핵융합 발전과 인공태양 KSTAR

 

인공태양

태양의 내부 온도는 약1,500만도 입니다. 태양의 중심에서는 핵융합 반응이 일어나고 있는 것이죠.

에너지를 내는 방식이 태양과 같은 방식으로 핵융합 장치를 인공태양이라고 부릅니다.

태양처럼 핵융합이 일어나는 인공태양을 만들기 위해 필요한 온도는 약 1억도 입니다. (태양보다 7배 뜨거움)

핵융합 장치는 1억도의 플라즈마를 자기장으로 제어하여 공중으로 띄워 놓는 방법을 사용합니다.

1억도를 보관하고도 견딜 수 있는 물질은 존재하지 않기 때문에 공중에 띄워서 운전하는 것이죠.

플라즈마를 공중에 띄워 직접 닿지 않아도 인공태양의 내벽은 1천도이상 뜨겁습니다.

https://rosa.sjmts.com/94

텅스텐(Tungsten) 특성, 용도, 역사, 생산, 관련주

 

이런 강한 열을 견디는 부분을 디버터 라고 합니다. 디버터의 재료로는 초고온의 열과 충격을 견뎌야 하기 때문에 텅스텐(W)이 쓰입니다.

또한 디버터의 냉각을 위한 기술이 필요합니다.

디버터 (출처: 한국핵융합에너지연구원)

인공태양은 환경오염 없는 친환경 에너지를 만들기 위해 핵융합 연구를 하는 것이죠.

핵융합은 원자력 발전소에서 사용하는 핵분열과 다릅니다.

 

핵분열과 핵융합의 차이점

핵분열 – 우라늄 원자력이 분열되어 방출되는 에너지를 사용함. 유해한 방사선 발생, 핵폐기물 발생, 폭발 사고 발생 우려 등 여러 가지 위험성이 있습니다.

핵융합(fusion)에너지 - 가벼운 원자핵(수소, 헬륨)들이 초고온 플라즈마 상태에서 서로 반응하여 발생하는 막대한 에너지, 핵융합은 이산화탄소나 방사성폐기물이 발생하지 않음, 폭발의 위험이 없음, 바닷물에서 원료를 얻을 수 있음, 소량의 바닷물로 큰 에너지를 얻을 수 있음

이론적으로 수소연료 1g을 사용해서 석탄 8t으로 생산되는 전기를 얻을 수 있음

 

진공상태의 용기 안에 초전도 자석을 이용해 전류의 변화에 의한 플라즈마를 발생시킨 후 플라즈마를 가열하면 1억도까지 뜨거워집니다. 이후 수소들 간의 핵융합이 발생하게 됩니다.

 

플라즈마

물질에는 4가지 상대가 있습니다. 고체, 액체, 기체, 그리고 플라즈마입니다.

기체에 열을 가하면 원자 속에 있던 원자핵과 전자로 분리되어 플라즈마로 변화됩니다.

원자핵과 전자로 분리된 플라즈마는 극성을 띠게 됩니다. 극성을 띤 플라즈마는 전기적 성질을 갖고 전기장에 가속운동 하게 되고, 자기장에 회전운동을 합니다.

 

핵융합을 운전할 수 있는 조건

1.     플라즈마를 가둘 수 있는 진공상태 유지

2.     초전도 자석의 냉각(영하265도정도로 자석을 냉각함)

3.     플라즈마 가열장치 성능점검

 

H-모드(High Confinement mode) – 특정조건에서 플라즈마 가동성능이 2배 이상 증가하는 현상, 플라즈마를 안정적으로 운전

 

ELM(엘름, Edge Localized mode)- H-모드에서 플라즈마가 그대로 유지되지 않고 플라즈마 경계면의 압력이 임계치를 넘어가면서 간헐적으로 발생하는 불안전 현상.

 

FIRE 모드(Fast Ion Regulated Enhancement mode) – 기존의 플라즈마 보다 고속이온 밀도가 높고 초고온의 플라즈마를 안정적으로 유지하여 H-모드보다 같거나 높은 플라즈마 성능을 보여주면서 ELM과 같은 불안정성 현상이 나타나지 않습니다.

 

 

핵융합의 원료

핵융합의 원료는 중수소와 삼중수소가 필요합니다. 이 원료들은 모두 바다에서 얻을 수 있습니다.

바닷물 1L에서 약 0.03g의 중수소를 얻을 수 있습니다.

바다에서 얻을 수 있는 리튬을 이용해 삼중수소를 생산합니다.

삼중수소- 리튬에 중성자를 조사하는(반응시키는, 충돌시키는) 방식으로 생산함, 수소폭탄의 원료가 될 수 있음

캔두형 원자로(CANDU)- 삼중수소를 생산할 수 있는 특수원자로

토카막(Tokamak) – 토카막은 태양과 같은 핵융합 반응이 일어나게 하는 환경을 만들어 초고온의 플라즈마를 자기장을 사용해 가두는 핵융합 장치입니다.

