점화에 사용할 수 있는 다른 방법들
핵분열 물질이나 무거운 장치 없이도 핵융합을 점화할 수 있는 여러 방법이 있음. 그러나, 그런 방법들은 검증되지 않았음.
사진: 니오븀-주석 합금 초전도 에너지 저장 시스템
그 중 하나는 초전도 자기 에너지 저장장치(SMES)임. SMES는 물질을 인장 강도 한계까지 잡아당겨서 엄청난 양의 에너지를 저장할 수 있음. 물질을 한계까지 늘렸다가 푸는 과정에서 저장된 에너지를 거의 즉시 방출할 수 있음. 현대의 대량 생산중인 재료(ex 도레이 T1100G 탄소섬유 7GPa, 1790kg/m^3)를 사용하면 kg당 3.9MJ까지 저장할 수 있음.
RDX의 에너지 밀도인 5MJ/kg와 비교하면 큰 편은 아니지만, SMES는 에너지 변환 과정 없이 즉시 전기 에너지를 내놓으며 에너지 효율이 거의 100%임. 또, 많은 전류를 통과할 수 있게 해주는 두껍고 무거운 구리선 대신 얇은 선으로도 많은 전류를 저항 없이 통과시키는 초전도체를 사용할 수도 있음. 따라서 1kg의 Toray T1100G 로 강화된 SMES는 HE 1.4~3.1kg와 비교할 만함. 또한, SMES는 폭발하지도 않고, 반작용에 필요한 무게추가 필요하지도 않음. 그래서 더 많은 무게를 절약할 수 있음. 만약 탄소나노튜브 같은 더 발전된 물질을 사용한다면, HE에 비해 매우 높은 에너지 변환 효율과 50MJ/kg를 넘는 에너지를 저장할 수 있음. 폭발성 자속 발생기의 다른 부분에도 이와 같은 업그레이드를 할 수 있음.
SMES-EMG-MTF
총중량: 200kg
SMES 중량: 100kg
SMES 에너지: 5000MJ
SMES 에너지 변환 효율: 99%
자기력 에너지: 4950MJ
자기력->운동에너지 변환 효율: 80%
운동 에너지: 3960MJ
DT 연료: 2.83g
DT 연소율: 33%
핵융합 출력: 320GJ
에너지 밀도: 1.6GJ/kg
SOAF 장치와 같이 사용한다면, 더 높은 성능을 얻을 수 있음.
사진: shear flow stabilized z-pinch 시뮬레이션, 가장 유망한 접근법 중 하나임.
큰 폭발 에너지를 사용하는 방법은 더 많음. 자속 발생기는 수백 메가 암페어를 생산할 수 있다는 장점을 살려서 Z-Pinch 장치를 구동할 수 있음. HOPE 우주선처럼 금속 연료 펠렛을 직접 압축하는 방법도 쓸 수 있음(MTF 버전도 있음) 그 디자인에서는 333MJ가 연료 펠렛에 도달하고, 1GJ의 핵융합 에너지가 방출됨. 3배 정도의 에너지를 얻는 것은 그닥 좋은 방식은 아니지만, 발전된 기술을 사용한다면 더 나아질 것임.
사진: 폭발 구동 레일건
큰 전류를 이용해서 짧지만 높은 가속력의 레일건을 발사할 수도 있음. 레일건은 폭발 장치와는 충분히 먼 거리에 있어서 레일을 파괴하지 않음. 코일건이든 레일건이든, 발사체는 전류가 끊기기 전에 20km/s 에 도달할 수 있음. 이 정도 속도는 다단 압축 충격 핵융합을 점화시키기 충분한 속도임. 만약 SMES를 사용한다면, 더 쉬워지겠지만, 방전된 SMES를 버리거나 충전 장치를 설치해야 하는 등의 문제가 있음.
오리온 업그레이드
순수 핵융합 장치의 가장 큰 활용은 아마 우주 추진 분야일 것임.
오리온 우주선처럼 순수 핵융합으로 나온 플라즈마를 자기 노즐이나 두꺼운 판으로 추진력으로 전환할 수 있음.
성능을 예측하기 위해서 다음과 같은 공식을 사용할 것임:
플라즈마 RMS 속력 = (2 * 에너지 밀도)^0.5
플라즈마 RMS 속력 : m/s
에너지 밀도 : J/kg
이 수치를 배기 속력으로 바꿔 보겠음
배기 속력 = 노즐 효율성 * 플라즈마 RMS 속도
배기 속력: m/s
노즐 효율성: 90%
에너지 밀도는 장치 전체의 에너지 효율성인데, 우리가 핵융합에서 나오는 여러 부산물(하전입자, 중성자, X선)들이 열에너지로 전환되었다고 가정하여 100%로 잡음
초기형 EMG-MTF는 1570000J/kg 이므로 배기 속력은 1594m/s ISP는 162초임. 이 수치는 압축 기체 추력기와 비슷함. 어떤 우주선도 이 장치는 쓰려 하지 않을것임.
