핵융합 반응을 작동시키는 방법
듀테론은 물에서 구할 수 있습니다.
일반적인 물 분자를 구성하는 수소 원자 중 수소 핵이 단일 양성자가 아닌 중수소로 구성될 확률은 0.015%입니다.
바닥에는 해수와 같은 물이 많고 양성자는 수소의 2배의 질량을 가지고 있기 때문에 이 수치는 적은 비율로 보이지만 원심분리기를 이용하여 해수에서 중수소를 포함하는 중수를 분리하는 것은 어렵지 않다.
오늘날 삼중수소는 방정식 (20.1)에 의해 주어진 반응에 추가하여 핵융합 반응에 전력을 공급하는 데에도 사용됩니다.
삼중수소 핵은 양성자 1개와 중성자 2개로 구성된 원자핵입니다.
이 때문에 삼중수소 핵에 중수소가 융합되는 식(20.2)과 같은 반응이 자주 시도된다.
이 반응은 식(20.1)의 반응 에너지의 약 4배를 방출할 뿐만 아니라 반응의 단면적이 두 중수소의 융합보다 훨씬 큽니다.
그러나 단점은 중수소를 바닷물에서 분리할 수 있는 반면 삼중수소는 필요할 때 생산하여 사용해야 한다는 것입니다.
삼중수소는 베타 붕괴를 통해 반감기가 17.7년인 헬륨 핵으로 변환되기 때문에 자연적으로 발생하는 원소가 아닙니다.
물체에 열을 가하면 물체의 온도가 올라가고 고체에서 액체, 기체로 상태가 변합니다.
고체는 물체의 모든 분자가 단단히 결합되어 있는 경우이고, 액체는 분자 간의 결합이 많이 끊어진 경우이며, 기체는 분자 간의 결합이 전혀 없는 경우입니다.
그러나 가스가 더 가열되면 가스 분자 사이의 격렬한 충돌로 전자가 방출되고 해당 원자는 전기적으로 중성인 이온이 아니라 전기적으로 하전된 이온이 됩니다.
이 상태를 플라즈마라고 하며 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태 중 네 번째 상태라고도 합니다.
핵융합이 진행되기 위해서는 연료의 온도를 매우 높은 온도로 올려야 하는데, 이러한 높은 온도에서 물이나 중수소 또는 삼중수소와 같은 핵연료는 플라즈마 상태가 된다.
지상에서 핵융합 반응을 지속하는 데 가장 큰 걸림돌은 이 고온 플라즈마를 담을 용기가 없다는 점이다.
태양에서는 우주 중력이 플라즈마를 유지하므로 특별한 용기가 필요하지 않습니다.
하지만 지상에서는 핵융합에 필요한 연료를 어딘가에 저장해야 합니다.
핵융합 에너지를 활용하기 위해서는 첫째, 지상 냉각에 적합한 핵융합 반응을 찾아야 하고, 둘째, 핵융합 연료를 매우 높은 온도로 가열해야 하며, 셋째, 이 연료를 담을 수 있는 용기를 개발해야 합니다.
지상에서 사용되는 가장 적합한 핵융합 반응은 식(20.2)에 따른 중수소와 삼중수소와의 반응이다.
이 반응은 다른 경우보다 가장 낮은 온도에서 진행되며 연료를 쉽게 사용할 수 있습니다.
핵융합 반응이 진행되기 위해 필요한 핵연료의 온도는 적어도 1억도 이상이다.
지상에서 플라즈마를 1억도까지 가열하는 것은 거의 불가능합니다.
매우 짧은 시간 동안에도 이러한 온도를 달성하기 위해 오늘날 여러 가지 방법이 시도되고 있습니다.
첫 번째는 플라즈마를 압축하는 것입니다.
공기가 플라스크에 채워지고 압축되면 온도가 상승하므로 플라즈마의 온도는 압축됨에 따라 증가합니다.
두 번째는 플라즈마를 통해 강한 전류를 흐르게 하는 것입니다.
그리고 세 번째는 높은 운동 에너지를 가진 중성 입자를 플라즈마에 보내 충돌시키는 것이고, 네 번째는 레이저나 마이크로웨이브를 이용해 플라즈마에 복사 에너지를 직접 조사하는 것이다.
고온 플라즈마를 한 곳에 모으는 장치를 개발하는 것도 쉬운 일이 아니다.
세 가지 가능성을 생각할 수 있습니다.
첫째. 그것은 태양과 마찬가지로 중력을 사용하는 것입니다.
이 방법은 지상에서 사용할 수 없습니다.
두 번째는 관성을 사용하는 것입니다.
이 방법은 무거운 양성자와 삼중수소 핵이 혼합된 핵융합 연료에 사방에서 레이저를 발사해 1억도 이상의 고온 플라즈마를 만든 뒤 다른 곳으로 가 핵융합을 진행하는 방식이다.
. 미국에서 더 많은 정부 지원을 받아 50년 이상 연구됐지만 아직 가시적인 성과를 내지 못한 방법이다.
지금까지 고온 플라즈마를 격리하는 가장 성공적인 방법은 도넛 모양의 자기장에 가두는 것입니다.
플라즈마에서는 전하를 운반하는 입자가 끊임없이 움직이기 때문에 전기가 있습니다.
전류는 자기장으로부터 힘을 받음 그림 20.2와 같이 플라즈마가 환형 자기장에 배치되면 자기장의 힘이 플라즈마가 빠져나가는 것을 방지합니다.
자기장을 사용하는 최신 플라즈마 충전 장치는 토카막(tokamak)이라고 합니다.
Tokamak은 러시아어로 도넛 모양의 상자를 의미하며 러시아 학자들이 발명했습니다.
토카막 내부에는 매우 강한 자기장이 형성되어 내부의 고온 플라즈마가 토카막을 구성하는 용기와 접촉하지 않고 존재할 수 있습니다.
물론 배는 섭씨 1억도가 넘는 온도를 견딜 수 없다.
핵융합 반응을 통한 에너지 이용에 대한 연구는 많이 진행되었으나 아직 실용화 단계에 이르지 못했고, 핵융합 반응이 촉발된 기간도 매우 짧다.