핵융합 발전이 가져올 변화

핵융합 에너지

후쿠시마 오염수 방류로 핵발전에 대한 위험성에 대해 인식하게 된다. 새로운 청정에너지를 개발하는 노력은 계속되어 왔지만, 효율성 있는 청정에너지를 개발하는데 더 많은 노력과 시간이 필요한 것이 현실이다. 핵이라는 용어가 같이 쓰지만, 핵융합 발전은 차세대 에너지원으로 많은 국가들이 연구개발에 노력을 하고 있다. 핵융합 발전이 실현되면 가져올 변화가 무궁무진하기 때문이다. 핵융합 발전에 대해서 알아보자 

 

목차

1. 핵융합 발전이란?

2. 핵융합 발전의 원리 

3. 핵융합 발전이 가져올 미래 

4. 마무리 

 

 

1. 핵융합 발전이란?

핵융합 발전은 우리가 직면한 많은 에너지 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 지닌 유망하고 혁명적인 에너지원이라고 알려져 있다.  현재 원자력 발전소에서 사용되는 과정인 핵분열과 달리, 핵융합은 일반적으로 수소의 동위원소인 두 개의 가벼운 원자핵을 결합하여 더 무거운 핵을 형성함으로써 에너지를 생성하는데 이 과정은 태양과 다른 별에 동력을 공급하는 반응과 유사하게 열과 빛의 형태로 엄청난 양의 에너지를 방출합니다. 태양이 에너지를 발생시키는 원리이다. 

 

2. 핵융합 발전의 원리

 융합은 두 개의 가벼운 원자핵(일반적으로 수소의 동위원소)이 결합하여 더 무거운 핵을 형성할 때 발생한다.  발전에 대한 관심 있는 핵융합 반응에는 수소 동위원소인 중수소와 삼중수소 동위원소가 포함됩니다.

 

중수소(D): 중수소는 핵에 양성자 1개와 중성자 1개가 있는 수소 동위원소입니다. 상대적으로 풍부하며 물에서 추출할 수 있습니다.

삼중수소(T): 삼중수소는 핵에 양성자 1개와 중성자 2개가 있는 또 다른 수소 동위원소입니다. 자연적으로 풍부하지는 않지만, 삼중수소는 더 쉽게 구할 수 있는 리튬으로부터 생산될 수 있습니다.

중수소-중수소 핵융합(D-D): 두 개의 중수소 핵이 결합하여 헬륨-3(He-3)과 고에너지 중성자를 생성합니다.

중수소-삼중수소 핵융합(D-T): 중수소와 삼중수소가 결합하여 헬륨-4(He-4)와 고에너지 중성자를 생성합니다.

 

제어된 핵융합을 달성하려면 연료가 핵융합 반응을 겪는 데 필요한 극한 조건을 만들고 유지해야 하는데 고온, 고밀도, 밀폐제어 이다. 

 

첫 번째 양전하를 띤 원자핵 사이의 정전기적 반발력을 극복하려면 연료를 일반적으로 섭씨 수백만도(또는 켈빈) 정도의 매우 높은 온도로 가열해야 하며 이 온도에서 연료는 플라즈마라고 불리는 뜨겁고 이온화된 가스가 된다. 두 번째 플라즈마는 핵 사이의 충돌 가능성을 높이고 융합 반응을 촉진하기 위해 입자가 촘촘하게 채워져 충분히 밀도가 높아야 합니다. 세 번째 밀폐 조건이다. 극한 조건을 유지하려면 플라즈마를 효과적으로 밀폐하고 소멸을 방지해야 한다. 추가적으로 플라즈마을 이용해서 제어하는 방법은 또 두 가지로 나눠지는데 주요 방법은 자기 밀폐와 관성밀폐이다.

자기 밀폐는 뜨거운 플라즈마를 가두어 안정화시키기 위해 강한 자기장을 사용하는 것이 포함됩니다.

두 가지 주요 자기 밀폐 접근법은 토카막 방식으로 플라즈마가 환상형(고리 모양) 챔버에 가두어지는 도넛 모양의 자기 가두기 장치이다. 토카막은 플라즈마를 안정적으로 유지하기 위해 토로이달 자기장과 폴로이드 자기장을 조합하여 사용합니다.  플라즈마 전류 없이도 플라즈마 안정성을 유지하는 꼬인 나선형 자기 감금 장치입니다. Stellarator에는 연속적인 플라즈마 감금을 제공하도록 설계된 복잡한 자기 코일이 있습니다.

관성 밀폐는 관성 밀폐 핵융합(ICF)에서는 작은 핵융합 연료 알갱이가 레이저나 이온 빔의 강력한 에너지를 사용하여 빠르게 압축되고 가열됩니다. 빠른 압축은 압축된 펠릿 코어 내에서 융합 반응이 발생하는 데 필요한 조건을 만듭니다. 발전에 실용적이려면 핵융합로는 순 에너지 이득을 달성해야 합니다. 여기서 핵융합 반응의 에너지 출력은 반응을 유지하고 극한 조건을 유지하는 데 필요한 에너지 입력을 초과합니다. 핵융합 반응에서 방출되는 에너지는 고에너지 입자 및 방사선의 형태입니다. 이 에너지는 일반적으로 열전달 유체 및 기존 발전소에서 사용되는 것과 유사한 전력 사이클을 포함하는 열 추출 방법을 통해 효율적으로 포착되어 전기로 변환되어야 합니다.