발전된 EMG-MTF는 33.66MJ/kg이고 배기 속력은 7384m/s ISP는 752초임. 모든 화학 엔진을 능가하는 수치이고, 고체 코어 열핵 로켓과 비슷함.
Winterberg MTF는 400MJ/kg 이고 배기 속력은 25455m/s ISP는 2600초임. 가스 코어 핵로켓이나 이온 엔진과 비슷함.
에너지 밀도가 GJ/kg가 되면 다른 수준을 볼 수 있음. SMES-EMG-MTF는 5200초의 ISP, SOAF는 9400초를 얻음. 가장 발전된 전기추진 장치도 이 값에는 도달하지 못함.
높은 비추력만이 장점이 아님. 다른 핵 펄스 로켓처럼 순수 핵융합 장치를 터뜨리면 큰 추진력을 얻음. 단순히 많은 장치를 같은 시간에 터뜨리는 것만으로도 더 높은 추력을 얻음. 초마다 1GJ를 폭발시키면 1GW 추진기지만 10개를 폭발하면 10GW 추진기임. 이 정도가 오리온 우주선의 원안과 가장 비슷하고, 우주 조약에 걸리는 크기의 핵 장치임.
발전된 EMG-MTF는 1개/1초 단위로 폭발할 때마다 16.8GW를 얻고 4.1메가뉴턴의 추력을 얻음.
이 장치는 태양 에너지와 화학 에너지보다 성능이 훨씬 뛰어나면서도 핵물질이 필요없는 우주 추진을 가능하게 해줌. 핵융합 연료는 핵분열 물질과는 다르게 얼음 조각과 거대 가스 행성에서 얻을 수 있고, 고폭탄은 질소 탄소 수소로 구성됨.
암모니아나 이산화탄소 등은 혜성이나 위성에서 쉽게 볼 수 있고, 그것이 어떻게 자연적으로 만들어졌는지는 더 많은 연구가 필요하지만, H2N2O2 니트로아미드로 만들어서 C3H6N6O6으로 만드는 것은 생명 유지 장치에서 일어나는 과정보다는 훨씬 단순함. 예상되는 가장 큰 난점은 코일을 만들 때 필요한 구리같은 금속인데, 구리는 태양계에서 25번째로 흔한 광물임.
16 프시케나 21 루테티아 같은 소행성은 10^18~10^19kg의 철을 갖고 있으므로 대략 10^14~10^15kg의 구리를 갖고 있을 것임. 화성과 달에도 비슷한 양이 있을거임.
금속 3D 프린팅과 HE의 레이저 커팅 기술을 사용하면 핵융합 연료를 내파할 수 있는 구조물을 만들 수 있음. 태양전지판을 만드는 것과 비슷한 난이도 정도임. NASA는 이미 이런 생산 방법에 대해 충분히 연구하고 있음. 순수 핵융합 장치는 화학 로켓의 연료를 물에서 바로 생산하는 것처럼 현장 생산 재급유를 가능하게 함.
그러면 이런 장치들이 있는 우주선은 어떻게 생겼을까?
일단 두 가지 디자인을 고려해보자. 첫 번째로 화성 순환 우주선은 지구와 화성을 왕복하는 것을 목표로 함. 두 번째 토성 순환 우주선은 외행성계들을 순환하는 우주선임.
화성 순환 우주선은 발전된 EMG-MTF를 사용함. 100톤의 우주선에 발전기, 라디에이터, 거주 공간 등이 있고, 100톤의 탑재물 공간이 있음. 그 뒤에는 핵융합 카트리지들이 있음. 35톤의 카트리지 수납 공간에 총 5064개의 250kg 핵융합 장치가 있고 총 중량은 1266톤임. 비추력은 753초이고. 추진 장치 중량은 108톤임.
추진 장치는 푸셔 플레이트와 서스펜션과 구조물들로 되어 있고 1회당 2MN의 추력을 견딜 수 있음. 이 수치는 10m USAF 오리온 우주선의 추진 체계와 완전히 동일함.(현대 기술로 훨씬 더 좋게 만들 수는 있음.) 0.8초마다 1개의 폭탄을 떨어뜨리고 추력은 2.5MN임.
화성 순환 우주선
페이로드: 100톤
공중량: 243톤
추진체 중량: 1266톤
전체 중량: 1609톤
deltaV: 11.4km/s
가속력: 0.16g ~ 0.74g
이 우주선은 화성까지 직선거리로 도달할 정도의 능력은 없지만, 화성까지 120일만에 갈 수 있음. 지구 저궤도에서 출발해서 화성까지 에어로브레이킹 없이 갈 수 있음. 핵융합 반응에서 나오는 중성자는 대부분 장치에 흡수되어 열로 바뀌어서 방사능 위험으로부터 자유로움. 다른 우주선처럼 평범하게 다른 우주선/정거장과 접근할 수 있고, 위성들로부터 재급유받을 수 있음. 1266톤의 연료 속에 핵융합 연료는 37.8g 밖에 없음.
