폭발 구동 자속 발생기를 이용한 자화 표적 핵융합 장치
폭발 구동 자기력 발생 장치는 폭발물의 화학적 위치 에너지를 강력한 자기력 펄스로 바꿔줌.
축전기로 도체판에 강력한 전류를 흘려서 얻는 방식과(Disk Explosive Magnetic Generator DEMG) 코일을 이용하는 (Helical Explosive Magnetic Generator HEMG) 방식이 있음. 고폭약이 터지면 코일과 판 같은 도체를 압축하고 (위 사진을 예시로 들자면, 코일의 면적이 폭발로 작아져서 코일 내부를 지나가는 자기력선속은 작아지는데 렌츠의 법칙에 따라 코일 외부의 자기력선이 코일에 유도기전력을 만드므로 코일의 전체 자속은 보존되고, 면적당 자기장 세기가 증가함.) 자기장을 최대 수백 테슬라까지 증폭함. 이 장치를 여러 단으로 만들어서 1차 압축과 2차 압축으로 만들어서 자기장을 더 증폭할수도 있음.
러시아의 VNIIEF의 실험에 따르면 고폭탄 에너지의 20%에서 25% 정도를 변환할 수 있었고 100MA의 전류가 200T의 자기장을 만듬. 이론상으로는 이것보다1.5배 더 효율적인 결과값이 나와서 대략 30~40%의 효율이 나와야 했고, 자기 확산이나 기계적 문제 등으로 효율성이 저하되었다고 함.(참고 1 , 참고 2) 다른 형태의 장치로 70%효율을 낼 수도 있다고 함.
1미터 넓이의 DEMG 3개 모듈은 100MJ의 에너지와 256MA의 전류를 생성함. 이렇게 모듈 25개를 쌓을 수 있음.
강력한 자기 펄스는 자화 표적 핵융합에(MTF) 사용할 수 있음.
자화 표적 핵융합 방식으로 핵융합을 점화할 때 연료는 플라즈마로 가열되고 내파하는 금속 껍질로 급격히 압축됨. 금속 껍질은 자속 발생기로 만든 자기 펄스로 구동하고, 이 때 속도는 핵융합 반응을 일으킬 수 있는 온도와 압력을 만들 수 있는 초속 수십 킬로미터 정도임. 그리고 대부분의 핵융합 에너지는 금속 껍질에 전달되고 핵융합 엔진의 추력으로, 발전기의 유체로 공급됨.
MTF는 실제로 테스트해서 중성자가 검출된(D-T 반응의 결과로 헬륨 4와 중성자가 생성됨)방법임. MTF를 사용하는 가장 큰 프로젝트는 General Fusion임
MTF는 다른 핵융합 점화 방식과는 다르게 많은 장점이 있음. 다룰 수 있는 압력이 일정한 자기장을 사용하는 토카막보다 훨씬 높아서 입자가 융합하도록 도와줌. 내파 속도는 관성 가둠 방식의 수백 km/s보다 훨씬 낮아서 강력한 레이저로 냉동 연료 펠렛을 가열하는 것보다 에너지를 더 효율적으로 사용함.
우리의 목표는 다음의 과정을 일으키는 것임:
고폭약->선속 발생기->금속 껍질->핵융합 반응->출력
각각의 변환 과정에서 어느 정도의 에너지 손실이 일어남. 에너지원은 고폭약이고 출력된 에너지는 대부분 핵융합에서 나옴. 전기적 손실이나 핵융합 연료의 가열 등의 KJ 단위의 작은 에너지 손실을 제외하면 에너지 변환은 MJ단위로 일어남. 최종 목표는 HE의 에너지보다 훨씬 더 많은 에너지를 핵융합 에너지로 출력하는 것임.
VNIIEF의 MAGO 프로젝트에서 실험한 결과 금속 껍질은 65MJ, 20km/s로 8.9밀리그램의 중수소-삼중수소 연료를 1백만K 까지 가열해서 1GJ의 핵융합 반응을 발생시킬 수 있는 정도임. 중수소-삼중수소 반응은 kg당 340TJ의 에너지를 방출함. 8.9밀리그램은 3.03GJ를 내놓고, 33% 정도의 연료가 반응을 한다는 뜻임. 투입 에너지의 16배를 얻음. 이 실험은 200MJ의 자속 발생기가 1000T의 자기장을 발생해서 25MJ를 금속 껍질에 전달했다는 실험 결과를 참고하였음.
