2023년 8월 어느 날, 모든 주요 부문에서 뉴스가 나왔습니다. 중국의 인공 태양 "Gyre 3"이 처음으로 100만 암페어의 플라즈마 전류에서 높은 구속 모드 작동을 달성했습니다. 이는 중국의 제어 가능한 핵융합 경력에 대한 중요한 기념물입니다. "Gyre 3"은 일종의 자기 감금 융합을 적용합니다. 즉, 연료를 먼저 가열하여 플라즈마 형태로 만든 다음 자기장을 사용하여 고열 플라즈마의 하전 입자를 구속하여 나선형으로 움직이게 하고 핵융합 반응이 일어날 때까지 플라즈마를 추가로 가열합니다.
직설적으로 말하면 플라즈마 전류의 100만 A배 미만에서 높은 구속 모드 작동을 달성하는 것은 Sun Wukong을 위한 황금 고리를 개발하는 것과 같습니다. 강화되는 저주를 외침으로써 Sun Wukong은 고의적인 일을 하는 대신 선한 일을 할 수 있습니다.
전 세계적으로 자기 융합 봉쇄를 달성하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 예를 들어, 토카막이라고도 알려진 링 자기 기계가 있습니다. 이는 플라즈마 기둥을 통해 전류(큰 빨간색 화살표)를 구동하는 변압기로 인해 발생하는 전기장에 의해 작동하여 플라즈마 전류를 원(녹색 수직 원)으로 구부리는 폴로이드 자기장을 생성합니다. 플라즈마 컬럼을 원형으로 구부려 누출을 방지하고, 이렇게 하면 도넛 모양의 용기 내부에 진공이 생성됩니다. 원의 길이를 둘러싸는 다른 자기장은 환상형 자기장(녹색 수평 원)이라고 합니다. 두 필드가 결합되어 플라즈마가 매우 제한된 나선형 구조(검은색으로 표시)와 유사한 3차원 곡선을 형성합니다. 직설적으로 말하면 당나귀가 맷돌을 끄는 것과 같습니다. 당나귀는 항상 맷돌 주위를 돌며 맷돌을 회전시켜 생산량을 생산합니다.
위에서 언급한 플라즈마는 극도로 높은 온도에서 기체의 상태를 말합니다. 플라즈마에서는 전자가 원자에서 벗겨집니다. 핵 주위를 공전하는 전자를 잃은 원자를 이온화된 상태라고 하며 이온이라고 합니다. 따라서 플라즈마는 이온과 자유전자로 구성됩니다. 플라즈마는 거의 완벽한 전도성을 가지며 자기장의 영향을 받아 필라멘트, 원통, 이중층 등 다양한 3차원 구조를 나타냅니다. 자기장은 또한 다양한 플라즈마를 포착, 이동 및 가속하는 데 사용될 수 있습니다. 손오공도 마찬가지다. 그는 날카로운 눈과 황금빛 눈을 가지고 태상 노군(Taishang Laojun)의 연금로에서 불태워졌습니다. 그가 나온 후에는 백골 정신을 한눈에 볼 수있었습니다.
일반적으로 핵융합에서 일반적으로 사용되는 단위는 메가와트, 즉 MW입니다. 예를 들어, 1991년 유럽의 Joint Ring Fusion Reactor는 처음으로 제어 핵융합을 수행하여 약 1.7MW의 전력을 생산했습니다. 비록 2초밖에 지속되지 않지만 인류의 청정에너지 역사에서 가장 중요한 부분 중 하나입니다. 그러나 원본 뉴스 기사에서는 전류의 단위(암페어)만 표시되는 반면, 메가와트는 전류와 전압의 곱입니다. 즉, 현재 구현하고 있는 'Gyre Current No.3'은 주로 전압을 입력한 후 발전으로 변환할 수 있는 제어 방식, 즉 원자로 점화 방식을 주로 구현하고 있음을 의미한다. 이것이 Sun Wukong의 황금 고리와 비교되는 이유입니다.
부적절한 예를 들자면, '하이브리드3'에 일반 AA 배터리를 연결해도 발전량은 1.2MW에 달할 수 있다. 100만 암페어 플라즈마의 높은 봉쇄에 대한 금 함량에 대한 위장된 설명입니다.
학습으로 가는 길에 대한 연구 개발
2006년 11월, 중국, 유럽연합 및 기타 7개 당사국은 국제 열핵융합 실험로 프로그램을 시작하기로 합의했습니다. 이 계획은 ITER(국제열핵융합실험로)에 의해 추진되어 오늘날 세계 제어형 자기밀폐형 핵융합의 주요 과학기술 성과를 통합하고 수많은 기술적 문제를 해결합니다. 2007년까지 프랑스는 500MW급 토카막 건설을 시작했습니다.
