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핵융합

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201307.10

[쉽게 보는 핵융합] Ⅱ.지구에서 태양을 만든다?

시스템 관리자   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/nuclear-fusion/17
지구에서 태양을 만들 수 있을까?

 

핵융합은 수소와 같은 가벼운 원자핵끼리 합쳐지는 반응이지만 양의 전하를 띈 원자핵이 합쳐지는 건 쉽지가 않습니다. 같은 전하 사이에는 밀어내는 힘이 작용하기 때문인데, 이 힘을 이기지 못하면 수소는 뭉칠 수가 없고 결국 핵융합은 불가능하답니다.

 

그럼 어떻게 핵융합 반응을 일으킬 수 있을까요? 바로 태양처럼 뜨거운 온도를 유지하는 등 높은 에너지를 가하여 원자핵들이 활발하게 움직일 수 있도록 해주어야 하는데, 지구상에서 핵융합 반응이 일어나기 위해서는 1억℃의 초고온 상태를 필요로 합니다. 그렇다면 핵융합 반응이 일어날 수 잇도록 초고온의 플라즈마 상태를 유지할 수 있는 그릇이 필요한데, 이것 역시 쉽지 않은 일이라 전 세계 과학자들의 오랜 고민거리였답니다.

 

오랜 고민 끝에 과학자들은 자기장을 이용하는 방법을 찾았습니다. 전자와 원자핵으로 나뉜 플라즈마 상태의 전하를 띤 입자들은 자기력선을 나선방향으로 휘감은 성질이 있기 때문에 이 성질을 이용하면 고온의 플라즈마 입자를 자기력선 주변에 가두어 둘 수 가 있답니다. 즉 플라즈마가 생성되는 용기 안에 강한 자기장을 걸어주면 플라즈마 입자들은 마치 실에 꿴 구슬들처럼 자기장을 따라 좌우로 움직일 수 는 있지만 자기장 밖으로 빠져 나갈 수는 없는 것입니다.

 

지구에서 만든 인공태양

이러한 원리를 이용해 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구에서도 만들 수 있는 핵융합 장치를 과학으로 만든 태양이라는 의미를 담아 인공태양이라 부릅니다. 우리나라에도 2007년에 개발된 KSTAR 라는 한국의 태양이 있죠?

 

인공태양의 가장 중요한 역할은 핵융합 반응이 일어날 수 있는 초고온의 플라즈마를 완전히 가둘 수 있는 장치가 되어야 합니다. 1950년 대 초반 구소련의 물리학자 사파로프(Sakharov)와 탐(Tamm)이 생각해 낸 가장 적절한 인공태양은 도넛 모양의 그릇이었습니다. 이 핵융합 장치는 러시아어의 합성으로 토로이드 자기장 구멍이란 뜻을 담은 토카막이라고 이름 지어졌습니다. 한국의 인공태did KSTAR도 토카막과 같은 도넛모양을 하고 있습니다.

 

 

고온의 플라즈마를 제어하려면 플라즈마가 도넛 모양의 그릇 안을 맴돌게 해야 합니다. 이 때 플라즈마 입자의 움직임을 조절하는 자기장에 전자석이 나오게 되는데, 전자석에 전류를 세게 흘려 줄수록 자기장도 강력해 집니다. 전자석에 감겨있는 구리선을 지나는 전류가 강해질 수록 많은 양의 열이 발생하게 되는데, 이 열은 에너지가 빠져 나간다는 뜻이기도 합니다. 이렇게 이녀지 손실이 많아지게 되면 토카막을 효율적으로 가동하기 어렵습니다. 그래서 KSTAR와 같이 최근에 만들어진 토카막 장치는 일반 전자석 대신에 전기 저항이 없는 초전도체를 사용하여 열 손실을 줄이고, 장시간 운전이 가능하도록 만들었습니다. 토카막에 사용되는 초전도 자석이 저항이 없는 상태가 되기 위해서는 초전도 자석 사이로 액체 헬륨을 흘려주어 섭씨 영하 268.5℃로 냉각을 하게 됩니다. 이처럼 핵융합 장치는 초고온의 플라즈마를 가두는 장기장을 만들기 위해 극적온의 냉각을 필요로 하는 세상에서 가장 뜨거운 물질을 담기 위한 가장 차가운 그릇이 되기도 합니다.

 

 KSTAR 내부의 토카막

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또한 토카막 내부에 불순물이 들어가면 핵융합의 효율이 떨어지게 되기 때문에 핵융합 장치는 진공상태를 유지하여야 하고, 자기장으로 초고온의 플라즈마를 묶어 놓는다 하여도 가장자리의 플라즈마와 접촉이 일어날 수도 있어 인공태양 내부에는 고온에 견딜 수 있는 타일을 부착해 장치의 손상을 방지하고 있습니다. 

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