고객참여
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핵융합 상용화
핵융합에너지를 어떻게 전기로 만들 수 있나요?
핵융합 장치의 중심인 진공용기 안에 핵융합 연료인 중수소와 삼중수소를 넣고, 플라즈마 상태로 가열합니다.
자기장을 이용해 플라즈마를 진공용기 안에 가두고 가열장치를 활용해 플라즈마 온도를 1억도 이상으로 높이게 되면 핵융합 반응이 시작됩니다.
핵융합 반응의 결과로 나오는 중성자는 엄청난 운동에너지를 갖고 있습니다.
이 중성자가 진공용기 내벽에 설치된 블랑켓(blanket)이라는 부분에 충돌하면 중성자의 운동에너지가 열로 변환되어 블랑켓 뒤쪽을 흐르는 냉각수를 가열하고 증기를 발생시켜 대용량의 전기를 생산할 수 있습니다.
동시에 블랑켓에 부딪힌 중성자는 리튬과 반응하여 핵융합 연료인 삼중수소를 다시 만들어 냅니다.
📌참고자료
- https://youtu.be/g6SlFOXgJUw- https://youtu.be/chsZQTgGyMY
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핵융합 연구
플라즈마의 온도나 밀도는 어떻게 측정하나요?
초고온의 플라즈마의 밀도나 온도를 측정하는 방법에는 여러가지가 있습니다.
먼저 KSTAR에 장착된 ‘톰슨 산란레이저 광학계’는 플라즈마 내부에 레이저와 같은 전자기파를 쏜 뒤 전자들에 의해 산란되는 빛의 스펙트럼을 탐지해 전자의 온도와 밀도를 측정하는 진단장치입니다.
태양빛이 공기 중의 입자에 의해 산란되듯 플라즈마 내부의 전자에 의해 산란된 전자기파의 파장과 세기를 분석하여 전자의 온도와 밀도를 계산하는 것입니다.
중력파를 측정하는데 사용된 간섭계라는 장치도 플라즈마 진단에 사용됩니다.
또 다른 진단장치인 ECEI(이차원 전자사이클로트론 방사계)은 플라즈마 입자가 자기장 주위를 회전하며 가속될 때 방출되는 복사파로 온도를 측정합니다.
📌참고자료
- https://blog.naver.com/nfripr/220986842228 -
핵융합 연구
플라즈마의 온도를 어떻게 1억도 까지 올릴 수 있나요?
토카막 형태의 핵융합 장치에서 플라즈마 온도를 올리는 가장 기본적인 방법은 플라즈마에서 발생하는 자체 전류와 자체 저항에 의해 발생하는 줄열(Joule Heat)을 이용하는 것입니다.
하지만 플라즈마는 온도가 올라감에 따라 저항도 급격히 떨어지기 때문에 이 방법으로는 한계가 있습니다.
플라즈마를 더 높은 온도로 가열하기 위해 가정용 전자레인지처럼 외부에서 전자기 에너지를 공급하는 방법과 고속 빔을 입사하는 방법을 사용합니다.
고출력 마이크로파에 의해 발생하는 전자기파가 플라즈마 내의 전자공명 주파수와 공명을 일으켜 생성되는 파동의 에너지가 플라즈마 이온이나 전자를 가열하게 되는 것입니다.
또 에너지가 높고 전기적으로 중성상태인 입자빔을 플라즈마에 주입하는 중성빔입자 가열 방식도 있습니다.
이는 중성입자빔을 플라즈마에 직접 침투시키고 플라즈마가 중성입자빔이 가진 높은 에너지를 흡수하여 플라즈마의 온도를 높이게 됩니다.
📌참고자료- https://blog.naver.com/nfripr/222897519441
- https://blog.naver.com/nfripr/222840429774
- https://blog.naver.com/nfripr/221182978925
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핵융합 연구
우리나라 핵융합장치인 KSTAR와 국제핵융합실험로 ITER는 어떤 차이점이 있나요?
KSTAR와 ITER는 둘다 자기장을 이용해 초고온 플라즈마를 가두는 형태의 핵융합 장치인 '토카막'이라는 점에서 기본적인 장치 구조는 비슷합니다.
하지만 몇 가지 큰 차이점이 있습니다. 우선 그 크기입니다.
