핵융합발전/태양에너지의 비밀은 핵융합

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태양에너지의 비밀은 핵융합

SUN ON EARTH

THE SUN ON EARTH

The star SUN
지름 : 1,392,000 ㎞
질량 : 1,989 x 1030 ㎏
표면온도 : 5,778 K
중심온도 : 15million K
태양의 빛과 열에너지는 지구의 모든 생명체의 근원이며, 앞으로 50억년 이상 에너지를 공급해 줄 것으로 예상되고 있다.

SOLAR ENERGY
태양에너지 방출량 : 초당 3.84 x 1026J
초당 수소폭탄 약 2천억 개의 위력
태양의 수명 : 10,000,000,000 년

FUSION IN THE SUN
수소 핵융합 헬륨
태양 에너지의 근원은 거대한 플라즈마 덩어리인 태양의 중심에서 일어나는 수소 원자핵들의 핵융합 반응이다.

지구의 모든 화석 에너지는 과거 태양으로부터 왔으나, 그 유한성으로 인해 인류는 에너지 고갈 문제에 직면하고 있다.

EARTH Our Planet
공전주기 : 365 일 
자전주기 : 24 시간
반지름 : 6,357 ㎞
지표면 : 510,000,000 ㎢

국가핵융합연구소 National Fusion Research Institute
위치 : 대전광역시 유성구 과학로 169-148
설립 : 2005년 10월 1일
핵융합 에너지 개발, KSTAR, ITER, DEMO, 플라즈마 응용 연구 수행

NUCLEAR FUSION

(삼중수소 + 중수소) - (핵융합) - (헬륨 + 중성자)
국가핵융합연구소는 인류의 에너지 문제를 해결하기 위해 태양에너지의 윈리인 핵융합을 지구상에 구현하는 연구를 수행하고 있다.

에너지의 원천, 태양

태양은 지구에서 가장 가까운 별로 스스로를 빛을 낸다. 지구의 모든 생명체를 살아 숨 쉴 수 있게 만드는 근원이 되는 태양의 빛과 열에너지는 태양의 중심에서 일어나는 “핵융합”으로 만들어진다. 태양의 가장 많은 부분을 차지하는 수소의 원자핵들이 충돌해서 헬륨 원자핵으로 바뀌는 “핵융합 반응”이 일어나는데 이때 줄어든 질량만큼 에너지로 바뀌게 된다. 태양은 생성된 지 약 50억 년. 그리고 앞으로도 50억 년 이상 핵융합 반응을 지속할 것으로 예상하고 있다.

핵융합이란?

태양에너지의 원리란 핵융합은 가벼운 원자핵들이 융합하여 무거운 원자핵으로 바뀌는 것이다. 원자핵이 융합하는 과정에서 줄어든 질량은 에너지로 변환되는데, 이를 핵융합에너지라 한다. 높은 온도와 중력을 지닌 태양의 중심은 핵융합 반응이 활발히 일어난다. 하지만 지구에서 핵융합 반응을 만들기 위해서는 태양과 같은 초고온의 환경을 인공적으로 만들어 줘야 한다. 지구에서는 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소의 핵융합을 통해 핵융합에너지를 얻는다.

플라즈마란?

초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태로 흔히 “물질의 제4의 상태”라고 부른다. 태양을 비롯한 우주는 99% 이상이 플라즈마 상태이다. 번개나 오로라 같은 자연에서 볼 수 있는 플라즈마 외에도, 형관등이나 네온 사인 및 PDP와 같은 플라즈마를 활용한 전자 제품들을 일상생활에서 접할 수 있다. 지구에서 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 태양과 같은 초고온의 플라즈마 상태를 필요로 한다.

핵융합에너지 vs 핵분열에너지

Nuclear Fission (핵분열)
우라늄과 같은 무거운 원소의 원자핵이 중성자와 충돌하여 가벼운 원자핵으로 쪼개지는 현상으로 이 과정에서 감소된 질량만큼 에너지를 발생

Nuclear Fusion (핵융합)
수소와 같은 가벼운 원자핵들이 반발력을 이기고 무거운 원자핵으로 융합하는 과정에서 감소된 질량만큼 에너지를 발생

핵융합에너지는 원자력에너지로 알려져 있는 핵분열 반응을 통한 에너지와 반대되는 개념이다. 우라늄과 같이 무거운 원자핵이 깨지면서 감소되는 질량이 에너지로 변환되는 핵분열과 달리 핵융합은 수소와 같은 가벼운 원자핵의 융합 과정에서 에너지가 생성된다.