만약 고폭약의 에너지 중 25%가 변환되고, 60%의 폭약이 5MJ/kg를 내주는 PBX9501같은 고성능 폭약이라면, 86.6kg의 폭약이 433MJ의 에너지를 입력하면, 108.25MJ가 자기력 에너지로 변환됨. 그리고 65MJ가 금속 껍질로 전달되고, 1GJ가 출력됨. 투입한 에너지의 2.3배를 얻을 수 있음.
다른 예측으로 이 문서에서는 다단 장치로 3400Kg의 장치 속에 있는 320Kg의 HE로 100MJ의 에너지를 금속 껍질로 전달할 수 있고, 30밀리그램의 DT연료를 압축할 수 있고, 핵융합 출력은 10GJ임. 선속 발생기의 효율은 비관적임. 1600MJ의 에너지 중에서 6%만이 전달됨. 따라서 투입한 에너지의 6.25배를 얻음. 대부분의 중량은 2000Kg의 DEMG가 차지함.
자료가 거의 없지만, 여러 가지 데이터를 결합하면, 상식적인 수준의 MTF 디자인을 생각해볼 수 있음.
Early EMG-MTF
중량: 1600 kg
고푝약 중량: 100 kg
고폭약 에너지: 500 MJ
고폭약->자기력 변환율: 25%
자기력: 125 MJ
자기력->운동에너지: 60%
운동에너지: 75 MJ
DT 연료: 22.5 milligrams
DT 연소율: 33%
출력 에너지: 2.52 GJ
에너지 밀도: 1.57 MJ/kg
이 디자인은 그렇게 뛰어난 편은 아님. 2.52GJ는 많아 보이지만, 투입한 에너지의 5배밖에 안됨. 장치 전체의 에너지 밀도를 살펴보면 상황은 더 나쁨. 수소-산소 연료가 연소할 때에는 KG당 15MJ를 배출하므로, 이 핵융합 장치는 리튬이온전지와(265Wh = 1MJ/kg) 에너지 밀도가 비슷함.
기술은 발전함. 1998년에 비하면 많이 발전했음. 더 강한 재료, 구리선 대신 알루미늄 또는 초전도체, 더 나은 폭발물, 70% 효율을 내는 자속 발생기 등등으로 무게를 줄일 수 있음. 이 장치들이 폭발물 무게의 2배 이하로 떨어지는 것은 HE가 효율적으로 운동 에너지를 전달해야 하기 때문에 어렵지만(폭발이 장치의 자속 발생기에 에너지를 전달하는 대신 폭발력으로 추진하게 되는 상황 방지) 전체 무게를 5배에서 10배 줄이는 것은 가능함.
오늘날 MTF는 더 높은 에너지 효율을 얻는 것을 목표로 함. 플라즈마를 Field reversed configuration으로 가둬서 플라즈마 스스로 갇히게 해서 금속 껍데기를 너무 일찍 건드려서 열을 잃는 것을 방지한다던가 하는 방법이 고안됨.
(*field reversed configuration: 원통형 플라즈마에 수직으로 자기장을 가해주고 도넛형 전류를 가해주면 자기장 방향에 반대인 자기장을 만듬. 자기장이 플라즈마를 도넛형으로 감싸면서 플라즈마는 스스로 갇힘)
General Fusion사의 Acoustic MTF는 플라즈마를 압축하는 피스톤으로 플라즈마에 14MJ를 전달함. 이 에너지는 704MJ의 핵융합 에너지를 얻을 수 있고 투입한 에너지의 50배를 얻을 수 있음. 이 장치를 사용하면 매번 10mg의 연료를 연소할 수 있고 핵융합 연료의 20%가 연소함.
John Slough의 Fusion-Driven Rocket은 2.8MJ에너지의 리튬 껍질을 사용하는 자화 표적 핵융합 방식인데 이 방식으로는 투입한 에너지의 200배를 얻음. 위에 나온 모든 방법을 뛰어넘는 양임. 연소파를 생성하여 훨씬 더 많은 양의 연료를 수천 배의 이득으로 태우는 방법이 있지만, 너무 낙관적인 방법이므로 다루지는 않겠음.
더 낙관적으로 예측한 MTF 장치
중량: 500 kg
고폭약 중량: 100 kg
고폭약 에너지: 500 MJ
고폭약->자기력 변환율: 70%
자기력: 350 MJ
자기력->운동에너지: 60%
운동에너지: 210 MJ
DT 연료: 150 milligrams
DT 연소율: 33%
출력 에너지: 16.8 GJ
에너지 밀도: 33.66 MJ/kg
투입한 HE보다 6.7배 높은 에너지를 얻을 수 있고, 모든 화학 반응에서 나오는 에너지보다 훨씬 많은 에너지를 얻음. 그러나 이것도 전통적인 텔러-울람 설계의 10000000MJ/kg보다는 부족함.
