합 스타트업이 있는데요. 영국 옥스퍼드 대학에서 파생한 핵융합 스타트업 ‘퍼스트 라이트 퓨전(First Light Fusion)’입니다. 딱총새우의 특성에서 영감을 받아 핵융합 반응을 일으키는 데 성공했다고 하는데요. 딱총새우와 핵융합이 무슨 관계가 있는걸까요?


퍼스트 라이트 퓨전 CEO, Nick Hawker



지구 상에 태양을 만드는 방법


핵융합 반응이란 같은 극을 띄는 원자핵과 원자핵이 서로 밀어내는 척력을 이겨내고 융합하는 것을 말하는데요. 강한 힘을 주어 밀면 같은 극의 자석도 잠시 동안 붙는 것처럼 핵융합이 일어날 만큼 충분히 강한 에너지를 가하는 것이 관건입니다.


핵융합 반응을 일으키는 자연의 대표적 사례인 태양의 경우 초고온 초고압의 환경 덕분에 자연스럽게 핵융합 반응이 일어나며 이 과정을 통해 열과 빛이라는 무한한 에너지를 만들어내고 있죠. 하지만 지구에서 태양처럼 핵융합 반응을 통해 무한하고 청정한 에너지를 만들기 위해서는 특수한 방법을 이용하여 조건을 구현해야 한다는 어려움이 있습니다.


현재 핵융합 연구의 주류이자 가장 좋은 성과를 내고 있는 핵융합 방식은 자석을 이용하는 방식입니다. 도넛 모양의 핵융합 장치인 ‘토카막’ 안에 강력한 자기장으로 연료를 태양과 같은 플라즈마 상태로 가두고, 1억도 이상의 초고온으로 가열하여 핵융합 반응을 일으키는 방식입니다. 우리나라의 KSTAR와 7개국이 공동으로 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)와 같은 장치들이 모두 ‘토카막’ 방식에 해당하며, 이는 대부분 국가 차원으로 추진하고 있는 전기생산을 위한 핵융합실증로 콘셉트이기도 합니다. 이 외에도 자기장을 이용하는 것 동일하지만 장치의 모양이 다른 스텔러레이터 방식, 레이저를 이용하는 방식 등이 있습니다.


자석, 레이저 다음은 딱총새우? 


하지만 퍼스트 라이트 퓨전이 발표한 방식은 지금까지 시도되어왔던 방식과는 전혀 다른 새로운 시도인데요. ‘딱총새우’에서 영감을 받은 이 기법은 빠른 속도만으로 핵융합 반응을 일으킬 수 있다는 특징이 있습니다.


딱총새우 모습 (ⓒArthur Anker)


딱총새우는 한쪽만 기형적으로 커다란 집게발을 가지고 있는데요. 이 집게를 튕겨 발생시킨 충격파로 주위의 물을 96km/h의 속도로 밀어낼 수 있습니다. 이러한 빠른 속도는 주변의 물을 수만 도까지 가열, 증발시켜 진공 버블을 만들고 심지어는 섬광을 만들어내기도 하는데요.


퍼스트 라이트 퓨전은 이 현상에서 착안하여 낙하하는 타겟에 극초음속 발사체를 충돌시켜 핵융합 반응이 일어나는 조건을 만들어냈다고 합니다. 동전 모양의 발사체는 음속의 약 19배에 근접하는 23,400km/h의 매우 빠른 속도로 타깃과 부딪히는데, 이 충돌 순간 타깃에서는 붕괴 충격파가 발생해 순간적으로 대기압보다 10억배 큰 압력이 가해지고 이로 인해 타깃에 들어있는 중수소 연료 펠릿이 스스로 폭발하는 것이죠. 즉, 연료 펠릿이 몇 밀리미터에서 100마이크로 미만 크기로 압축되며 겪는 압력과 온도로 핵융합 반응을 일으키는 것입니다.


핵심 기술은 타깃을 어떻게 설계하느냐입니다. 변 1cm의 정육면체 모양인 타깃은 충돌 시 약 1테라파스칼 수준의 압력이 가해질 수 있도록 설계되며, 연료 펠릿 폭발 시 최종 압력은 100테라파스칼까지 치솟을 수 있습니다. 이때 연료는 70km/sec까지 가속화됩니다.


퍼스트 라이트 퓨전에 따르면 이번 핵융합 반응 시연 과정에 영국원자력공사(UKAEA)가 참여했으며, 이번 실험에서 생성된 중성자는 비록 50개 남짓이었지만 중수소 핵융합 반응에서 생성되는 중성자와 같은 것을 확인했다고 밝혔습니다.


연료 펠릿이 극초음속 발사체와 부딪힐 때 발생하는 충격파와 정교하게 조율되도록 타깃 내 여러 진공 공간이 연료 펠릿 근처에 위치해 있다.



퍼스트 라이트 퓨전의 다음 도전은?


퍼스트 라이트 퓨전은 향후 순 에너지 생산을 시연할 실험 계획을 준비하고 있다고 하는데요. 2030년대에 ~150MW의 에너지를 생산할 수 있는 파일럿 발전소를 기획 중이라고 밝혔습니다.


최종 상용 핵융합 발전소에서는 핵융합 반응으로 방출된 열에너지와 중성자를 1미터 두께의 액체 리튬 금속에 흡수시키고, 흡수된 열이 증기로 바뀌어 터빈을 돌려 전기를 생산할 수 있을 것이라고 합니다.


타깃 하나는 영국의 평균 가정이 2년간 쓸 수 있는 에너지(약 6.2MWh)를 생산하게 될 것으로, 상용 핵융합 발전소에서는 이러한 반응이 30초마다 발생하며 약 744MW의 에너지를 생산할 수 있을 것으로 예상한다고 합니다.


아직 연구 초기 단계이지만, 매우 도전적인 계획을 공언한 만큼, 앞으로 퍼스트 라이트 퓨전이 보여줄 행보가 궁금해지는데요. 딱총새우라는 예상치 못한 곳에서 새로운 가능성을 찾아낸 이번 연구처럼, 핵융합 연구계에서 다양한 도전과 혁신들이 계속되어, 핵융합에너지 시대를 여는 놀라운 도약으로 이어지길 기대해보겠습니다.


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