토카막 (출처: 한국핵융합에너지연구원)

 

 

초전도자석의 냉각

초고온의 플라즈마 운전에 사용되는 초전도자석을 냉각시켜줘야 하는데요.

초전도자석의 냉각장치에는 헬륨이 사용됩니다. 헬륨은 공기보다 가볍고 안전합니다.

또한 헬륨은 끓는점이 낮아 영하 269도에서 얼지 않는 액체로 존재합니다.

이점을 활용해 극저온냉각에 사용합니다.

초전도자석의 전기저항이 없어지는 초전도성을 띠기 위해 영하 269도를 유지해줘야 합니다.

그래서 지구에서 가장 차가운 물질인 헬륨을 사용합니다.

KSTAR의 초전도 선재는 나이오븀-주석(Nb₃Sn)으로 이루어지는데요. 이 선재는 절대온도 18K에서 전기저항이 완전히 사라집니다. 이러한 현상을 ‘초전도 전이 현상’이라고 합니다.

초전도자석의 초전도성을 띠게 하기 위해서 액체 헬륨을 사용해 영하269도(4.5K)의 극저온을 유지해줍니다.

핵융합실증로초전도도체 샘플 (출처: 한국핵융합에너지연구원)

 

 

인공태양의 내부를 진공상태로 유지해야 하는 이유

핵융합로의 내부는 진공상태로 이루어집니다.

진공상태로 유지해야 하는 이유는 플라즈마의 발생환경을 만들어주고, 플라즈마의 소멸을 막기 위해서입니다. 진공 용기의 완전한 진공에 가깝도록 최대한의 진공상태를 유지할수록 핵융합반응 효율을 높일 수 있습니다. 이 세상에 완전한 진공은 없다고 합니다.

토카막 내부의 진공상태를 확실하게 유지할 수 있게 하는 것이 중요합니다.

인공태양 KSTAR의 내부는 초고진공상태(10－7~10－10mbar)를 유지한다고 합니다.

KSTAR의 진공상태 유지를 위한 장치로는 진공 배기펌프, 고온베이킹 시스템, 내벽 세정장치가 필요 합니다.

 

핵융합로의 전기생산

중수소와 삼중수소를 진공용기 내부에 주입합니다. 이 기체연료들을 가열하여 플라즈마 상태로 만듭니다.

초전도자석으로 자기장을 만들어 플라즈마 상태의 연료를 핵융합로의 벽에 부딪히지 않도록 가두어 제어합니다.

가열장치를 이용하여 플라즈마의 온도를 높인 후 플라즈마가 1억도 이상 올라가면 중수소와 삼중수소의 원자핵들이 핵융합 반응을 하게 됩니다.

핵융합으로 운동에너지를 가진 중성자가 발생하고 중성자의 에너지를 이용해 전기에너지를 만듭니다.

중성자가 블랑켓에 부딪히고 블랑켓의 냉각재 온도를 이용해 수증기를 발생시켜 터빈을 회전시킨 에너지로 전기를 만듭니다.

 

블랑켓(Blanket)- 핵융합 반응이 일어나는 진공 용기 내부를 감싸고 있는 형태입니다. 핵융합의 발생하는 중성자를 수집 후 중성자가 블랑켓 안쪽의 리튬 층에 도달하면 리튬과 중성자의 반응으로 삼중수소 생산. 불순물이 섞여 있는 삼중수소 배출물에서 분리, 정재 후 다시 핵융합 원료로 사용됨

 

 

KSTAR(케이스타, Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)

우리나라의 초전도 핵융합연구장치, 초고온 핵융합 플라즈마를 만들고 장시간, 안정적인 운전을 실험하는 장치, 운전 시간을 늘리는 실험을 합니다. 삼중수소를 쓰지는 않습니다. 중수소만으로 연구목적의 실험만 합니다.

KSTAR은 1억도의 플라즈마 유지 시간을 매년 10초씩 늘리고 있는데요. 2018년 1억도까지 올리는데 성공(1.5초)하고 이후 2021년에는 1억도를 30초까지 유지하였습니다. (2023년 50초, 2026년 300초 목표)

KSTAR (출처: 한국핵융합에너지연구원)

 

세계 여러 나라의 인공태양

ITER(이터, 라틴어로 ‘길’을 뜻함) – 프랑스에 건설중인 국제공동으로 개발하는 국제핵융합실험로, 핵융합반응을 일으키고 전기를 생산하기 위한 발전실험을 합니다. 중수소와 삼중수소를 이용하여 D-T핵융함반응을 일으킵니다.

EAST(이스트, Experimental Advanced Superconducting Tokamak) – 중국의 인공태양

JT-60SA – 일본, NSTX-U – 미국, T-15MD – 러시아, JET – 유럽 등 전 세계에는 약 100여개의 인공태양을 연구 중이라고 합니다.