석탄조차 외면하고 인력(농사와 땔감 확보)으로 때우던 조선, 그러나 옛날과 달리 21세기 대한미국은 원자력을 세계에 수출하고 인공태양과 핵융합에너지 개발로 세계를 주도하고 있다.
핵융합 발전을 목표로 하는 스타트업은 세계적(2022년 말 기준 전 세계 35개 기업)으로 점점 늘어나는 추세다. 핵융합 에너지가 무엇이고 개발을 하는 이유가 무엇인지 한번 알아보겠다.
핵융합에너지
1. 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.
※ 태양의 대기 조성 : 수소(73.46%), 헬륨(24.85%), 산소(0.77%), 탄소(0.29%), 철(0.16%), 네온(0.12%), 기타...
막간 상식 : 위 사진을 포함해 거의 대부분의 사진에서 태양이 주황색(빛)으로 표현되지만 이는 특정 파장으로 사진을 찍은 뒤 보정한 이미지 이며 실제 태양의 색은 모든 파장의 색이 다 들어간 백색광이다.
2. 핵융합이란?
태양에너지의 원리인 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 일어나지만 지구에서 핵융합 반응을 만들기 위해서는 태양과 같은 초고온의 환경을 인공적으로 만들어줘야 한다. 지구에서는 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소의 핵융합을 통해 핵융합에너지를 얻는다.
※ 동위원소 예)
탄소-12와 탄소-13과 탄소-14는 탄소라는 3가지 동위원소인데 질량수가 각각 12, 13, 14이고 탄소의 원자번호는 6이므로 중성자수는 각각 6, 7, 8이다.
3. 플라즈마
초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태로 흔히 “물질의 제4의 상태”라고 부른다. 태양을 비롯한 우주는 99% 이상이 플라즈마 상태다.
번개나 오로라 같은 자연에서 볼 수 있는 플라즈마 외에도 형광등이나 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.
※ 플라즈마 : 주름을 피는 시술 플라즈마블라스트, 상온 상압 플라즈마 암 치료 효과 입증 등
※ 플라즈마 효과 : 살균작용, 염증작용 조절, 지혈 촉진, 상처부위 미세혈액순환 촉진, 상처부위 면역기능 강화 등
4. 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 발생한다.
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.
5. 핵융합에너지 발생에 필요한 조건
o 핵융합 반응을 위한 연료가 필요하다.
1. 핵융합연료는 중수소와 삼중수소가 쓰인다.
2. 중수소는 바닷물에서 추출할 수 있다.
3. 삼중수소는 리튬을 핵융합로에서 변환하여 얻는다.
o 초고온의 플라즈마 상태가 필요하다.
1. 원자핵들이 서로 밀어내는 핵력을 이기로 융합하기 위해서는 초고온의 플라즈마 상태가 필요하다.
2. 1억도 이상의 초고온에서 활발한 핵융합 반응이 일어날 수 있다.
o 초고온의 플라즈마를 유지할 수 있는 핵융합장치(용기)가 필요하다.
1. 플라즈마는 전기적 성질이 있어 자기장의 영향을 받는다.
2. 핵융합장치는 강력한 자기장을 이용해 초고온의 플라즈마를 유지한다.
6. 핵융합장치 토카막
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.
7. 핵융합 발전원리
핵융합발전로 안에서 일어나는 초고온 플라즈마의 핵융합반응을 통해 생성된 중성자의 열에너지가 증기를 발생시키고 그 증기가 터빈발전기를 돌려 전기를 생산한다.
1. 고진공용기 안에 중수소와 삼중수소를 주입하고 플라즈마 상태로 가열한다.
2. 토카막의 자기력선 그물망을 이용해 플라즈마를 가둔다.
3. 플라즈마를 약 1억도 이상으로 가열해 핵융합반응을 일으킨다.
4. 핵융합 반응 시 일어나는 질량결손에 의한 핵융합에너지가 중성자 운동에너지로 나타난다.