KSTAR는 현재 건설 중인 ITER 장치와 비교해 25분의 1 규모에 불과합니다.
ITER는 KSTAR보다 높이와 너비가 각 3배에 달하는 크기로 실제 발전소 규모에 준합니다. 핵융합 반응에 사용하는 연료도 다릅니다.
KSTAR는 중수소만을 가지고 플라즈마 실험을 하지만, ITER는 중수소-삼중수소를 활용한 실험을 수행합니다.
또한 ITER에는 핵융합반응의 결과물인 중성자의 운동에너지를 열에너지로 변환하여 주는 에너지 변환장치인 ‘증식 블랑켓’이 있습니다.
증식 블랑켓은 대용량의 핵융합에너지 생산 가능성을 검증하기 위해 필요한 핵심 부품으로 ITER에 최초로 적용될 예정입니다.
증식 블랑켓은 핵융합에너지 변환 뿐 아니라 핵융합 연료 중 하나이지만, 자연 상태로 거의 존재하지 않는 삼중수소를 핵융합로 내에서 스스로 만들어 자체 공급하는 역할도 합니다.
📌참고자료
- https://youtu.be/JDAC6jUve0Q- https://www.kfe.re.kr/menu.es?mid=a10201040000
- https://blog.naver.com/nfripr/222910903912
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핵융합 연구
초전도핵융합연구장치는 왜 초전도자석이 필요한가요?
'토카막'이라 불리는 자기밀폐방식의 핵융합장치는 초전도자석의 강력한 자기장을 이용해 뜨거운 플라즈마를 공중부양하듯이 진공용기 안에 띄워 핵융합반응을 일으킵니다.
기존의 상전도 자석을 사용했던 핵융합장치는 플라즈마를 가두기 위해 강한 전류를 흘려주면, 전자석의 저항에 의한 열이 발생해 전자석이 망가지기 때문에 오랫동안 플라즈마를 유지할 수 없었습니다.
하지만, 극저온에서 저항이 0이 되는 초전도자석을 사용한 핵융합 장치의 경우 강한 전류를 흘려도 열이 발생하지 않아 오랜 시간 플라즈마를 발생하고 핵융합반응을 일으킬 수 있습니다.
우리나라의 핵융합장치인 KSTAR와 국제 공동으로 개발하는 국제핵융합실험로 ITER는 모두 초전도자석으로 이루어진 핵융합장치입니다.
📌참고자료- https://youtu.be/2YA5L33gWdg
- https://blog.naver.com/nfripr?Redirect=Log&logNo=221359064178&from=postView -
핵융합 연구
핵융합 연구장치에는 어떤 것들이 있나요?
핵융합 장치 종류에는 토카막, 스텔러레이터 그리고 레이저 핵융합 장치 등이 있습니다.
토카막과 스텔러레이터는 모두 자기장을 이용해 초고온 플라즈마를 가두는 자기밀폐방식의 핵융합 장치이며, 레이저 핵융합 장치는 관성밀폐 방식이라고 합니다.
전 세계적으로 가장 많이 연구되고 있는 핵융합장치는 토카막장치로 도넛모양의 진공용기에 3가지 종류의 초전도 자석을 활용해 만든 자기장 그물로 초고온의 플라즈마를 가둘 수 있습니다.
KSTAR와 ITER 장치 모두 토카막 방식이며, 현재 핵융합 발전 상용화에 가장 가까운 핵융합 장치 종류로 꼽히고 있습니다.
토카막이 가진 단점을 보완하는 장치인 스텔러레이터는 외부 전자석을 꽈배기처럼 꼬아서 만든 복잡한 모양을 하고 있습니다.
아직까지 토카막에 비견될만한 높은 성능은 달성하지 못했지만, 연속운전이 가능하고 플라즈마전류에 의한 불안정성이 없다는 장점이 있습니다.
레이저를 이용한 관성핵융합 장치는 핵융합 연료를 담고 있는 손톱만한 구슬을 강력한 레이저로 쏘아 구슬 내부로 향하는 초고압으로 연료가 핵융합 반응을 일으키게 해 순간적으로 에너지를 얻는 방법입니다.