지구에서 핵융합에너지를 얻으려면

핵융합에너지를 얻기 위해서는 지구상에 존재하지 않는 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들어야 하고, 이 플라즈마를 가두는 그릇 역할을 하는 핵융합장치와 연료인 중수소와 삼중수소가 필요하다. 수억 도의 플라즈마 상태에서 수소원자핵들이 융합해 태양에너지와 같은 핵융합에너지를 만들 수 있다.
핵융합장치는 이 같은 초고온의 플라즈마를 진공용기 속에 넣고, 자기장을 이용해 플라즈마가 벽에 닿지 않게 가두어 핵융합반응이 일어나도록 하는 원리를 갖고 있다. 이 때문에 핵융합장치 벽면에 직접 닿는 부분의 온도는 수천 도에 불과하다. 핵융합장치는 이처럼 태양에서와 같은 원리로 에너지를 만들어 낸다고 해 ‘인공태양’이라 불리기도 한다.

핵융합에너지 발생에 필요한 세가지 조건

핵융합을 만들기 위한 세가지 조건

1. 핵융합 반응을 위한 연료가 필요하다.
핵융합연료는 중수소와 삼중수소가 쓰인다.
중수소는 바닷물에서 추출할 수 있다.
삼중수소는 리튬을 핵융합로에서 변환하여 얻는다.

2. 초고온의 플라즈마 상태가 필요하다.
원자핵들이 서로 밀어내는 핵력을 이기로 융합하기 위해서는 초고온의 플라즈마 상태가 필요하다.
1억도 이상의 초고온에서 활발한 핵융합 반응이 일어날 수 있다.

3. 초고온의 플라즈마를 유지할 수 있는 핵융합장치가 필요하다.
플라즈마는 전기적 성질이 있어 자기장의 영향을 받는다.
핵융합장치는 강력한 자기장을 이용해 초고온의 플라즈마를 유지한다.

연료
바닷물이 필요하다.핵융합발전의 연료는 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소를 사용한다.
중수소는 바닷물을 전기분해하며, 삼중수소는 핵융합로 내에서 리튬과 중성자를 반응시켜 얻을 수 있다. 바닷물은 지구 표면의 70% 이상을 뒤덮고 있으며, 리튬 또한 매장량이 풍부하다.
따라서 핵융합 발전에 필요한 연료는 거의 무한하다고 볼 수 있다.
환경
1억도의 플라즈마가 필요하다.양(+)전하로 밀어내는 성질을 지닌 원자핵들이 융합하기 위해서는 온도를 높여 서로 밀어내려는 반발력을 이기고 충돌할 수 있도록 해야 한다.
핵융합 반응이 일어나는 태양 중심부는 약 1,500만도 정도이며, 지구에서 핵융합을 만들기 위해서는 태양보다 뜨거운 1억도 이상의 높은 온도의 플라즈마를 필요로 한다.
핵융합 장치
1억도의 플라즈마를 담을 그릇(용기)이 필요하다.지구에서 핵융합을 실현하기 위해서는 인공적으로 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 담고, 핵융합 반응이 유지되도록 가둬 둘 용기가 필요하다.
이를 위해서 전 세계적으로 다양한 방식으로 연구가 이루어지고 있다. 현재 상용화에 가장 가까운 핵융합 장치는 도넛 형태의 자기장가둠 방식을 이용하는 ‘토카막’ 장치이다.
플라즈마는 전기적 성질을 띤 이온이기 때문에 전기장을 걸어주면 자기력선 주위를 마치 꽈배기처럼 맴돌며 일정한 방향으로 움직이게 된다. 이를 도넛 형태로 이어주게 되면 플라즈마는 도넛 안을 끊임없이 돌며 핵융합을 만들게 된다.

가장 진보한 핵융합장치는 토카막

토카막의 원리 이미지

몇 가지 ‘인공태양’ 방법 중에 국제적인 노력으로 가장 실용화에 근접한 방식이 토카막(Tokamak)이다. 토카막은 태양처럼 핵융합반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치이다. 플라즈마를 구속하는 D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛 모양의 진공용기 내에서 안정적 상태를 유지하도록 제어한다.
토카막은 러시아말인 ‘toroiidalonaya kamera(chamber) magnitnykh(magnet) katushkah(coil)’의 첫 자를 따서 만든 합성어로, 구소련의 탬과 사하로프가 1950년대 발명하고 아치모비치가 1968년 발표한 후 세계적으로 우수성을 인정받아, 현재 작동중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있다.

핵융합 발전원리

토카막 내부에 있는 기체를 외부로 뽑아내어 진공상태로 만든다.

TF, CS, PF 자석을 냉각시켜 초전도 상태로 만든다.

