핵융합 에너지의 필요성과 원리

목차

1. 핵융합에너지
1.1 핵융합 에너지의 필요성
2.2 핵융합 에너지의 원리
2.3 핵융합 핵심반응
2.4 플라스마 가두기의 원리와 연구의 역사
3.1 핵융합로의 구성
3.2 핵융합로의 관계기술
(1) 전자석기술
(2)플라즈마 가열기술
(3) 불순물 제거기술
(4) 제1벽 및 블랑게트 재료
(5) 삼중수소 순환설비

본문내용

, 플라스마 흐름모양이 구부러지며 불안정하다. 도넛 모양으로 만들면 불안정 문제는 해결되나, 전극의 열손실은 여전하다. 때문에 자기장의 모양을 여러 가지로 결합한 장치가 고안되었으며, 제다 장치,토카막 장치, 스텔러레이터 장치 등이 그에 속한다.
핵융합을 일으키는 다른 방법으로는 중력으로 플라스마 상태를 만드는 방법이다. 이 방법에서는증수소와 삼중수소가 들어 있는 작은 알맹이를 여러 각도에서 강한 레이저 광선으로 조사하여서, 고온으로 인하여 폭발 직전 상태가 되면 안쪽으로 폭발시켜 핵융합 조건을 갖추도록 하는 원리이다. 마찬가지 원리로 광선 대신 전자빔을 이용하는 방법이 있다. 이 중력식 핵융합 장치에서는 고체 연료의 밀도를 1,000배 이상으로 압축할 고압이 걸리면서 가열하게 되어 핵융합이 일어나게 하는 것이다. 연료가 타는 시간이 아주 빠르기 때문에, 폭발위험이 있으나, 관성 때문에 폭발에 앞서 연료가 모두 타버리도록 설계된다. 중력식 장치의 단점은 값싼 연료 알맹이를 자주 갈아야 하며, 계속 레이저 광선이나 전자빔을 조사하여 폭발시켜야 하는 번거로움을 꼽을 수 있다. 레이저는 동작은 간편하나 비싸고 불안정하기 때문에 주로 레이저 보다는 전자빔을 쓰는 중력식 핵융합 장치가 연구되고 있다.
핵융합로의 모델 가운데 토카막 장치는 1960년대 소련의 쿠르차토프연구소에서 처음으로 개발된 것이다. 그 뒤, 1991년 유럽연합(EU)은 JET라는 토카막 장치를 만들어 최초로 1.7 MW 의 전력을 얻는 데 성공하였다. 일본의 JT60, 미국의 TFTR 등도 이와 같은 수준의 성과를 올렸다. 우리나라에서도 소형 토카막 운영을 통한 핵융합 기초연구와 인력양성이 1990년대 후반 들어 활발하게 진행되고 있는데, 1980년 서울대학교에서 SNUT-79를 개발한 것을 비롯하여 원자력연구소의 'KT-1토카막, 기초과학연구소의 한빛 등의 토카막 장치가 있다.
동력원으로서의 이점 - 핵융합은 핵분열에 비하여 다음과 같은 이점이 있다.
① 원료가 풍부하고, 지구상의 분포율이 평등하다.
② 이산화탄소를 배출하지 않아 환경오염과 지구온난화문제를 야기하지 않는다.
③ 유해한 방사능이 적다.
④ 사고시의 위험성이 적다.
⑤ 연료가 비싸지 않다. - 중요한 융합 원료인 중수소의 가격이 같은 열량을 주는 석탄 가격에 비하여 월등하게 낮다.
⑥ 핵융합에 쓰이는 중수소와 삼중수소는 보통의 바닷물에도 무한정 들어 있어 고갈의 위험이 전혀 없다.
핵융합 반응을 일으키기 위해서는 온도가 1억 ℃, 이온밀도 1 cm3당 100조(兆) 개의 초고온 플라스마를 약 1초 동안 일정한 용기 속에 밀폐해 둘 필요가 있다. 이 때 용기에 플라스마가 닿으면, 용기가 녹아버리므로, 토카막 내에 강한 자기장이 플라스마를 용기 중앙부의 공간에 고정시킨다.
　