다단 고폭약 내파식 핵융합 장치
이 방법은 별도의 자속 발생기 없이 고폭약만으로 핵융합 반응을 일으킴. 고폭약이 금속 구를 때려서 핵융합 연료를 내파함.
일반적으로는 이 방법은 불가능함. HE는 폭속이 7~10km/s 이지만, Gurney 식에 따르면 철판을 밀어내는 속도는 2.3~3.3km/s 에 불과함.
그러나 몇몇 점화 방법들은 고폭탄의 충격파를 어떻게든 모을 수 있음. Voitenko 압축기를 사용하면 충격파를 DT 연료가 차있는 반구형 공간에 집중할 수 있고 중성자가 성공적으로 검출되었음.
핵반응을 일으키는 구형 장치
더 효과적인 방법은 1미터 지름의 구를 폭발물로 0.1cm까지 압축하는 것임. 부피가 1000^3배 감소하면 내부 기체의 속력을 수천km/s까지 올릴 수 있고, 압력은 수천만 배까지 올라가서 핵융합을 점화하기에 충분함.
1MJ 규모의 폭발 테스트에서 20cm 지름의 구를 사용해서 핵융합을 일으키는 데 성공했다고 함. 그러나 이 방법에도 단점은 있음.
구에서 미세한 오차가 있다면, 구의 모양이 틀어질 것이고 압축이 잘못될 수 있음. Rayleigh-Taylor instability현상은 매끈한 철 구에 난류를 만들 것이고 이 때문에 연료를 압축하는 데 어려움이 생김. 이를 해결하기 위해서는 구의 지름을 늘려서 난류를 완화해야 하는데 그건 너무 비효율적임.
대신, 더 적절한 내파를 먼저 수행한 뒤에, 다른 형태의 에너지로 핵융합 연료를 압축하는 게 더 효율적일 것임.
두 가지 방법을 소개하겠음.
가장 복잡한 방법은 자기력 부스터를 사용하는 것임. 고폭탄이 내파할 금속 구에 자기장을 형성하고, 구 내부에는 저밀도 핵융합 연료를 넣음. 그리고 중앙에는 특별한 장치가 있음.
첫 번째 내파는 5~8km/s로 압축함. 구의 크기에 따라 끝부분에서는 20km/s 이상의 속도로 압축됨. 내부의 온도를 수백만 K까지 올릴 수 있음. 점화에는 충분하지 않지만, 특별한 장치가 일하기에는 적절한 수준임. 그리고 내파는 자속 발생기에서 설명했지만, 구에 걸려있는 자기장을 더 세게 강화해줌.
특별한 장치는 자기력 부스터와 연료 펠렛임. 자기력 부스터는 Z-Pinch 장치로 몇 개의 축전기에 연결되어 있는 코일이 전도성 튜브를 둘러싸는 구조임
회로가 열려 있다가 내파가 진행된 후에 회로가 닫히게 되고 코일에 작은 자기장을 만듬. 이 장치 자체만으로는 아무것도 하지 않지만, 주위의 아주 강력한 자기장과 반응함. 그러면 많은 전류가 도체 관에 흐르게 되고 Z-Pinch효과가 일어나서 생긴 압력이 관에 압력을 가하고, 관이 붕괴함.
(*Z-Pinch: 자기장 속을 지나는 전류가 흐르는 플라즈마는 로렌츠 힘에 의해 서로 끌어당김)
그러면 관의 잔해가 자외선이나 X선 등을 방출하고 방사선은 연료 펠렛을 가열하고 펠렛이 기화하면서 압력이 높아지고 핵융합 점화 조건이 완성됨.
텔러-울람 설계를 잘 안다면 알겠지만, 이 자기 부스터 디자인과 텔러-울람 핵폭탄은 비슷한 점이 있는데 핵융합을 점화하기 위해 핵분열/Z-Pinch 등을 이용해서 X선을 발생한다는 것임.
작은 연료가 연소하면 금속 구 안의 온도는 더 올라가고 더 큰 핵융합 반응이 일어남.