3. 핵융합 발전이 가져올 미래 

핵융합 발전의 몇 가지 주요 측면과 그것이 실현될 경우 가져올 수 있는 변화는 다음과 같습니다.

1) 풍부한 연료 공급: 핵융합은 수소 동위원소, 특히 물과 리튬에서 각각 풍부하고 추출할 수 있는 중수소와 삼중수소에 의존합니다. 이러한 사실상 무제한적인 연료 공급은 자원 부족에 대한 우려와 에너지 자원을 둘러싼 지정학적 갈등은 없어질 것이다. 

2) 안전성: 재앙적인 사고와 장수명 방사성 폐기물로 이어질 수 있는 핵분열과 달리 핵융합 반응은 본질적으로 더 안전하다. 융합 과정은 지속하기 어렵고, 오작동이 발생하면 일반적으로 반응이 자동으로 중단되어 용해 위험을 피할 수 있습니다. 더욱이, 생성된 폐기물은 수명이 짧고 덜 유해합니다.

3) 최소 온실가스 배출: 핵융합은 작동 중에 최소한의 온실가스 배출을 발생시킵니다. 이산화탄소를 배출하지 않아 기후 변화에 대처하는 데 도움이 되는 청정 에너지원입니다.

4) 높은 에너지 밀도: 핵융합은 엄청나게 높은 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 즉, 비교적 적은 양의 연료로 많은 양의 에너지를 생산할 수 있습니다. 이는 분산형 에너지 생산 가능성을 지닌 더 작고 컴팩트한 발전소로 이어질 수 있습니다.

5) 기저부하 전력: Fusion은 기상 조건에 따라 달라지는 풍력, 태양광과 같은 일부 재생 에너지원과 달리 일관된 기저부하 전력을 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이는 에너지 그리드를 안정화하고 화석 연료 백업 전력의 필요성을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

6) 장기 에너지 솔루션: 핵융합 발전은 지속적인 연료 재공급 없이 폐기물 발생을 최소화하면서 다음 세대에 에너지를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이러한 장기적인 지속 가능성은 세계의 에너지 수요에 대한 판도를 바꿀 수 있다. 

 

4. 마무리 

융합 기술은 국가의 화석 연료 의존도를 낮추고 에너지 공급 중단에 대한 취약성을 줄일 수 있습니다. 이는 또한 글로벌 에너지 환경과 지정학적 권력 역학을 변화시킬 수도 있습니다. 핵융합의 추구는 플라즈마 물리학, 재료과학, 공학과 같은 분야에서 중요한 과학 및 기술 발전을 가져왔으며, 융합 이상의 응용 분야를 갖고 있으며 다른 산업 분야의 혁신으로 이어질 수 있습니다. 무엇보다도 핵융합 기술의 개발 및 보급은 핵융합 연구 및 발전소가 설립된 지역에서 새로운 산업, 일자리 창출, 경제 성장으로 이어질 수 있습니다. 그러나 핵융합은 매우 어려운 과학 및 공학적 노력이라는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 연구자들은 수십 년 동안 제어된 핵융합을 달성하기 위해 노력해 왔으며 진전이 있었지만 아직 상업적인 실행 가능성에는 도달하지 못했습니다. 기술적, 경제적, 규제적 장애물을 극복하는 것은 여전히 ​​중요한 과제로 남아 있습니다. 그럼에도 불구하고, 핵융합 발전이 성공적으로 활용될 수 있다면 세계 에너지 환경에 혁명을 일으키고 보다 지속 가능하고 번영하는 미래에 기여할 수 있는 잠재력을 보유하고 있는 것이다. 

 

핵융합 발전은 '인공태양'이라고 불리기도 하며, 제프 베이조스, 빌 게이츠, 피터 딜은 핵융합 발전에 엄청난 금액을 투자하고 있다. 핵융합의 원료인 수소는 바닷물이기 때문에 에너지를 무한히 생성할 수 있으며, 매우 효율이 높다. 핵융합 전문가들은 2045~ 2050년 핵융합 발전기술이 완성될 것을 전방하고 있다. 먼 미래 같지만 매우 가까운 미래이며, 에너지의 혁신이 이루어지는 시점이다. 에너지로 인해 지정학적 전쟁이 발생했던 과거는 역사 속으로 사라질지 모른다. 지구는 더 청정해질 것이다. 인류가 전기를 무한대로 생산한다면 우리의 생활에도 새로운 시대가 열릴 것이다. 

 

플라즈마가 궁금하다면 아래를 클릭하세요! 

플라즈마(plasma)를 이용한 핵융합 발전