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| | 기기의 온도와 특정 에너지 가둠 시간에 대한 함수인 <σv>은 로슨 기준에 있어서 더욱 중요해진다. | | 기기의 온도와 특정 에너지 가둠 시간에 대한 함수인 <σv>은 로슨 기준에 있어서 더욱 중요해진다. |
| | ===연료 가둠의 방법=== | | ===연료 가둠의 방법=== |
| − | 만약 핵융합으로 생산된 에너지가 연료 자체를 뜨겁게 유지할 정도가 되면 핵융합 반응은 스스로 지속될 수 있다.
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| − | * '''중력 가둠''' : 로슨 기준을 만족하면서 연료를 가둘 수 있는 하나의 힘은 중력이다. 하지만 이 과정에서 필요한 질량은 너무 커서 이러한 중력 가둠은 단지 항성에서만 구현될 수 있다. 보다 효율적인 융합 연료인 중수소가 사용된다고 하더라도 달 크기의 질량이 필요하다.
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| − | * '''자기 가둠''' : 플라스마는 매우 효율적인 전기 전도체이므로 자기장 역시 핵융합 연료를 가둘 수 있다. 여러 자기 배치가 사용될 수 있지만 가장 기본적인 것은 거울 가둠과 토로이드 가둠이다. 대표적인 토로이드 가둠은 토카막(tokamak)과 스텔러레이터(stellarator)이다.
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| − | * '''관성 가둠''' : 세 번째의 가둠 방식은 빠른 에너지 펄스를 핵융합 연료에 주입하여 동시다발적인 "폭발"을 유도해 초고온, 초고압 상태를 유발하는 것이다. 만약 핵연료가 충분히 밀도가 높고 충분히 온도도 높다면 핵융합 반응률은 매우 높게 되어 온도가 떨어지기 이전에 연료를 거의 소진할 수 있을 것이다. 이러한 극한의 조건을 만족하기 위해 초기의 차가운 연료는 극히 폭발적으로 압축되어야 한다. 관성 가둠은 수소폭탄에서 사용되며 수소폭탄에서는 핵분열 폭탄에 의해 발생하는 X선이 핵융합 반응을 촉진시킨다. 관성 가둠은 폭탄 등의 제어 불가능한 핵융합이 아니라, 제어 가능한 핵융합에서도 시도되고 있으며 이 경우의 핵융합은 레이저, 이온, 전자 광선 등에 의해서 촉발된다.
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| − | * '''뮤온 촉매 핵융합''' : 뮤온 촉매 핵융합은 상온에서 일어나며 안정하고 재생산 가능한 핵융합의 방법 중 하나이다. 이것은 1980년대 초에 스티븐 존스(Steven Jones)에 의해서 자세히 연구되었다. 뮤온을 생성시킬 때 필요한 높은 에너지 2.2µs의 짧은 반감기 그리고 새로운 알파 입자에 뮤온 입자가 속박되어 뮤온 촉매 핵융합을 정지시킬 수 있는 높은 가능성 때문에 뮤온 촉매 핵융합으로 인한 순에너지 생산은 거의 불가능하다.
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| − | 몇몇 다른 가둠 방식 역시 연구 중이다. 이 가운데에는 관성 정전기 가둠(Farnsworth-Hirsch fusor), 버벌 퓨전(bubble fusion) 등이 있다.
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| − | ==중요한 핵융합 반응==
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| − | ===천체물리학의 연쇄 반응===
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| − | 자연에서 가장 중요한 핵융합 반응은 항성에 에너지를 공급하는 핵융합 반응이다. 4개의 양성자가 하나의 알파 입자로 융합하면서 두 개의 양전자, 두 개의 중성미자와 에너지를 방출한다. 하지만 항성의 질량에 따라 몇 개의 반응이 각각 관여하고 있다. 태양 및 그 이하의 질량을 가진 항성의 경우 양성자-양성자 연쇄가 지배한다. 더 무거운 항성의 경우는 CNO 순환이 더욱 중요하다.