이 기계에서 플라즈마는 태양 핵보다 10배 더 뜨거운 섭씨 1억 5천만도까지 가열되어 핵융합 반응을 수행하게 됩니다. 반면, 기계 속 초전도 자석의 온도는 영하 269도 이하이다. 이 토카막에는 총 약 1천만 개의 부품이 필요하며, 이 부품은 전 세계에서 ITER 건설 현장으로 가져옵니다. 섭씨 1억 5천만도의 개념은 무엇입니까? 후세대의 '서유기' 해석에 따르면 레드보이의 삼매 진정한 불은 섭씨 4~5천도에 불과하다. 원자로의 온도는 레드보이 30만개를 묶은 것과 맞먹는다.
ITER의 최신 보고서에 따르면 이 기계는 50% 조립되었으며 2025년 12월 첫 번째 가동 단계를 거치게 됩니다. 이 기계가 완벽하게 작동하면 전 세계의 모든 화석 연료가 청정 에너지로 대체될 것입니다.
그러나 "서유기"에 묘사된 것처럼 손오공은 광대한 초자연적인 힘과 무한한 마법의 힘을 가지고 있습니다. 작은 황금 고리로 그를 묶으려고 하는 것도 바보의 꿈이다. 가장 기본적인 점화를 예로 들면, 원자로 온도를 섭씨 1억도 이상으로 가열할 수 없으면 원자로는 반응하지 않을 것입니다. 현재 주요 가열 방법은 고주파 방전을 사용하여 중성 수소를 이온화하여 토로이드 코일을 따라 생성된 큰 폴로이드 자기장의 전류에 의해 가열되는 저온 플라즈마를 형성하는 저항 가열입니다. 위에서는 플라즈마가 거의 완벽한 전도성을 가지고 있다고 언급했지만, 플라즈마에는 일정한 저항도 있어서 전류가 통과할 때 여전히 열이 발생합니다. 그러나 플라즈마의 저항률은 전자 온도가 증가함에 따라 급격하게 떨어지며, 이로 인해 오믹 가열의 전력 밀도도 급격하게 떨어지므로 오믹 가열의 사용이 제한됩니다.
또 다른 방법으로는 토카막에서 주로 사용되는 가열방식인 고에너지 중성입자빔 주입 가열방식이 있다. 플라즈마 가열에 사용되는 중성 입자빔은 일반적으로 고에너지 중성 네온 원자빔이다. 고에너지 중성입자는 핵융합장치 내 자기장의 영향을 받지 않고 플라즈마 중심부에 직접 주입될 수 있다. 중성 원자가 플라즈마에 들어가면 전하 교환 및 충돌 과정을 통해 즉시 이온화됩니다. 이러한 고에너지 이온은 자기장에 의해 포획된 후 원래 플라즈마와 쿨롱 충돌을 통과합니다. 가열의 목적을 달성하기 위해 플라즈마에 에너지가 부여됩니다.
그러나 중성화된 가스 챔버에서 전자를 포착하여 이를 중성 입자 빔으로 바꾸는 이온 소스의 고에너지 이온빔의 효율은 입자의 에너지가 증가함에 따라 급격히 감소합니다. 음이온 빔이 이온 소스로부터 끌어당겨지면 에너지가 증가함에 따라 음이온을 중성 입자로 변환하는 효율이 크게 감소하지 않습니다. 이는 음이온에서 과잉 전자를 분리하는 것이 훨씬 쉽기 때문에 고전력 음이온 소스가 필요하기 때문입니다.
또한 중성 빔의 가열 효율에 대한 중요한 제한은 코일 벽에 의한 가스 흡수로 인해 탄소 및 산소 불순물이 존재한다는 것입니다. 탄소와 산소의 농도는 1%에 도달할 수 있습니다. 중성빔과 이러한 불순물 사이의 전하 교환은 매우 여기된 탄소 이온과 산소 이온을 생성하며, 이는 선형 복사로 인해 에너지를 잃어 가열 효율이 급격히 감소합니다.
경험으로부터 배우기 위해 81가지 어려움을 겪어야 하는 것처럼, 제어 가능한 핵융합으로 가는 길의 어려움에도 불구하고 우리나라 원자력 산업은 이미 1980년 이후 많은 분야에서 중요한 연구 성과를 달성했습니다. 위에서 언급한 토카막의 장점으로 인해 중국 핵융합 연구계는 수십 년 동안 토카막 플라즈마에 주목해 왔습니다. 1980년대부터 1990년대 중반까지는 HT-6B, HT-6M, HL-, HL-1M 등 중소형 토카막 장치가 개발됐다.