5. 중성자 운동에너지가 열에너지로 변환돼 증기를 가열, 터빈 돌려 대용량의 전기를 생산한다.
8. 핵융합에너지 필요성
▷ 에너지 위기에 직면한 지구
1. 국제 유가 상승과 화석 연료 고갈위기
2. 온실가스 배출과 지구 온난화 가속
3. 세계 에너지 수요 폭발(중국, 인도 등)
4. 적절한 대체에너지원 부재
▷ 미래 에너지 무엇이 답일까요?
에너지 생산량 80% 지하 지원 사용. 석탄, 석유, 가스 등의 화석연료는 대기 오염과 기후 변화를 일으키고 원자력연료는 단기간에 처리하기 어려운 폐기물을 남긴다.
그러나 더 큰 문제는 곧 고갈되는 지하 자원 풍력, 태양열, 지열 등 대체 에너지원이 개발되고 있지만 대용량의 에너지를 안정적으로 공급할 수 없다.
인류에게 필요한 미래에너지의 조건은 무한한 연료, 친환경, 대용량 발전 태양을 닮은 무한 청정에너지 핵융합에너지가 미래를 열어간다.
지구의 70%는 바다. 바닷물 1L에 들어 있는 중수소 0.03g은 휘발유 300L와 같다.
100만 KW급 발전소 기준 연간 소모 연료는 220만 톤의 석탄, 150만 톤의 석유가 필요 하지만 핵융합 발전은 10톤이면 충분하다.
바다가 원동력인 핵융합에너지는 온실가스와 고준위 방사성 폐기물이 없고, 환경오염 걱정 없는 청정한 녹색 에너지폭발과 같은 사고의 위험이 없는 안전에너지 효율과 환경 그리고 첨단과 세계로 통하는 핵융합에너지 무한 청정 에너지 시대 핵융합에너지가 열어간다.
9. 핵융합에너지 특성
1. 고효율 에너지 대용량의 전기 생산이 가능
2. 풍부한 에너지 바닷물 등에서 연료를 무한하게 얻을 수 있어 고갈 걱정이 없다.
3. 깨끗한 에너지 온실가스 배출과 환경오염 물질 발생이 없다.
4. 안전한 에너지 예기치 못한 사고 시에도 폭발 및 심각한 사고의 우려가 없다.
5. 평화적 에너지 연료가 풍부해서 에너지 확보를 위한 국가 간 분쟁 염려가 없다.
▶ 핵융합에너지 연구 성과 :
1. 2021년 1억도 초고온 플라즈마 30초 유지 성공(위 사진)
2. 2023년 7월 - 1억도 초고온 플라즈마 50초 유지 목표
3. 2026년 7월 - 1억도 초고온 플라즈마 300초 유지 목표
※ 얼마 남지 않은 7월. 잘 연구해서 꼭 50초 유지 목표 달성했으면 좋겠습니다.
(개발 이후 세운 기록들 전부 세계최초 타이틀 갖고 있습니다. 자랑스럽죠?
2018년 1.5초, 2020년 20초, 2021년 30초 1억도 유지 - 이 기록들이 세계최초 타이틀입니다)
▣ 핵융합에너지 관련주 ▣
RAON 중이온가속기 업체(모비스, 다원시스, 비츠로테크 등 약 70개 기업)와 동일하기에 생략한다.
지금까지 읽어 주셔서 감사합니다.
2023.06.01 - [dailylife] - RAON 중이온가속기 전체 가속구간 빔 시운전 성공 - 관련주
중이온가속기(RAON) 관련주 - 전체 가속구간 빔 시운전 성공
새로운 입자를 찾기 위해 만든 RAON 중이온가속기의 저에너지 전체 가속구간 빔 시운전이 성공했다고 합니다. 한국형 초전도 중이온가속기 RAON은 1조 5,000여 억 원이 투입된 대형 프로젝트입니다.
yglmoneymove.tistory.com
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