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작성일 : 20-09-13 09:44
핵융합 발전 3부 - 핵융합 발전의 과거2 (feat. 토카막 & ITER)
 글쓴이 : WIOa4802
조회 : 2  

핵융합 발전 3부 - 핵융합 발전의 과거2 (feat. 토카막 & ITER)

핵융합 발전 1부 - 에너지의 현주소(feat.무한동력)
https://m.fmkorea.com/3084454088

핵융합 발전 2부 - 핵융합 발전의 과거1
https://m.fmkorea.com/3084900637


2부에 이어서...



그러나 문제는 또 있었다.
이론적으로 플라즈마를 1억5천만K 이상 초고온으로 가열은 할 수 있지만, 가열된 플라즈마를 가둘 수 있는 방법이 없는 것이다.

쉽게 이야기해서, 라면을 끓였는데 봉지가 녹아버려 아무것도 못먹게 생긴 상황이었다.


20200911_072837.jpg 핵융합 발전 3부 - 핵융합 발전의 과거2 (feat. 토카막 & ITER)
<???>

그러나ㅋ 과학자들도 호락호락 하지 않았다.
이번엔 러시아 형들이 등판하는데,

"라면이 뜨거워 봉지가 녹으면, 라면을 봉지에 안닿게 하면 됨ㅋ"

"토카막" 이라는 도넛 형태의 장치를 들고 나타난 것이다.



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<토카막, 출처 : 나무위키>

토카막이란 핵융합 과정에서 초고온의 플라즈마를 가두기 위해 자기장을 이용하는 도넛모양의 장치이다.

토카막의 내부 벽은 초전도 자석으로 이루어져있는데,
초전도 자석은 절대영도에 가까운 극저온 상태에서 전기저항이 0이 되므로 강한 자기장을 오랫동안 발생시킬 수 있기 때문이다.

어떻게 보자면 가장 차가운 그릇에 가장 뜨거운 물질을 가두는 것이다.

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<자기장을 이용한 플라즈마 가둠, 출처 : 나무위키>
(어렵다... 그냥 그렇다고 한다)

사실 토카막 발표전에도 자기장을 이용한 플라즈마 제어 기술을 생각하지 않은건 아니었지만,?

1958년 러시아에서 발표한 토카막은 당시 수준의 무려 10배나 되는 1천만도의 온도에서도 플라즈마를 가두는데 성공하게 되었고 이후 토카막은 핵융합 발전 메커니즘의 주류가 되었다.

실제 핵융합 발전의 메커니즘은 토카막을 이용한 방법 이외에도 몇 가지가 있으나, 이 글에는 주류로 꼽히는 토카막을 이용한 자기장 가둠 방식만 기술하겠다.

토카막을 이용한 자기장 가둠 방식의 핵융합 발전이 이뤄지는 과정은 간단하다.

1. 핵융합로에 연료인 중수소와 삼중수소를 넣는다
2. 융합로에 자기장을 걸어 플라즈마를 가둔다
3. 1억 5천만도 이상으로 가열한다
4. 핵융합 반응이 일어나고 에너지가 방출된다
5. 에너지를 이용하여 증기를 발생시킨다
6. 증기로 터빈을 돌린다
7. 전기 생산하여 잘쓴다 ^0^

20200911_102752.jpg 핵융합 발전 3부 - 핵융합 발전의 과거2 (feat. 토카막 & ITER)
<핵융합 발전 원리, 메일경제 기사 발췌>

지금까지 글을 보시면서 이 일련의 과정들이 최근일인가?
궁금해 하는 분들도 많겠지만,

토카막이 개발된 것은 1958년으로 엄청 오래 전 일이다. 우리나라는 625 전후 수습도 채 못하고 있는 시점에 러시아는 이미 저런걸 고민하고 만들고 있었던 것이다.


각설하고,
많은 이론적 연구를 거듭하여 연구를 구체화 시켜가던 핵융합 발전 분야 선진국들은
이 토카막을 이용한 자기장 가둠 방식으로 1970년대부터 본격적인 실험에 착수한다

러시아는 물론 일본, 미국, 독일을 비롯한 유럽연합까지 가세하여 핵융합 발전 상업화의 가능성을 점차 키워나갔다.


미국과 유럽연합의 토카막 장치는 중수소ㅡ삼중수소 핵융합 반응을 실증 해보였으며, 일본과 독일도 자국의 토카막 장치로 주목할만한 성과를 연이어 발표한다.
이후, 슈퍼컴퓨터의 개발과 각종 과학기술의 발전으로 관련 장비의 성능도 크게 향상 되었다.

