오늘날의 핵융합 기술은 비싸고 건물 크기만한 점화 시설을 사용하거나 핵분열 물질을 사용함. 둘 다 없앨 방법이 있을까?
핵분열 물질이 필요없고, 궤도로 올릴 수 있을 정도로 가벼운 핵융합 장치는 가능하고, 실용성 있음. 그런 장치가 어떻게 작동하고 어떻게 응용할 수 있는지 알아보겠음.
궤도로 보내기엔 너무 무거움.
요즘의 핵융합 연구는 중수소와 삼중수소를 레이저나 자기장, 입자빔으로 가두는 것에 있음. 핵융합 연료를 이런 수단으로 가두면, 태양의 중심부보다 더 높은 온도로 올라가고, 핵융합 연료가 점화됨. 그러나 이 과정에서 나오는 에너지는 많지 않음.
최근 NIF에서 한 실험에 따르면, 1.8MJ의 레이저 펄스를 작은 Hohlraum에 집중해서 150KJ가 핵융합 연료에 흡수되었고, 1.3MJ의 에너지가 방출되었다고 함. 투입한 전력의 8.6배 정도를 얻은 거임.
핵융합 반응으로 나온 에너지는 작은 트럭이 고속도로에서 달리는 정도의 운동 에너지나 50 mL의 가솔린이 연소될 때 나오는 에너지와 비슷함. 그러나 레이저를 발사하는 데 들어간 에너지는 422MJ이고 이 에너지는 중형 여객기가 이륙할 때의 운동 에너지나 MK82 폭탄(500파운드)이 터질 때 방출되는 에너지와 비슷함.
NIF는 짓는 데 35억 달러가 들었고, 길이만 300미터임. 무게는 수천 톤이 넘어감. 이게 다 150KJ의 에너지를 방출하는 중수소-삼중수소 캡슐에 집중됨. 더 효율적인 부품들이 쓰이면 효율이 개선되겠지만, 이 시설은 현재의 로켓으로 발사될 수 없음. 투입한 무게 대비 출력을 올려야 함.
작은 박스에 든 별
우주에서 핵융합을 하는 데는 쉬운 방법과 어려운 방법이 있음.
어려운 방법은 현재 기술을 발전시켜서 연료를 점화하는 기술을 더 가볍게 만들어서 질량 당 에너지 출력 비율을 높이는 거임. 예시로 Gradient field imploding liner를 들 수 있음.
이 방법은 20T의 자기장이 걸린 전자석에 리튬 펠렛을 10km/s 이상의 속력으로 발사해서(레일건이나 레이저 등등으로) 982배의 에너지를 회수함. 그러나 점화 장치와 발전 시설, 라디에이터 등등의 무게를 더하면 무게 당 에너지 효율은 10KW/kg 정도를 얻을 수 있음.
만약 스페이스 X 스타십이 현실화된다면, 100톤의 페이로드로 1GW 출력의 핵융합로를 발사할 수 있음.
그러나 이 방법은 오랜 시간이 걸릴 것임. 더 많은 연구와 투자가 필요함.
쉬운 방법은?
핵폭탄임.
핵폭탄은 1950년대부터 이미 작게 만들어지고 있음. 핵분열로 핵융합을 점화하면 충분히 작은 크기로 만들 수 있음.
텔러-울람 설계로 핵분열 과정에서 나온 방사선으로 핵융합을 점화하는 건 핵융합을 직접 점화하는 것보다는 훨씬 간편함.
실용적인 입장에서는 엄청남. 몇백 kg의 무게로 도시 전체를 평탄화 할 수 있음. W56 탄두는 272kg로 TNT 1.2메가톤과 같은 효과를 낼 수 있음.
열핵병기는 우주에서 테스트 된 적도 있음. 스타피시 프라임 핵실험은 1.4메가톤급 핵탄두를 400km 위에서 폭발하는 실험이었음
그러나 핵탄두를 우주에서 터뜨리는 데에는 제한이 있음.
핵탄두의 최소 크기임. 핵융합 반응을 일으키기 위해 들어가는 원자 폭탄의 핵물질은 임계 질량 이상의 질량이 필요하고 그 양은 몇 kg이고, 10톤의 TNT와 비슷하지만, 이 정도 에너지를 위해 쓰는 핵물질의 양이 지나치게 많음. 더 효율적인 핵폭탄은 비슷한 핵물질 무게로 1000톤급 TNT와 비슷하지만, 더 복잡한 압축 기술이 필요하고, 핵융합 에너지를 효율적으로 쓰려면 원자 폭탄의 10배 정도의 에너지를 방출해야 함. 결과적으로 아무리 작은 수소폭탄이라고 해도 TNT 수십 킬로톤 급의 출력이 나옴.(우주선에 그만큼의 출력을 받을 시설이 있어야 함.)
