과학자들이 핵융합의 '지름길'을 발견했습니다. 먼저 가열한 다음 압축하면 점화 에너지 소비를 크게 줄일 수 있습니다.

요약:

미국 에너지부 산하 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)의 연구원들이 핵융합을 달성하기 위한 새로운 아이디어를 제안했습니다. 그들의 최근 계산에 따르면 플라즈마 가열 및 압축 순서가 변경되면 미래 핵융합로에서 "점화"를 달성하는 데 필요한 에너지가 크게 줄어들어 제어 가능한 핵융합 개발을 위한 보다 효율적인 경로가 열릴 수 있습니다.

핵융합은 미래의 가장 유망한 청정 에너지 기술 중 하나로 간주됩니다. 그 원리는 태양 내부에서 에너지를 생성하는 과정과 동일합니다. 가벼운 원소 핵이 핵융합 반응을 거치게 함으로써 온실가스 배출이 거의 없이 엄청난 양의 에너지가 방출될 수 있습니다. 그러나 태양 내부의 극한 환경을 지구상에서 재현하는 것은 극히 어렵기 때문에 과학자들은 수십 년 동안 안정적인 핵융합 반응을 달성할 수 있는 최선의 방법을 찾고 있었습니다.

1950년대부터 핵융합 연구 분야에서는 핵융합 점화 조건을 평가하기 위해 주로 '로슨 기준'에 의존해 왔습니다. 이 이론은 플라즈마가 외부 가열 없이 자체적으로 생성된 에너지로 핵융합 반응을 계속할 수 있을 만큼 충분히 높은 온도와 밀도를 오랜 시간 동안 유지할 수 있는지 여부를 결정하는 데 사용됩니다.

그러나 Lawson의 기준은 어떤 조건을 충족해야 하는지 설명할 수 있을 뿐, 이러한 조건을 가장 효율적으로 달성하는 방법을 명확하게 나타내지는 않습니다. 이를 위해 PPPL 연구팀은 핵융합 과정에서 생성되는 헬륨재, 원자로 벽의 불순물, 싱크로트론 방사선 에너지 손실, 플라즈마의 열 손실 등 기존 틀에 4가지 요소를 추가해 실제 상황에 더 가까운 새로운 모델을 구축했다.

연구 결과는 Physical Review Letters 저널에 게재되었습니다. 연구원들은 이러한 현실적인 요소가 계산에 포함되면 원래 실현 가능해 보였던 많은 설계 솔루션이 크게 변경되어 향후 원자로 설계에 중요한 참조 값을 갖게 된다고 말했습니다.

플라즈마는 흔히 물질의 제4상태라고 불립니다. 가스가 매우 높은 온도로 가열되면 가스 내부의 입자가 전하를 띠고 플라즈마가 형성됩니다. 핵융합 반응 장치에서 과학자들은 핵이 서로 간의 전기적 반발력을 극복하고 핵융합 반응을 일으킬 수 있도록 플라즈마를 극한의 온도로 가열해야 합니다.

연구팀은 핵융합 점화가 이루어지는 과정을 산으로 막힌 지형을 횡단하는 과정에 비유했습니다. 기존의 많은 솔루션 아이디어에 따르면, 연구자들은 먼저 플라즈마 밀도를 높인 다음 계속해서 온도를 높이는데, 이는 목적지에 도달하기 위해 산을 직접 오르는 것과 같습니다. 그러나 새로운 모델에서는 실제로 덜 힘든 경로가 있을 수 있음을 시사합니다.

계산 결과에 따르면 플라즈마를 더 높은 온도로 가열한 다음 밀도를 점차적으로 높이면 총 에너지 소비를 줄이면서 동일한 목표를 달성할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이 접근 방식은 가장 가파른 길을 직접 오르는 것이 아니라 산을 우회하여 측면에서 목적지에 진입하는 것과 같습니다.

연구원들은 핵융합 점화를 달성하는 데 필요한 에너지가 가장 낮은 경로인 소위 '코디 안장점'을 찾기 위해 수학적 모델을 사용했습니다. 결과는 '먼저 가열하고 밀도를 높이는' 전략이 우연히 이 최적 영역에 있음을 보여주며, 미래 융합소자의 중요한 설계 방향이 될 것으로 기대된다.

연구팀은 새로운 점화 경로를 발견한 것 외에도 다른 중요한 결론도 얻었습니다. 모델은 플라즈마에 들어가는 아주 작은 양의 텅스텐 불순물이라도 핵융합 반응에 심각한 영향을 미치거나 심지어 실패를 초래할 수 있음을 보여줍니다. 텅스텐은 내열성이 매우 높기 때문에 현재 미래의 많은 핵융합로의 내벽 재료로 사용될 계획입니다. 따라서 텅스텐이 플라즈마에 들어가는 것을 방지하는 방법은 핵심적인 기술적 과제 중 하나가 될 것입니다.

또한 연구원들은 융합 플라즈마 내부에 반응의 추가 향상을 제한하는 특정한 자연적인 "제동 메커니즘"이 있다는 사실도 발견했습니다. 과거에는 이러한 영향이 전체 계산에 완전히 반영되지 않았으나, 새로운 모델에서는 이러한 영향 요인을 보다 완벽하게 반영할 수 있습니다.

이 연구가 아직 이론적이고 계산적인 단계에 있고 새로운 핵융합 실험의 획기적인 발전을 직접적으로 달성하지는 못하지만, 과학자들은 이것이 미래 원자로 설계를 위한 보다 효율적인 로드맵을 제공한다고 믿습니다. 관련 결론을 실제 장치에서 검증할 수 있다면 향후 핵융합에너지 상용화에 소요되는 비용과 에너지 투자를 획기적으로 줄여 거의 무제한에 가까운 청정에너지를 향한 인류의 목표를 가속화할 수 있을 것이다.