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| − | 항성 내의 온도와 밀도에서의 융합반응 속도는 매우 느리다. 예를 들어 태양 중심의 온도(약 1500만 켈빈온도)와 밀도(세제곱 센티미터(CC) 당 160그램)에서 나오는 에너지의 양은 세제곱 센티미터 당 276 마이크로 와트 정도밖에 되지 않는다. 이것은 같은 부피의 쉬고 있는 사람 몸에서 생성되는 열의 4분의 1에 지나지 않는다. 따라서 실험실에서 항성 내부의 온도와 밀도를 만들어내는 것은 완전히 비실용적이다. 핵융합의 속도는 온도에 밀접하게 영향을 받기 때문에 지상의 발전소에서 충분한 에너지 생성 속도를 얻기 위해서는 행성 내부의 10에서 100배 정도 높은 온도 즉 1억 도에서 10억 켈빈온도가 요구된다.
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| − | ===지상 핵융합 반응의 조건 및 후보===
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| − | 인간이 만들어내는 핵융합에 있어서는 주 된 연료가 양성자에 국한되지 않으며 보다 높은 온도 역시 사용될 수 있으므로 반응 단면적을 보다 넓힐 수 있다. 이는 로슨 기준을 보다 완화시키며 초기 반응 조건을 보다 완만하게 해준다. 또 다른 고려 대상은 중성자의 생산이다. 중성자의 생산은 삼중수소를 증식시킨다는 장점이 있다. 중성자를 발생시키지 않는 핵융합은 aneutronic(無-중성자)라고 불린다.
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| − | 에너지원으로 사용되기 위해 핵융합 반응은 다음과 같은 여러 조건을 만족해야 한다.
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| − | * '''발열성''' : 발생한 에너지로부터 핵융합을 계속 유지해야 하므로 발열반응이어야 한다는 것은 명백하다. 하지만 이 조건으로 말미암아 연료는 결합 에너지 곡선에 있어서 양성자 수가 낮은 영역에 국한된다.
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| − | * '''양성자 수가 적은 원자핵''' : 핵융합이 일어나기 위해서는 원자핵이 서로의 양성자끼리의 정전기력을 극복하고 충분히 가까워져야 한다. 즉 양성자 수가 많으면 정전기력이 강해지며 핵융합이 어려워지며 양성자 수가 적은 원자가 반응 물질이 되어야 한다.
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| − | * '''두 개의 반응 물질''' : 항성 밀도 이하에서는 세 물체가 융합한다는 것은 일어나기 힘든 일이다.
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| − | * '''둘 이상의 생성물''' : 이는 전자기력에 의존하지 않고도 에너지 및 운동량이 동시에 보존되도록 해준다.
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| − | * '''양성자와 중성자 수의 보존''' : 약한 상호작용에 대한 반응단면적은 너무 좁다.
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| − | 소수의 반응만이 이러한 조건을 만족한다. 다음은 반응단면적이 가장 큰 (그리고 조건을 만족하는) 반응들이다.
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| − | * (1) D + T → 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
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| − | * (2i) D + D → T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 50%
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| − | * (2ii) → 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50%
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| − | * (3) D + 3He → 4He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)
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| − | * (4) T + T → 4He + 2 n + 11.3 MeV
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| − | * (5) 3He + 3He → 4He + 2 p + 12.9 MeV
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| − | * (6i) 3He + T → 4He + p + n + 12.1 MeV 51%
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| − | * (6ii) → 4He (4.8 MeV) + D (9.5 MeV) 43%
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| − | * (6iii) → 4He (0.5 MeV) + n (1.9 MeV) + p (11.9 MeV) 6%
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| − | * (7) D + 6Li → 2 4He + 22.4 MeV
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| − | * (8) p + 6Li → 4He (1.7 MeV) + 3He (2.3 MeV)
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| − | * (9) 3He + 6Li → 2 4He + p + 16.9 MeV
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| − | * (10) p + 11B → 3 4He + 8.7 MeV
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| − | p (프로튬), D (중수소), T (삼중수소)는 모두 수소의 동위원소이다.
