핵융합의 주요 돌파구는 우리를 '무한' 에너지에 한 걸음 더 가까이 가져왔습니다.

청정 에너지에너지핵무기지속 가능한 친환경 정책

구월 16일 (2021년)

용량이 거의 무제한이고 안전하고 경제적이며 환경 친화적인 지속 가능한 에너지원을 만듭니다. 과학자들은 현재 소비하는 것보다 더 많은 에너지를 생산할 수 있는 핵융합로를 만들기 위해 노력하고 있습니다. 이것은 가능한 것 같습니다.

 

By 그렉 드 테머만

광산 ParisTech-PSL의 부연구원. Mines ParisTech Zenon Research 상무이사


 

로렌스 리버모어 국립 연구소 발표했다 강력한 레이저를 사용하여 원유 1.3kg에 포함된 에너지의 약 3%인 1메가줄의 에너지를 생성하는 핵융합의 주요 돌파구입니다.

 

핵융합은 탄소를 태울 필요가 없는 "무한한" 동력원인 미래의 에너지로 오랫동안 생각되어 왔습니다. 그러나 수십 년의 연구 끝에 아직 흥미로운 약속을 이행하지 못했습니다.

 

이 새로운 돌파구를 통해 우리가 원하는 결과에 얼마나 더 가까워졌습니까? 다음은 이 새로운 과학적 발전을 관점에서 보기 위한 간략한 개요입니다.

 

핵융합이란?

 

원자력을 사용하는 방법에는 현재 원자력 발전소에서 사용되는 핵분열과 핵융합의 두 가지 방법이 있습니다.

 

핵분열에서 무거운 우라늄 원자는 에너지를 방출하기 위해 더 작은 원자로 분해됩니다. 핵융합은 반대의 과정입니다. 가벼운 원자는 더 무거운 원자로 변형되어 에너지를 방출합니다. 이 과정은 태양의 플라즈마 코어 내에서 발생하는 것과 같은 과정입니다.

 

핵융합 원자로는 전력을 증폭합니다. 촉발된 반응은 에너지 생성을 위해 연료 플라즈마를 가열하는 데 필요한 것보다 더 많은 에너지를 생성해야 합니다. 이것을 점화라고 합니다. 아직 아무도 이것을 관리하지 않았습니다. 현재 기록은 1997년 영국의 Joint European Torus에 의해 달성되었습니다. 16메가와트의 전력이 생성되었습니다. 자기 융합에 의해, 그러나 그것을 촉발하는 데 23메가와트가 필요했습니다.

 

미국 샌디에이고 DIII-D 토카막 핵융합실 내부. Rswilcox, CC BY-SA
미국 샌디에이고 DIII-D 토카막 핵융합실 내부. Rswilcox, CC BY-SA

 

핵융합을 달성하는 두 가지 가능한 방법이 있습니다. 강력한 자석을 사용하여 매우 긴 시간 동안 플라즈마를 가두는 자기 감금과 매우 강력하고 짧은 레이저 펄스를 사용하여 연료를 압축하고 핵융합 반응을 시작하는 관성 감금입니다.

 

역사적으로 자기 융합은 관성 융합에 필요한 기술, 특히 레이저가 없었기 때문에 선호되어 왔습니다. 관성 융합은 또한 레이저가 소비하는 에너지를 보상하기 위해 훨씬 더 높은 이득을 필요로 합니다.

 

관성 구속

 

두 개의 가장 큰 관성 프로젝트는 미국 Lawrence Livermore 국립 연구소의 National Ignition Facility와 레이저 메가줄 프랑스에서 주로 군사용으로 사용되며 국방 프로그램에서 자금을 지원합니다. 두 시설 모두 연구 목적으로 핵 폭발을 시뮬레이션하지만 국립 점화 시설도 에너지에 대한 연구를 수행합니다.

 

National Ignition Facility는 핵융합 반응을 촉발하기 위해 몇 나노초 동안 지속되는 기간 동안 총 192메가줄의 에너지를 생성하는 1.9개의 레이저 빔을 사용합니다. 연료는 레이저로 가열될 때 연료를 가열하고 압축하는 X선을 방출하는 수 밀리미터 너비의 금속 캡슐 내부에 배치됩니다.

