핵융합 발전의 개요와 토카막(Tokamak)에 대해서

핵융합 발전은 태양이 에너지를 생성하는 원리를 지구에서 재현하여 청정하고 지속 가능한 에너지를 생산하려는 기술입니다. 핵융합은 가벼운 원자핵들이 매우 높은 온도와 압력에서 결합해 무거운 원자핵으로 변하며 막대한 에너지를 방출하는 과정입니다. 대표적인 예는 수소 동위원소인 중수소와 삼중수소가 결합하여 헬륨(He)을 생성하면서 에너지를 방출하는 반응입니다.

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핵융합 발전의 원리

핵융합 반응 조건: 핵융합이 일어나려면 플라즈마 상태에서 핵들이 충분히 높은 속도로 움직여야 하며, 이를 위해 1억 ℃ 이상의 온도가 필요합니다. 또한, 플라즈마가 충분한 밀도와 유지 시간을 가져야 반응이 효율적으로 발생합니다. 이를 로슨 조건이라고 합니다.
반응 메커니즘: 중수소와 삼중수소가 융합하여 헬륨과 고에너지 중성자가 생성됩니다. 방출된 에너지는 플라즈마의 열을 유지하거나 전기로 변환됩니다.
플라즈마 제어: 플라즈마는 초고온이기 때문에 용기에 직접 닿을 수 없습니다. 이를 위해 자기장을 이용해 플라즈마를 떠 있게 하는 도넛형 장치(토카막) 또는 스텔러레이터와 같은 장치가 사용됩니다.

핵융합 발전의 장점
친환경적: 화석 연료를 사용하지 않으므로 온실가스 배출이 없고, 방사성 폐기물도 핵분열 발전에 비해 적습니다.
풍부한 연료: 핵융합의 연료인 중수소는 물에서 쉽게 얻을 수 있고, 삼중수소는 리튬을 이용해 생산 가능합니다. 이들 자원은 지구상에 풍부하게 존재합니다.
안전성: 핵분열과 달리 핵융합은 통제가 어려운 체인이 없기 때문에 폭주 가능성이 거의 없습니다.

도전 과제
초고온 및 플라즈마 제어: 플라즈마를 안정적으로 유지하며 고온을 유지하는 기술이 매우 어렵습니다.
에너지 출력 대비 입력: 현재 대부분의 실험에서는 투입 에너지보다 생성된 에너지가 적습니다. 이를 극복하기 위해 효율적인 플라즈마 유지 및 에너지 전환 기술이 필요합니다.
경제성: 상용화를 위해 초기 투자비용과 유지비용을 낮추는 것이 중요합니다.

현재 연구 동향
국제핵융합실험로(ITER): 프랑스에서 진행 중인 세계 최대 핵융합 프로젝트로, 2035년까지 핵융합 발전의 가능성을 입증하는 것이 목표입니다.
민간기업의 투자: 스페이스X와 같은 민간기업들이 고속 실험과 상용화를 위해 투자에 나서고 있습니다.
자기장 기술 발전: 초전도 자기장 기술이 발전하면서 플라즈마 제어가 점점 정밀해지고 있습니다.
핵융합 발전은 아직 초기 단계이지만, 기술적 과제를 극복한다면 인류에게 안정적이고 지속 가능한 에너지원으로 자리 잡을 가능성이 높습니다.

토카막(Tokamak)이란?

토카막(Tokamak)은 핵융합 에너지를 연구하고 개발하기 위해 설계된 장치로, 초고온 플라즈마를 자기장을 이용해 안정적으로 가두는 방식을 사용합니다. 토카막은 가장 널리 연구되고 있는 핵융합 장치이며, 현재 국제핵융합실험로(ITER)와 같은 대규모 프로젝트에서도 사용되고 있습니다.

토카막의 주요 구조와 원리

플라즈마
플라즈마는 핵융합 반응의 매개체로, 기체가 매우 높은 온도로 가열되면서 전자와 이온으로 분리된 상태입니다.
토카막에서는 플라즈마를 초고온 상태(1억 ℃ 이상)로 유지하고, 자기장을 통해 공간에 떠 있게 만듭니다.
도넛형 구조
토카막의 중심부는 도넛 모양의 진공 챔버로 되어 있습니다.
이 구조는 자기장을 효율적으로 형성할 수 있도록 설계되었으며, 플라즈마가 벽에 닿지 않도록 합니다.
자기장 시스템
토로이드 자기장: 도넛 형태를 따라 흐르는 자기장으로, 초전도 자석을 이용해 생성합니다.
폴로이드 자기장: 플라즈마의 수직 안정성을 제어하며, 플라즈마 내의 전류에 의해 생성됩니다.
이 두 자기장이 결합되어 플라즈마를 나선형으로 가두는 “자기 코일 감금”을 형성합니다.
플라즈마 전류
전기적으로 플라즈마에 전류를 흘려 플라즈마를 가열하고, 자기장을 생성합니다.
플라즈마 내 전류는 또한 플라즈마를 추가로 가열해 핵융합 온도에 도달하게 합니다.
플라즈마 가열: 플라즈마를 가열하는 방법에는 저항 가열, 고주파 가열, 중성 입자 주입이 포함됩니다. 이 과정에서 플라즈마는 핵융합 반응에 필요한 초고온에 도달합니다.