📌참고자료
- https://youtu.be/NA1PEwbZ8Is- https://youtu.be/Zobjqrr9J08
- https://blog.naver.com/nfripr/222162886374
- https://blog.naver.com/nfripr?Redirect=Log&logNo=222802326156&from=postView
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핵융합 연구
1억도의 플라즈마를 가둘 수 있는 장치가 있나요?
지구 상에 1억℃의 플라즈마를 직접 가둘 수 있는 그릇은 없습니다.
하지만 과학자들은 자기장의 영향을 받는 플라즈마의 특징을 이용해 초고온의 플라즈마를 벽에 닿지 않고 띄워 가두는 방법을 찾았습니다.
플라즈마는 평소에 자유롭게 움직이지만, 전기적 특성을 가지고 있어 자기장을 만나면 그 방향을 따라서만 움직입니다.
도넛 모양의 용기에 강력한 자기장을 걸어주면 플라즈마는 밖으로 튀어나오지 못하고 용기 내부의 공중에 떠서 자기장을 따라 움직입니다.
이처럼 1억℃의 플라즈마에도 녹지 않는 고진공의 자기장 그릇이 바로 인공태양이라 불리는 핵융합장치입니다.
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핵융합 일반
핵융합에너지의 장점은 무엇인가요?
핵융합발전의 연료로 쓰이는 중수소는 바닷물에 무한하게 들어있습니다.
또 다른 연료인 삼중수소는 자연상태에는 존재하지 않지만, 지표면과 바닷물에 풍부한 리튬을 핵융합 장치 내에서 핵변환하여 얻을 수 있어 핵융합 연료는 거의 무한하다고 볼 수 있습니다.
핵융합연료 1g은 석유 8톤과 같은 에너지 생산이 가능한 고효율에너지입니다.
또한 온실가스나 고준위방사능 폐기물이 발생하지 않는 친환경에너지이며, 자연재해는 물론 기술적 반응제어가 실패해도 폭발하는 등 심각한 사고가 일어나지 않고 반응이 저절로 소멸되는 근원적인 안정성을 갖춘 안전에너지입니다.
📌참고자료
- https://youtu.be/d5cSR_n1cPA -
핵융합 일반
핵융합과 핵분열은 어떻게 다른가요?
원자력 발전은 우라늄과 같은 무거운 원소를 중성자와 충돌시켜 분열시키는 핵분열반응을 일으키고 그 때 반응 과정 중 결손된 질량이 에너지로 발생되는 에너지 생성방식입니다.
반면에 핵융합 발전은 수소와 같은 가벼운 원소가 융합하면서 무거운 원소로 변할 때 그 반응 과정 중 결손된 질량이 에너지로 변하는 에너지 생성방식입니다.
둘 다 E=mc² 이라는 아인스타인의 질량과 에너지 등가법칙에 따라 에너지가 생성되는 핵반응이지만 원자력발전은 반응후 깨어진 원소의 방사능과 연료로 쓰여진 우라늄이 고준위의 방사능폐기물로 발생되지만,
핵융합 발전은 고준위 방사성 폐기물이 발생하지 않고, 심각한 사고의 위험이 없다는 장점이 있습니다.
📌참고자료
- https://www.youtube.com/watch?v=57V-MS-_y4k&feature=youtu.be- https://blog.naver.com/nfripr/222529731306
- https://blog.naver.com/nfripr/221804937922
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핵융합 일반
핵융합 반응을 만들기 위한 3가지 조건은?
과학자들이 밝혀낸 바에 의하면 지구상에서 핵융합반응을 통해 에너지를 얻기 위해서는 다음과 같은 세 가지 조건이 필요합니다.
첫째, 핵융합을 일으킬 만큼 아주 충분히 많은 하전 입자(높은 밀도)가 필요합니다.
둘째, 핵융합 반응을 일으킬 만큼 충분히 높은 에너지(높은 온도)를 가져야 합니다.
셋째, 핵융합 반응이 일어날 만큼 충분히 오랫동안 그러한 상태를 유지(높은 에너지 구속시간)해야 합니다.
연구자들은 인공태양이라 불리는 핵융합장치를 이용해 이러한 핵융합 반응 조건을 충족할 수 있도록 초고온 플라즈마를 만들고 제어하는 실험을 하고 있습니다.
📌참고자료
- https://youtu.be/bngjXsY1ASU- https://youtu.be/Z18vpAvS1RQ
담당부서
홍보협력팀
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