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| − | ===제동복사 손실===
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| − | 핵융합을 겪고 있는 이온은 그 자체로만 핵융합을 하는 것이 아니라 전자와 함께 하는데 전자는 이온을 중화시키며 플라스마를 형성한다. 전자의 온도는 일반적으로 이온의 온도 이상이므로 이온과 충돌할 경우 제동복사를 방출한다. 태양 및 항성은 제동복사에 대해 불투명체이지만 지상에서 이루어지는 핵융합로는 연관된 파장에 대해 광학 깊이가 얕다. 제동복사의 경우 반사하기도 힘들뿐더러 전기로 바꾸기도 어렵다. 그러므로 핵융합 시 제동복사 손실 비율은 중요한 이득의 척도가 된다. 이 비율은 일반적으로 전력을 최대화하는 온도보다 훨씬 높은 온도에서 최대치를 가진다.
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| − | 표는 몇몇 반응에 대한 대략적인 최적 온도 및 해당 온도에서의 전력 비를 나타낸다.
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| − | :{|class=wikitable width=600
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| − | !align=center|연료
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| − | !align=center|Ti (keV)
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| − | !align=center|P핵융합/P제동복사
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| − | |-
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| − | |align=center|D-T
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| − | |align=center|50
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| − | |align=center|140
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| − | |-
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| − | |align=center|D-D
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| − | |align=center|500
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| − | |align=center|2.9
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| − | |-
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| − | |align=center|D-³He
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| − | |align=center|100
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| − | |align=center|5.3
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| − | |-
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| − | |align=center|³He-³He
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| − | |align=center|1000
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| − | |align=center|0.72
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| − | |-
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| − | |align=center|p-⁶Li
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| − | |align=center|800
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| − | |align=center|0.21
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| − | |-
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| − | |align=center|p-¹¹B
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| − | |align=center|300
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| − | |align=center|0.57
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| − | |-
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| − | |}
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| − |
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| − | 하지만 핵융합의 제동복사에 대한 실질적인 비율은 여러 이유로 인해 상당히 낮아진다. 이는 계산에서 사용된 가정과 실제가 차이를 보이기 때문이다. 첫 번째 이유는 위 계산은 핵융합 생산물의 에너지가 우선 연료 이온으로 완전히 전달되고 이후 전자와의 충돌로 인해 에너지를 손실 한 뒤 제동복사를 통해 에너지를 손실한다는 것을 가정하고 있다. 하지만 핵융합 생산물은 연료 이온보다 훨씬 빠르며 많은 경우 직접 전자로 에너지를 전달한다. 둘째로 플라스마는 단순히 연료 이온만으로 구성되어 있다고 가정되었다. 하지만 실제로 상당한 비율이 불순 이온이며 이 이유로 핵융합의 제동복사에 대한 비율은 보다 낮다. 또한 모든 제안된 가둠 방식에 있어 핵융합 생산물은 에너지를 전달할 때까지 반드시 플라스마로 존재하야 하며 그 후에도 일정 시간 플라스마로 유지된다는 가정이 있다. 마지막으로 제동복사를 제외한 에너지 손실의 모든 경로는 무시되어 있다.
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| | {{각주}} | | {{각주}} |
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| | ==같이 보기== | | ==같이 보기== |
| − | * [[핵]]
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| − | * [[융합]]
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| − | * [[핵융합반응]]
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| − | * [[핵융합발전]]
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| − | * [[핵융합발전소]]
| |
| − | * [[핵융합에너지]]
| |
| − | * [[인공태양]]
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| | * [[핵분열]] | | * [[핵분열]] |
| | * [[원자핵]] | | * [[원자핵]] |
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| | {{에너지|검토 필요}} | | {{에너지|검토 필요}} |
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