Winterburg는 이 핵융합 장치의 대략적인 크기를 예상했음. 20cm지름, 밀리미터 두께의 금속 구는 40kg 정도이고, 10cm의 HE가 싸고 있음. 폭발물은 옥톨이고(1700kg/m^3, 5.3MJ/kg), 10cm 두께의 철로(800kg) 둘러싸여 있음.(70MJ의 폭발력을 견뎌서 내파를 더 효율적으로 진행할 수 있음.)
전체 무게는 853kg, 한 개의 폭탄이 1000kg 정도임. 핵융합 반응이 400GJ의 에너지를 방출함. 대부분은 중성자이고 철로 된 구는 이 중성자들을 매우 효율적으로 흡수함.
지금까지 예측한 것을 기반으로 요약해 보자면:
중량: 1000kg
탬퍼 질량: 800kg
HE 질량: 53kg
HE 에너지: 70MJ
DT 연료: 2.53g
DT 연소율: 50%
출력: 400GJ
에너지 밀도: 400MJ/kg
상당한 발전이 있음. 이전에 보았던 발전된 EMG-MTF와는 비교도 안됨. 무거운 자속 발생기를 제거하고, 더 많은 연료를 널었기에 이 정도 수치를 얻을 수 있었음. 그러나 아직 전통적인 핵무기를 따라잡으려면 멀었음.
또 다른 자료
Winterberg의 원래 계획은 복잡한 자기력 부스터 필요 없이도 강력한 X선을 만들어서 연료를 점화하는 거였음. 단계를 간략화해서 정밀한 구나 내파의 정밀도를 희생해서라도 가격을 최대한 낮추는 거였음.
더 현대적인 기술과 Winterberg의 방법을 결합한 개선된 기술도 있음.
Finn van Donkelaar는 내파하는 구나 무거운 금속 탬퍼 없이도 가능하다고 주장함. 그의 주장은 이 주제를 엄격하게 다루고 있지는 않지만 생각할 거리를 던져줌. 총 4단계로 이루어져 있음: 1. 금속 판의 가속 2. 피스톤으로 압축되는 DT연료 3. 구형 내파 4. 연료 펠렛의 연소
HE가 폭발하면 금속 판을 3km/s로 밀고 이 금속 판은 다음 단계의 HE와 충돌해서 충격파를 만들고 다음 단에 있는 HE를 가속함. 로켓처럼 1단만 있을 때보다 속도를 2배 가속할 수 있음.
충격파는 다른 효과도 있는데, 압축된 물질은 밀도가 높아서 음속이 더 빠르고, 압축으로 HE를 폭발시킬 수 있음. 다음 단계에서는 1단보다 더 세게 압축해서 음속이 더 증가하므로 더 높은 속도에 도달할 수 있음.
(음속이 증가하면 그만큼 폭약의 연소 속도가 빨라진다는 말 같음)
이것을 과구동된 폭발 속도라고 하고 일반적인 폭발 속도보다 더 빠름.
이 효과와 다단폭발을 합치면 최종적으로 10~12km/s 를 얻음.
마지막의 금속 판은 컵 모양으로 에너지를 집중하는데 컵은 관 속에서 그릇 모양의 구조물이 나올 때까지 이동함. 이 때 온도가 9500K까지 올라감. 컵과 그릇이 만나면서 핵융합 연료의 부피가 수천 배 줄어들고 온도가 수백만 도까지 올라가서 X선이 방출되고, 연료 펠렛을 가열하면서 펠렛 내부의 연료가 점화하고 나머지 연료들의 핵융합 반응이 일어남.
지금까지 나온 작동 방식들로 성능을 대충 정리해보겠음. 전체 무게 1600kg, 크기 2.5m X 0.4m, 에너지 8368000MJ이고 에너지 밀도는 5230MJ/kg임. 연료 소모량은 50~100g임. 일단은 이 장치를 Staged Overdriven Accelerator Fusion Device라고 부르기로 하자.
SOAF 장치
중량: 1600kg
DT 연료: 50g
DT 연소율: 50%
출력된 에너지: 8.37TJ
에너지 밀도: 5.23GJ/kg
이 수치는 아주 높고, 핵융합 기술의 진짜 잠재력을 보여주지만, 이건 아직도 열핵탄두들보다 1900배 비효율적임.
번역 출처:
다음엔 이 핵융합 장치들의 개선 방안, 사용 방향(오리온 우주선의 비핵화, 비핵 폭탄) 등등 번역해옴
내가 번역을 못하는지 항상 어느 정도의 의역은 있고, 최대한 글에서 나온 어려운 개념은 설명하고 넘어가고자 함
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