1994년과 2002년에 러시아(T-7 Tokamak)와 독일(ASDEX Tokamak)에서 제공한 장비를 바탕으로 우리 나라는 아시아과학물리연구소(ASI)와 SWIP에서 각각 HT-7과 HL-2A를 제작하여 중국이 초전도 토카막을 개발할 수 있는 4번째 국가가 되었습니다. 중국이 세계 최초의 토카막-EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, 줄여서 EAST)를 건설한 것은 바로 이 때문입니다. EAST는 상부 및 하부 전환기를 갖춘 세계 최초의 완전 초전도 토카막입니다. 긴 펄스, 정상 상태 및 높은 제약 모드에서 작동하도록 설계되었으며 101초의 높은 제약 모드 방전을 달성했습니다. EAST는 세계의 핵심 토카막 장치 중 하나로 자리잡고 있으며 미래 장비(ITER 및 CFETR 포함)에 대한 고성능, 장펄스 작동 시나리오를 제공할 수 있습니다.
중국의 자기감금 융합 기업에 관한 한, EAST는 단지 첫 번째 단계에 불과합니다. 다음으로 우리나라는 현대식 난방 및 전류 구동 및 진단의 장 펄스 고구속 모드와 정상 작동을 실현할 것입니다. HL-2M을 통해 높은 보조 화력 하에서 고성능 플라즈마 물리학을 연구합니다. 다음 단계는 ITER, CFETR(China Fusion Engineering Test Reactor) 관련 핵심기술 개발이다. "모든 방랑자가 길을 잃은 것은 아닙니다." 당승의 네 스승과 제자들은 명확한 지침을 갖고 마침내 참된 경전을 얻기 위해 레이인사에 도착했습니다.
CFETR 건설은 2030년대에 완료될 것으로 예상됩니다. CFETR 운영 계획은 두 단계로 구분됩니다. 첫 번째 단계의 목표는 100~200MW의 핵융합 전력을 달성하는 것입니다. 이 단계에서는 ITERQ=10 운영을 보완하여 정상 상태 운영과 삼중수소 자급자족을 탐구합니다. Q=10은 ITER의 목표 중 하나이며, 이는 플라즈마에서 10배의 전력 반환을 생성하는 것을 의미합니다.
2단계는 2040년대에 완료될 예정이다. 1GW의 핵융합 전력을 갖춘 Tokamak CFETR도 이때 시연될 예정입니다. 프로토타입 핵융합 발전소(PFPP)는 2060년경에 건설될 예정이며, 이는 상업용 핵융합 발전소를 설립하기 위한 중국의 자기밀폐 핵융합 로드맵의 마지막 단계입니다. 오늘날의 관점에서 보면 2060년은 40년도 채 남지 않았고, 아직도 기다림이 길다. 그러나 제어 가능한 핵융합 분야에서 중국의 자기 구속 핵융합 산업은 빠르게 발전하고 있습니다.
아시아원자력개발본부
핵분열 발전의 관점에서 볼 때, 현재 중국 원자력 산업의 주요 기업은 9,242개이다. 2021년 등록업체 수는 2,327개이며, 2022년 등록된 원전업체는 1,675개이다. 이는 우리나라 원전산업이 지난 2년간 매우 빠르게 발전했음을 입증하는 것이기도 하다. 우리나라의 원자력 발전량은 전체 발전량의 5%에 불과한 반면, 러시아, 영국 등 선진국의 원자력 발전량은 각각 전체 발전량의 19.6%, 14.2%를 차지하고 있습니다. 우리나라가 제어 가능한 핵융합 분야에서 많은 획기적인 발전을 이룬 것은 사실이지만, 진정한 저탄소, 저배출 청정에너지 사회를 달성하려면 원자력 전력망 연결의 상용화도 무시할 수 없는 연결고리입니다.
핵융합 발전소를 사용하면 핵분열 발전과 마찬가지로 산성비나 온실 효과를 일으키지 않기 때문에 세계 전력 수요 증가로 인한 환경 영향을 크게 줄일 수 있습니다. 연료의 가용성을 고려하면 핵융합 발전은 지속적인 경제 성장과 관련된 에너지 수요를 쉽게 충족할 수 있습니다. 핵융합 반응이 통제를 벗어날 위험이 없습니다. 결국 반응이 통제를 벗어나면 아무 일도 일어나지 않을 것입니다. 핵융합은 장수명 방사성 생성물을 생성하지 않고 미연 가스를 현장에서 처리할 수 있지만 구조 재료의 활성화로 인해 여전히 단기 및 중기 방사성 폐기물 문제가 있을 것입니다. 고에너지 중성자에 의한 충격으로 인해 일부 구성 물질은 원자로 수명 동안 방사성이 되고 결국 방사성 폐기물이 됩니다. 물론 이는 핵융합 발전의 상용화에 있어서도 고려해야 할 중요한 측면이기도 하다.
PFPP는 중국 핵융합 상용화의 첫 단계가 될 것이다. "Gyres-3" 다음에는 "Gyres-4"와 "Gyres-5"가 있습니다. 각 장비는 몇 가지 획기적인 발전을 가져올 것이며 궁극적으로 우리나라의 핵융합 청정 에너지가 전통적인 비재생 탄소 에너지를 대체할 수 있는 상황을 실현할 것입니다.