 

이 과정을 통해 8년 2021월 1.3일에 XNUMX메가줄이라는 획기적인 에너지 생산을 달성했는데, 이는 관성 접근 방식으로 기록된 가장 높은 값, 즉 점화에 가장 근접한 값입니다.

 

0.7의 전체 이득은 1997년 Joint European Torus가 자기 구속을 사용하여 달성한 기록과 동일하지만 이 경우 연료는 0.25메가줄의 에너지를 흡수하고 1.3메가줄을 생성했습니다. 따라서 핵융합은 핵연료에 필요한 열의 상당 부분을 생성했습니다. 반응, 점화 지점에 접근합니다.

 

그러나 원자로는 경제적으로 매력적이기 위해 훨씬 더 높은 이득(100 이상)을 달성해야 합니다.

 

자기 감금

 

자기 구속 접근 방식은 더 나은 개발 전망을 약속하므로 지금까지 에너지 생산에 선호되는 경로입니다.

 

대부분의 연구는 에 초점을 맞추고 있습니다. 토카막, 1960년대 소련에서 발명된 핵융합로로 플라즈마는 강한 자기장에 의해 구속됩니다.

 

ITER35개국이 참여하여 프랑스 남부에서 건설 중인 시범 원자로가 토카막 구성을 사용합니다. 그것은 세계에서 가장 큰 핵융합 원자로가 될 것이며 10의 이득을 보여주는 것을 목표로 합니다. 플라즈마는 50메가와트의 전력으로 가열되고 500메가와트를 생성해야 합니다. 첫 번째 플라즈마는 이제 공식적으로 2025년 말까지 예상되며, 핵융합 시연은 2030년대 후반에 예상됩니다.

 

영국은 최근 STEP 프로젝트(전기 생산을 위한 구형 Tokamak), 2040년대에 에너지 그리드에 연결하는 원자로 개발을 목표로 합니다. 중국도 추격 야심찬 프로그램 2040년대에 삼중수소 동위원소와 전기를 생산한다. 마지막으로 유럽은 또 다른 토카막 데모, 데모, 2050년대.

 

독일의 스텔라레이터와 같은 또 다른 구성 웬델슈타인-7X, 아주 좋은 결과를 보여주고 있습니다. 스텔라레이터 성능은 tokamak이 달성할 수 있는 것보다 낮지만 본질적인 안정성과 유망한 최근 결과로 인해 심각한 대안이 됩니다.

 

융합의 미래

 

한편, 민간 핵융합 프로젝트는 최근 몇 년 동안 호황을 누리고 있습니다. 그들 대부분은 향후 20년에서 XNUMX년 사이에 융합 반응을 예상하고 있습니다. 2 억 달러의 자금 지원 전통적인 개발 부문을 능가합니다.

 

풍력, 태양열 및 핵분열과 비교되는 두 가지 다른 핵융합 전개 시나리오. 사진 제공: G De Temmerman, D Chuard, J-B. Zenon Research의 Rudelle (저자 제공)

 

이러한 이니셔티브는 핵융합에 도달하기 위해 다른 혁신적인 기술을 사용하므로 작동 중인 원자로를 신속하게 제공할 수 있지만 전 세계에 원자로를 배치하는 데는 시간이 걸릴 수밖에 없습니다.

 

개발이 이 가속화된 경로를 따른다면 핵융합은 1년까지 세계 에너지 수요의 약 2060%에 달할 수 있습니다.

 

따라서 이 새로운 돌파구는 흥미진진하지만, 핵융합은 빠르면 금세기 후반부의 에너지원이 될 것이라는 점을 명심해야 합니다.

 

이 기사는 원래 26년 2021월 XNUMX일 호주 대화에서 게시되었으며 Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International Public License. 원본 기사를 읽을 수 있습니다. 바로가기 그리고 그것은 원래 French. 이 기사에 표현 된 견해는 WorldRef가 아닌 저자의 견해입니다.


 

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