TF자석에 전류를 흘려 토카막 내부에 도넛 모양의 자기장을 형성한다.

중수소 50%와 삼중수소 50%를 핵융합 연료로 주입한다.

CS자석에 전류를 흘려 토러스 방향으로 전기장을 발생시킨다. 이에 따라 기체 중에 있던 전자들이 회전하기 시작한다.

주입된 기체들이 전기장에 의해 가속된 전자들과 충돌하여 플라즈마가 된다.

다양한 가열장치를 이용하여 플라즈마의 온도를 높인다.

플라즈마에서 핵융합 반응이 일어나며 높은 에너지를 가진 중성자가 발생한다.

블랭킷 리튬층으로 들어간 중성자는 삼중수소를 발생시켜 핵융합 반응의 연료를 생성하는 역할을 한다. 동시에 블랭킷으로 들어간 중성자는 열에너지를 발생시켜 내부를 흐르는 냉각수를 가열한다.

가열된 냉각수는 열교환기에서 수증기를 발생시켜 발전기를 통해 전기에너지로 전환된다.

핵융합발전로 안에서 일어나는 초고온 플라즈마의 핵융합반응을 통해 생성된 중성자의 열에너지가 증기를 발생시키고, 그 증기가 터빈발전기를 돌려 전기를 생산한다.

  1. ① 고진공용기 안에 중수소와 삼중수소를 주입하고 플라즈마 상태로 가열한다.
  2. ② 토카막의 자기력선 그물망을 이용해 플라즈마를 가둔다
  3. ③ 플라즈마를 약 1억도 이상으로 가열해 핵융합반응을 일으킨다.
  4. ④ 핵융합 반응 시 일어나는 질량결손에 의한 핵융합에너지가 중성자 운동에너지로 나타난다.
  5. ⑤ 중성자 운동에너지가 열에너지로 변환돼 증기를 가열, 터빈 돌려 대용량의 전기를 생산한다.


2000부터2040년까지의 핵융합에너지 로드맵에대한 자세한설명은 아래에있습니다.

핵융합에너지 개발 진흥기본계획

  1. 1단계(2007~2011) 핵융합에너지 개발추진기반 마련
  2. 2단계(2012~2026) DEMO 플랜트기반 기술 개발
  3. 3단계(2027~2041) 핵융합발전소 건설능력 확보

국내 연구·개발 일정

KSTAR
  1. 건설
  2. 초전도 토카막 운전기술 확보
  3. 50초이상 H-mode 운전기술 확보
  4. 고성능AT 운전기술 확보
  5. 실증로 선행기술시험
  1. 최초 플라즈마
  2. H-mode 5.2초
  3. H-mode 72초
  4. KSTAR 업그레이드
ITER
  1. 준비 단계
  2. 건설 및 장치 제작 단계
  3. 운전 및 실증실험 단계
  4. 감쇄 단계
  1. First Plasma
  2. D.T Q=10
DEMO
  1. 개념 정의
  2. 개념 설계
  3. 공학 설계
  4. 건설

해외 연구·개발 일정

EU(Fast Track)
  1. 사전 개념 설계
  2. 개념 설계
  3. 공학 설계
  4. 부지선정 및 건설
일본(DEMO)
  1. 기초 설계
  2. 개념 설계 R&D
  3. 공학/제조 설계 R&D
중국(DEMO)
  1. CFETR 개념 설계 및 공학 설계
  2. CFETR 건설
  3. CFETR 운전

※ 핵융합에너지 로드맵 : 핵융합에너지개발 진흥기본계획**에 근거하여 2040년대 핵융합 상용화 기술확보를 위한 로드맵에 따라 연구 수행 중

* 2007~2041년 까지 3단계로 구성되어 있으며, 5년 단위로 세부계획 수립하고 있으며, 현재는 2단계(3차)(2017~2021) 계획 진행 중












2H + 3H → 4He + 1n , 17.571 MeV에 대한 이미지 검색결과2H + 3H → 4He + 1n , 17.571 MeV에 대한 이미지 검색결과2H + 3H → 4He + 1n , 17.571 MeV에 대한 이미지 검색결과2H + 3H → 4He + 1n , 17.571 MeV에 대한 이미지 검색결과

핵융합 발전(nuclear fusion power generation)은 핵융합 반응 시 발생하는 에너지를 이용해 전력을 생산하는 것을 말한다. 그리고 여기에 사용되는 원자로를 '핵융합로(nuclear fusion reactor)'라고 한다. 핵융합로는 전력생산 뿐만아니라, 과학적 연구, 개술 개발 등을 목적으로 개발되고 있다.