핵물질의 생산도 문제임. 열핵폭탄을 만들 때 가장 큰 문제 중 하나임. 고농축 핵물질은 비싸고 무기화되기 쉽고 위험하기 때문에 정치적, 사회적으로 큰 문제가 있음. 이미 몇 개의 핵 추진 로켓 프로토타입들이 이 문제로 취소됨. 오리온 우주선의 경우 국제법적으로도 문제가 있음.
핵물질의 유통에도 문제가 있음. 지구에서는 물의 순환 때문에 200000ppm의 높은 집중도로 발견되는데 금성이나 세레스에서는 2ppm으로 골고루 분포하기 때문에 많은 양의 돌을 채굴해야 함.
2ppm은 1세제곱미터 당 5그램이 있다는 것이고, 그 중에서 우라늄-235는 0.7%이므로 1세제곱미터 당 35밀리그램의 핵물질이 있음. 임계질량만큼 모으려면 57000m^3이 필요함. 매우 비효율적임.
그러나 핵융합 연료는 비교불가능할 정도로 많음. 중수소는 태양계의 물에 kg당 0.312그램이 있고, 67P/Churyumov-Gerasimenko에는 부피당 중수소가 지구보다 3배 많음. 전기분해로 중수소를 얻을 수 있음. 삼중수소는 좀 까다롭지만. 우주에서 흔한 원소인 리튬으로 만들 수 있음.
헬륨 3은 매우 귀하지만, 달이나 가스형 행성에서 채굴할 수 있음.
순수 핵융합
해결 방법은 핵에너지가 아닌 에너지를 최대한 간단한 방법으로 집중시켜서 핵융합을 점화해서 더러운 부산물 없는 핵융합을 하는 것임.
이게 과학자들이 첫 번째 핵융합 반응이 일어난 이후로 원해왔던 것임. 1996년에 포괄적 핵실험 금지 조약 이후로 순수 핵융합은 관심을 받음. 몇몇 방식은 실제로 핵융합 반응을 일으키는 데 성공함.
이런 연구가 있게 된 이유는 전통적인 점화 연구(토카막, 레이저) 등이 연구비를 못 받게 될 수 있을 상황을 대비해서였고, 더 많은 연구들이 있었지만, 핵융합 연구가 많은 연구비를 받게 되면서 사라졌음.
이 주제는 핵과학자들 사이에서는 까다로운 주제임. 순수 핵융합 장치는 핵폭탄과 많은 범위에서 비슷하고, 자세히 다루는 것은 기밀이기 때문임. 사실을 알고 있어도 말하지 못함.
순수 핵융합 무기 또한 핵 확산 문제에 포함될 수 있음
핵 확산 통제(고농축 우라늄 통제)를 우회할 수 있는 핵무기는 국가 간 위협을 현실로 만들 수 있음.
사진: 우라늄 가스 원심분리기
천연 우라늄은 폭탄이 될 수 없고, 수백 톤이 운송되고 있음. 규제하는것은 불가능에 가까움. 원자로 등급 우라늄은 5% 농축우라늄이므로 핵폭탄으로 만들 수 없음. 무기급 우라늄을 만들려면 가스 원심분리기 같은 축구장급 시설과 메가와트급 전력이 필요함. 이런 기계들은 정밀하고 숙련된 인원이 필요함. 스턱스넷 같은 사이버 공격으로 기계가 망가질 수도 있음.
핵물질을 만드는 다른 방법은 특별한 원자로로 플루토늄 239를 만드는 거임.
순수 핵융합은 고농축 우라늄이 없어도 됨. 순수 핵융합 무기에 대한 논의가 있었고, 나중에 계산해보겠지만, 순수 핵융합 무기는 전술적 이점은 얻을 수 있지만, 전략적 이점을 얻기에는 파괴력이 부족함.
미래에는 순수 핵융합 장치가 진지하게 개발될 수 있음. 군사적 목적이 아니더라도 추진이나 발전 등에 사용할 수 있음.
순수 핵융합 장치에는 두 가지 유형이 있음.
폭발 구동 자속 발생기를 이용한 자화 표적 핵융합 장치
폭발 구동 다단 압축 내파식 핵융합 장치
이 두 개를 기반으로 여러 변형들에 대해 알아보겠음.
3부분으로 나눠서 쓸거임
어제 올라온 글인데 재밌어서 빨리 번역해봄
- dc official App
댓글 0