그럼에도 불구하고 핵융합 발전은 토카막이 개발된지 몇 십년이 지나도록 상용화 되지 못하고 있는데,

몇 십년이 지났음에도 여전히 플라즈마 움직임 제어 문제에서 벗어나지 못하고 있기 때문이다.

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토카막 개발 이후 비약적으로 플라즈마 가둠 시간이 늘어난건 사실이지만,
초고온 상태에서 들뜬 플라즈마 움직임을 상업화 발전을 가능케 할 정도로 장기간 가둘 수 있는 것은 아니었다. (플라즈마 가둠 시간에 대한 내용은 다음편에서 후술)

이제 핵융합 발전의 가장 큰 관건은 플라즈마를 얼마나 높은 온도에서 얼마나 오랜시간 가둠을 유지 할 수 있냐가 되었다.

이런 상황에서 냉전시대가 끝나고,
비로소 1988년 핵융합 발전의 상용화를 위해서 미국, 러시아(당시 소련), 유럽연합, 일본 핵융합 발전 선진국 4개국이 힘을 합치기로 했다.

개별적인 연구 성과가 어느 정도 궤도에 오른 상황에서 이제는 힘을 합쳐 상용화까지 달성하자는 목표를 가지고(각국 개별 연구 및 소규모 실험은 별개로 진행)

'국제핵융합실험로(ITER)' 공동개발사업 프로젝트가 개시된 것이다.

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<ITER의 구조, 출처 : 나무위키>

이것은 1939년 태양 핵융합 반응이 규명된 이후 약 50년 만이자, 1958년 러시아의 토카막 발표 후 30년 만의 일이었다.


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<GO GO>

ITER 는 라틴어로 '길' 이란 뜻인데,
핵융합 발전으로의 길을 열어줄것이란 기대로 이런 이름을 붙였다 한다.
ITER의 건설부지는 각국 협상 결과 프랑스 남부의 카다라쉬로 최종 결정되었다.

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<프랑스 남부, 카다라쉬>

해당 프로젝트의 목표는 핵융합 발전으로 에너지 증폭률(Q)을 최소 10이상 달성 하는 것이다.

여기서 에너지 증폭률이란, 간단히 말해

발전을 위해 1의 에너지를 넣었을때, 아웃풋으로 나오는 에너지의 비율로,
최소 10은 넘어야 비로소 상용화가 가능하며?
실제 화석에너지를 대체하기 위해서는 22정도는 되어야 한다.

1988년 시작된 프로젝트는 현재 계속 진행중이며, 전체적인 사업 계획은 아래와 같다.

1988년 ~ 2001년: 개념설계 및 공학설계 수행
2007년 ~ 2019년: 장치건설단계
2019년 ~ 2037년: 장치운영단계
2037년 ~ 2042년: 감쇄단계
2042년 이후: 해체단계

사업 계획이 무려 50년이 넘는 초대형 글로벌 과학 프로젝트로,?
루나 게이트웨이 프로젝트(달궤도 우주정거장, 필자의 지난글 참조)나 강입자가속기 계획(LHC) 에 버금간다. (총 예산에서 강입자가속기 계획 보다 훨씬 많다ㄷㄷ, 기회가 되면 강입자가속기에 대해서도 써보겠습니다)

당 프로젝트는 2001년 계획대로 개념/공학설계를 완료하였으며,?
2007년부터 각 해당 나라들이 각각 주요 파트를 건설하여, 계획보다는 늦었지만 올해(2020년 8월) 드디어 건설/운송을 마치고 조립단계에 들어갔다. 조립기간만 4년 이상 걸려 실제 가동은 2025년은 되어야 가능할것으로 예측된다.

그런데 말입니다?

이쯤에서 '그럼 우리나라는?' 하시는 분들이 계실것으로 생각되는데요,

우리나라는 1995년부터 이미 합류요청을 받았다.
1960년대부터 이어진 기초 준비가 있었기에 가능한 이야기였다.

그러나 1997년 IMF 사태가 터지고,
ITER 프로젝트 가입은 미뤄지게 된다.


과연 우리나라의 핵융합 발전은 어떻게 되었을까?!
이걸로 마지막인 걸까?!



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<창세기전3파트2 살라딘의 대사 : 이걸로 마지막이다! >





다음 시간에 4부로 이어집니다.


글이 장편이 되니...
확실히 점점 빡시네요ㅋ
허접한 필력에 한계가ㅜㅜ

읽어주셔서 감사합니다

내용이 잘못되었거나 추가해야 할 사항이 있으면 댓글 부탁드립니다

포텐은 글 작성에 큰 힘이 됩니다


보고 싶은 주제나 관심 있는 주제가 있으시면 댓글 달아주세요~^^

루나 게이트웨이 프로젝트에 대해 알아보자?
https://m.fmkorea.com/3077063330











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