핵융합 반응이 일어나기 위해서는 온도가 수억도에 이르게 되는데 이 온도가 되면 모든 물질이 기체가 되어 버리므로 핵융합 재료를 가두어 둘 용기를 물질이 아닌 자기장으로 만든 장치가 토카막입니다.
핵융합 에너지의 장점
지구상에서 가장 이상적인 에너지원으로 기대되는 이 핵융합로가 우리에게 주는 매력이 어디에 있는지 구체적으로 그 장점을 살펴보자.
1) 가장 큰 매력은 값싼 무한정의 연료를 어디서나 쉽게 얻을 수 있다는 점이다. 연료가 되는 중수소는 바다물의 0.015 %를 차지하고 있어 무진장으로 세계 어디서나 구할 수 있기 때문에 화석연료와 우라늄같이 한정되고 편중된 지하자원의 매장에 따른 국제간의 불화와 불안은 자연 해소가 될 것이다. 바다물 1리터에서 얻을 수 있는 핵융합 에너지가 휘발유 300리터에서 내는 열에너지와 맞먹으므로, 계속적인 에너지 소비증가 추세를 감안하더라도 앞으로 수 백만년 동안은 바다물만으로 지구상에서 필요한 에너지를 공급할 수 있다는 계산이다.
2) 환경오염 없는 깨끗한 에너지라는 점이다. 화력발전에서처럼 탄산가스에 의한 대기오염은 전혀없고, 핵분열 발전과 비교해 위험한 방사능을 띤 핵폐기물이 나오지 않는다. 핵융합로 개발 초기에 삼중수소를 연료로 사용하는 경우에는 연료 자체가 짧은 반감기를 가진 저준위의 방사성 물질이긴 하나 핵분열 발전소의 핵폐기물에 비하면 전혀 걱정할 수준은 아니며, 궁극적으로 중수소만을 연료로 하는 핵융합로가 개발되면 완전히 깨끗한 에너지를 얻을 수 있다.
3) 핵분열로에서처럼 돌발적인 사고나 실수로 원자로 자체가 녹아나는 노심용융 사고의 위험성이 없다는 점이다. 핵분열로에서처럼 한꺼번에 수십 톤의 핵연료를 장전하여 운전을 하지않고, 조금씩 필요한 양만큼만 연속적으로 주입하여 운전을 하는 것이 핵융합로의 특징이다. 따라서 쓰리마일 아일랜드이나 체르노빌에서처럼 원자로의 제어기능이 마비되어 일시에 방출되는 에너지 때문에 원자로가 녹아나는 사고가 핵융합 발전에서는 일어날 수가 없는 고유한 안전성을 지니고 있다.
4) 핵무기를 제조할 수 있는 부산물이 없어 핵분쟁의 위험성이 없다는 점이다. 최근 북한의 핵시설에 대한 핵사찰 문제에서와 같이, 핵분열 원자로에서 언제나 국제적으로 문제가 되는 것은 핵연료 농축과정과 사용후 연료의 재처리 과정에서 핵폭탄을 제조할 수 있는 원료를 얻어낼 수 있기 때문에 국제적인 규제와 감시가 심한 것이다. 그러나 핵융합로에서는 핵무기 제조에 사용되는 물질은 전혀 관여되지 않기 때문에 핵사찰과 같은 국제적인 분쟁은 일어나지 않는다.
5) 핵융합로는 기술적으로 보아 열효율이 더 높은 발전소로 개량할 수 있고, 고온의 열원이나 고속의 중성자원으로 사용하여 수소연료나 핵분열 발전의 연료 등을 생산해 낼 수 있는 다양한 산업적 응용이 가능하다는 점이다. 핵융합로 내에서 나오는 물질은 전기를 띤 입자인 플라즈마이기 때문에 여기에 자기장을 걸어주면 직접 전기를 얻을 수 있어, 터빈-발전기의 과정을 거치지 않고 높은 효율로 직접발전을 할 수 있다. 또한 핵융합로에서 나오는 고열로 물을 전기분해하여 합성연료를 만들어 낼 수 있는 가능성도 있으며, 고에너지의 중성자를 천연 우라늄에 때려 핵분열 발전에 쓰이는 핵연료로 변환시켜 자원의 이용율을 증진시킬 수 있는 핵융합-핵분열 복합로 개발도 가능하다.
　

키워드

핵,   핵융합,   에너지,   플라즈마,   전자,   제어