핵융합이란 두 개의 가벼운 원자핵이 하나의 무거운 원자핵으로 결합하면서 막대한 양의 에너지를 방출하는 핵반응이다.

핵융합로를 활용한 핵반응은 여러 가지 형태가 있지만 그 중에서 가장 많은 에너지를 얻을 수 있는 D-T 반응이 주로 연구되고 있다. D-T 반응은 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소 원자를 연료로 하여 고온에서 두 원자를 반응시켜 헬륨의 생성과 함께 높은 에너지를 발생시킨다. D-T 반응으로 생산할 수 있는 에너지는 17.6MeV로, 이는 우라늄 235(U235)의 핵분열 시 발생하는 에너지 200MeV의 대략 1/10 수준이다. 하지만 소모되는 핵연료의 단위질량당 발생하는 에너지는 핵융합이 핵분열에 비해 10배 정도 더 높다. 일반적으로 전자를 포함한 화학반응에서 방출되는 에너지와 비교하면 대략 1,000,000배 정도 높다.

핵융합발전을 실현하려면 몇 가지 해결해야 할 문제가 있다. 먼저 핵융합발전에 필요한 원료인 중수소나 삼중수소를 확보하는 것인데, 이 원료들은 바닷물에서 무한정 구할 수 있다. 그 다음 문제가 되는 것은 수천℃의 온도로 가열해 만든 플라즈마 상태의 수소원자핵을 고주파를 이용해 1억℃ 이상의 초고온 상태로 만드는 것이다. 두 개의 원자핵을 융합하려면 원자핵 사이에 존재하는 쿨롱힘(coulomb force)에 의한 반발력을 이겨낼 수 있는 환경이 조성되어야 하는데, 이를 위해서는 대략 108℃보다 높아야 중수소와 삼중수소가 플라즈마(plasma) 상태로 바뀌어 핵융합 반응이 자연적으로 발생하기 때문이다. 하지만 그렇게 높은 온도를 견디는 구조물 만들 수 있는 재료물질이 없다. 지구상의 물질 중 1억℃나 되는 온도를 견딜 수 있는 물질은 존재하지 않기 때문이다. 따라서 플라즈마가 자기적 성질을 띠는 점을 착안하여, 도넛 구조의 전자기물질을 통해 형성된 인공자기장에 플라즈마를 가두고 에너지를 생산하는 토카막(Tokamak) 실험장치가 개발되고 있다.

2017년 4월 현재 세계 36개국이 참가하여 공동으로 핵융합로의 실효성 및 경제성을 평가하기 위한 토카막 실험장치를 개발하는 ITER(국제핵융합실험로 International Thermonuclear Experimental Reactor) 프로젝트가 2006년부터 추진되어, 토카막 실증장치가 프랑스에 건설되고 있다. 2019년 완공되어 2027년부터 D-T 반응을 시도할 계획이다.

2H + 3H → 4He + 1n , 17.571 MeV에 대한 이미지 검색결과핵융합로의 상용화는 아직 개발해야 할 기술적 문제들이 많이 남아 있다. 특히 현재 핵분열을 이용한 1000MW급 경수로에 비해 경제성을 확보하기 어렵다는 지적도 있다. 그럼에도 핵융합로 개발과정에 부수적으로 개발되는 관련기술이 연관분야에 미치는 경제적 효과를 고려하면 충분히 경제성을 가진다는 의견도 있다.


D-T 반응

2H + 3H → 4He + 1n ,    17.571 MeV

이와 같이 중수소(2H) 와 삼중수소(3H)가 핵융합 반응을 일으킨다.


 

 

'핵융합 발전'

 

 

장점

환경오염 없음

방사능 없음ㅡ있지만 자연 배출시 무의미한 수준


안전함

무한한 에너지원ㅡ이론상 4g만 있어도 1년 쓸 에너지는 차고 넘친다고

 

단점

어려움

 

 

어려운 이유가 뭐냐면

 

핵융합이 바로 태양이 빛을 내는 원리인데

 

태양의 온도는 1500만도

 

근데 이론상 저 온도로는 핵융합이 일어날수 없다고 함

 

근데 태양은 그 압도적인 질량으로 엄청난 압력을 만들어내서 강제로 핵융합 반응을 일으킴

 

근데 지구에서는 그런일이 불가능하니까

 

1억도의 온도가 필요한데

 

1억도에서 핵융합 반응이 가장 활발하다고 함

 

근데 문제는

 

1억도를 버텨내는 물질이 없다는것

 

그래서 1950년대초 소련에서 제시한 해결책이 뭐냐면

 

도넛모양의 토카막에 진공과 자기력을 이용해서

 

플라즈마를 물질에 닿지 않게 하자는것

 


 

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