토성 순환 우주선은 더 크고 빠른 항해를 위해 SMES-EMG-MTF를 사용함. 500톤의 거주 공간, 자동화 생산 시설, 라디에이터, 발전기 등등과 100톤의 페이로드를 탑재할 수 있음. 10MJ/kg를 저장할 수 있는 초전도 코일 때문에 100kg의 순수 핵융합 장치 내부에는 0.566g의 연료가 63.5GJ의 에너지를 낼 수 있음. 각각의 장치는 3632초의 비추력과 3.56MN의 추력을 냄. 핵융합 장치에서 발생한 플라즈마 온도는 평균적으로 600000K 이상임.
높은 플라즈마 온도 때문에 자기 노즐로 우주선을 추진할 수 있음. 40톤의 추진 장치(Mini-Mag Orion에서 사용된 것)는 1초에 한번씩 20000개를 터뜨림.
토성 순환 우주선
페이로드: 100톤
공중량: 560톤
추진체 중량: 2000톤
전체 중량: 2660톤
deltaV: 49.6km/s
가속력: 0.14g ~ 0.55g
이 우주선은 지구 저궤도에서 화성까지 38일만에 갈 수 있고, 목성까지는 6개월, 토성까지 1년밖에 안걸림. 이 정도 기술력에서 사용할 수 있는 가장 빠른 우주선은 아니지만, 어떤 다른 기반 시설이나 지원 없이 다른 행성 사이를 연결할 수 있는 가장 빠른 방법임. 이 우주선의 가장 긴 여행조차 연료인 삼중수소의 반감기(12년)를 고려하지 않아도 될 정도로 짧음. 전체 연료 양은 겨우 11.3kg밖에 되지 않으므로 여분을 들고 다녀도 큰 문제는 없음.
3632초의 ISP와 거의 무제한의 추력은 군사적으로도 충분한 효용이 있음.
현장 재보급과 고성능은 방랑하는 함대나 해적 등을 가능하게 하고, 추진을 위해 대형 핵융합/분열 반응 장치를 점화할 필요가 없으므로 스텔스 또한 가능하게 함.
고성능 폭탄
순수 핵융합 장치는 무기로서의 잠재력 또한 뛰어남.
그러나 지금까지 얻은 숫자들로는 순수 핵융합 폭탄은 재래식 핵폭탄에 비할 정도로 강력하지는 않음.
300kt의 파괴력을 내는 B61 핵폭탄은 324kg 정도의 무게로 항공기로 쉽게 운반 가능함. SOAF장치가 이 성능을 내려면, 235톤의 질량이 되어야 함. AN-225로도 겨우 가능한 수준임.
순수 핵융합 장치가 불필요하다는 것은 아님. 에너지 밀도가 30MJ/kg인 핵 장치는 HE보다 6배 더 강력함. 실제 폭탄은 약 40~60%가 고폭탄으로 채워져 있기 때문에 에너지 밀도로만 따지자면 12배 증가함. 907kg(2000lb) 폭탄의 효과가 75kg(165lb) 순수 핵융합 장치의 효과와 비슷할 수도 있다는 뜻임.
현대전은 정밀 유도 시스템의 도입으로 폭탄의 효율성이 중요해짐. 340kg(750lbs) 폭탄 66개로 채워진 베트남 전쟁 때의 B-52D는 30년만에 227kg의 JDAM이 장착된 GBU-12로(1000lbs) 대체됨.
순수 핵융합 폭탄은 또 다른 변화를 일으킬 것임. F/A-18E/F는 장거리 공격 임무때 3600kg의 폭탄과 1800kg의 연료를 탑재할 수 있음. 장거리 공격 임무 수행 시 공대공 임무는 다른 항공기에 의존하고 Litening 포드와 같은 유도 장비 또한 다른 항공기의 것을 빌림. 30 MJ/kg 폭탄을 사용하면 360kg의 폭탄, 1800kg의 연료 및 3240kg의 미사일, 전자전 장비, 표적 포드 또는 더 많은 연료를 선택지로 고를 수 있음. 한 개의 전투기는 전체 편대를 대체할 수 있음.
아니면 비싼 전투기를 드론으로 대체할 수도 있음 몇백 kg밖에 안되는 무게 때문에 소형 드론으로도 충분히 운반 가능함.
순수 핵융합 장치의 부작용은 중성자 폭탄임. 중성자로 방출되는 에너지의 양을 최대화하기 위해 중성자를 흡수하지 않고 방출하는 무기임.단순히 폭발로 일으킬 수 있는 범위보다 더 먼 범위에 효과를 줄 수 있음.
2.52 GJ 출력을 가진 초기 EMG-MTF 장치의 폭발 반경은 36미터이고 16.8GJ의 출력인 발전된 EMG-MTF는 68m임. 이것들이 중성자 폭탄으로 변환된다면 각각 272미터와 512미터까지 치사량의 방사선을 방출할 수 있음.
결론
순수 핵융합 장치는 아직은 미래의 것임. 그러나 그 잠재력은 지금부터 생각해봐야 함. 제대로 사용된다면 태양계 탐사에서 다른 장치들과 독립적으로 움직일 수 있는 좋은 수단이 될 수도 있음.
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