토카막의 장점

핵융합 반응 조건 충족: 플라즈마를 초고온으로 가열하고 자기장을 통해 안정적으로 가둘 수 있는 가장 효율적인 방식으로 인정받고 있습니다.
상대적 기술 성숙도: 다른 핵융합 장치(예: 스텔러레이터)에 비해 기술적 연구가 많이 진행되어 있습니다.

도전 과제

플라즈마 안정성: 자기장 불안정성으로 인해 플라즈마가 가둬지지 않을 가능성이 있습니다.
에너지 손실: 플라즈마가 방출하는 에너지를 효율적으로 유지해야 하지만, 현재 기술로는 이를 완전히 해결하지 못했습니다.
재료 한계: 초고온 플라즈마를 견딜 수 있는 벽 재료 개발이 필요합니다.

토카막의 주요 프로젝트

ITER (국제핵융합실험로): 프랑스에서 진행 중인 세계 최대 규모의 핵융합 프로젝트로, 토카막을 기반으로 설계되었습니다. 2035년까지 핵융합 에너지의 가능성을 입증을 목표로 하고 있습니다.
JET (Joint European Torus): 유럽에서 운영 중인 실험 토카막으로, ITER 개발의 기반이 되는 데이터를 제공하고 있습니다.
KSTAR (한국초전도핵융합연구장치): 한국의 토카막 연구 장치로, 플라즈마의 장시간 운전 기록을 갱신하며 핵융합 연구의 선두를 달리고 있습니다.

블랭킷(Blanket)이란?

블랭킷(Blanket)는 핵융합 발전에서 토카막과 같은 장치 내부의 플라즈마 챔버를 둘러싸고 있는 중요한 구성 요소입니다. 블랭킷의 주요 역할은 핵융합 반응으로 발생하는 고에너지 중성자를 포획하고 이를 활용하는 것입니다.

블랭킷의 주요 역할

중성자 포획 및 에너지 변환
핵융합 반응에서는 중수소와 삼중수소가 융합하여 헬륨과 고에너지 중성자를 방출합니다.
이 중성자는 매우 높은 에너지를 가지고 있으며, 블랭킷은 이 중성자를 흡수해 그 에너지를 열로 변환합니다.
변환된 열은 냉각수나 열교환기를 통해 전기를 생산하는 데 사용됩니다.
삼중수소 생성
핵융합 연료인 삼중수소(Tritium)는 자연적으로 거의 존재하지 않으므로, 블랭킷에서 생성하는 것이 중요합니다.
블랭킷 내부에 리튬이 포함된 소재를 사용하여 중성자와 리튬이 반응해 삼중수소를 생성합니다.
방사선 차폐
고에너지 중성자와 방사선이 외부 장치 및 운영자에게 영향을 미치는 것을 방지합니다.
블랭킷은 플라즈마에서 방출된 방사선을 흡수하고 감쇠시켜 주변 장치의 손상을 줄이는 역할도 합니다.

블랭킷의 설계 요소

재료 선택
블랭킷은 고온, 고방사선 환경에서 작동해야 하므로 내구성과 방사선 저항성을 갖춘 소재로 제작됩니다.
일반적으로 리튬 기반 소재와 함께 강철 합금, 텅스텐, 세라믹 등이 사용됩니다.
냉각 시스템
블랭킷에서 흡수된 열을 효율적으로 제거하기 위한 냉각 시스템이 필수적입니다.
냉각재로는 물, 헬륨 가스, 액체 금속(예: 리튬, 납-비스무스 합금) 등이 사용됩니다.
삼중수소 관리 시스템
생성된 삼중수소를 수집하고 재활용하는 기술이 필요합니다. 삼중수소는 방사성 물질이기 때문에 안전하게 처리해야 합니다.

블랭킷의 중요성

블랭킷은 단순히 플라즈마의 부품이 아니라, 핵융합 발전의 에너지 변환과 연료 재생을 담당하는 핵심 기술 요소입니다. 블랭킷 기술의 완성도는 핵융합 발전의 효율성과 경제성에 직접적으로 영향을 미칩니다.

현재의 블랭킷 연구

ITER를 비롯한 국제 핵융합 연구에서는 테스트 블랭킷 모듈(Test Blanket Module, TBM)을 통해 블랭킷의 성능을 평가하고 있습니다. 이 실험은 삼중수소 생성률, 열 변환 효율, 방사선 차폐 성능 등을 확인하기 위한 단계로, 차세대 상용 핵융합로 개발의 중요한 과정입니다.

블랭킷 기술의 발전은 상업용 핵융합 발전의 성공을 좌우하는 주요 요인이 될 것입니다.
특히, 삼중수소 생성 효율을 높이고, 열 제거 및 방사선 차폐 성능을 향상시키는 기술 개발이 필수적입니다.
지속적인 연구를 통해 블랭킷 설계와 재료 과학이 발전하면 핵융합 발전의 상용화가 현실화될 전망입니다.

참고
https://www.iter.org/machine/what-tokamak