핵융합력

Fusion power
1991년 유럽 공동 토러스 자기융합 실험

핵융합 발전핵융합 반응의 열을 이용하여 전기를 생산하는 발전의 제안된 형태입니다.핵융합 과정에서, 에너지를 방출하면서 두 개의 가벼운 원자핵이 결합하여 더 무거운 핵을 형성합니다.이 에너지를 이용하도록 설계된 장치를 융합 원자로라고 합니다.핵융합로에 대한 연구는 1940년대에 시작되었지만 2023년 현재 순전력에 도달한 장치는 없습니다.[1][2][3]

핵융합 공정은 핵융합이 일어날 수 있는 플라즈마를 만들기 위해 충분한 온도, 압력 및 구속 시간을 가진 연료 및 제한된 환경을 필요로 합니다.이 수치들의 조합이 전력 생산 시스템을 만들어내는 것은 로슨 기준으로 알려져 있습니다.별에서 가장 일반적인 연료는 수소이며, 중력은 핵융합 에너지 생산에 필요한 조건에 도달하는 매우 긴 구속 시간을 제공합니다.제안된 핵융합로는 일반적으로 프로튬(가장 일반적인 수소 동위원소)보다 더 쉽게 반응하는 중수소삼중수소(특히 둘의 혼합물)와 같은 무거운 수소 동위원소를 사용하여 덜 극단적인 조건으로 로슨 기준 요건에 도달할 수 있습니다.대부분의 디자인은 연료를 약 1억도까지 가열하는 것을 목표로 하고 있는데, 이는 성공적인 디자인을 만드는 데 큰 어려움을 초래합니다.

핵융합은 핵분열에 비해 잠재적인 이점이 많습니다.여기에는 작동 중인 방사능 감소, 고준위 핵폐기물의 양이 적고 연료 공급이 충분하며 안전성이 향상된 것이 포함됩니다.그러나 온도, 압력 및 지속 시간의 필요한 조합은 실용적이고 경제적인 방법으로 생산하기 어렵다는 것이 입증되었습니다.일반적인 반응에 영향을 미치는 두 번째 문제는 시간이 지남에 따라 반응 챔버 내에서 사용되는 많은 일반적인 물질을 분해하는 반응 동안 방출되는 중성자를 관리하는 것입니다.

핵융합 연구자들은 다양한 감금 개념들을 조사해왔습니다.초기에는 z-pinch, stellator, magnetic mirror의 세 가지 주요 시스템에 중점을 두었습니다.현재 선도적인 디자인은 레이저에 의한 토카막관성 구속(ICF)입니다.두 가지 디자인 모두 매우 큰 규모로 연구 중이며, 특히 프랑스의 ITER 토카막과 미국의 NIF(National Ignition Facility) 레이저가 대표적입니다.연구원들은 더 저렴한 접근 방법을 제공할 수 있는 다른 디자인들도 연구하고 있습니다.이러한 대안들 중에서, 자화된 표적 융합관성 정전 구속, 그리고 항성기의 새로운 변형에 대한 관심이 증가하고 있습니다.

배경

태양은 다른 별들처럼 에너지의 방출과 함께 가벼운 원소들을 무거운 원소들로 변환시키는 자연 핵융합로입니다.
서로 다른 원자핵에 대한 결합 에너지.철-56이 가장 높아 가장 안정적입니다.왼쪽의 핵은 융합(융합)할 때 에너지를 방출할 가능성이 있고, 오른쪽 끝의 핵은 불안정할 가능성이 있고 분열(분열) 때 에너지를 방출할 가능성이 있습니다.

매커니즘

핵융합 반응은 둘 이상의 원자핵이 충분히 오랫동안 가까이 접근하여 핵을 서로 끌어당기는 정전기적 힘을 초과하여 더 무거운 핵으로 융합시킬 때 발생합니다.철-56보다 무거운 핵의 경우, 이 반응은 에너지를 투입해야 하는 흡열 반응입니다.[4]철보다 더 큰 무거운 핵들은 더 많은 양성자들을 가지고 있어서 더 큰 반발력을 만들어냅니다.철-56보다 가벼운 핵의 경우, 반응은 발열성이며, 융합할 때 에너지를 방출합니다.수소는 핵 안에 단일 양성자를 가지고 있기 때문에, 핵융합을 이루기 위해 최소한의 노력이 필요하고, 가장 많은 순 에너지를 생산합니다.또한 전자가 하나이기 때문에 수소는 완전 이온화하기 가장 쉬운 연료입니다.

핵 사이의 반발 정전기 상호작용은 강한 힘보다 더 큰 거리에 걸쳐 작용하는데, 강한 힘의 범위는 대략 1펨토미터(양성자나 중성자의 지름)입니다.핵융합을 시작하기 위해서는 강한 힘이 정전기적 반발력을 극복할 수 있을 정도로 충분히 가까이 접근할 수 있는 충분한 운동 에너지가 연료 원자에 공급되어야 합니다."쿨롬 장벽"은 연료 원자를 충분히 가까이 이동시키는 데 필요한 운동 에너지의 양입니다.원자는 극도로 높은 온도로 가열되거나 입자 가속기에서 가속되어 에너지를 생성할 수 있습니다.

원자는 일단 이온화 에너지를 지나 가열되면 전자를 잃습니다.이온은 맨 핵의 이름입니다.이 이온화의 결과는 플라스마인데, 플라스마는 이온과 이전에 결합되어 있던 자유 전자의 가열된 구름입니다.플라즈마는 전하가 분리되어 있기 때문에 전기적으로 전도되고 자기적으로 제어됩니다.이것은 뜨거운 입자를 가두기 위해 여러 융합 장치에 의해 사용됩니다.

단면

핵융합 반응 속도는 온도에 따라 급격히 증가하여 최대로 증가한 후 점차 감소합니다.중수소-삼중수소 핵융합 속도는 일반적으로 핵융합 에너지로 간주되는 다른 반응보다 낮은 온도(약 70 keV 또는 8억 kelvin)에서 더 높은 값으로 최고점을 찍습니다.

반응의 횡단면인 σ은 핵융합 반응이 일어날 확률을 측정합니다.이것은 두 핵의 상대적인 속도에 달려있습니다.상대 속도가 높으면 일반적으로 확률이 높아지지만, 매우 높은 에너지에서는 확률이 다시 낮아지기 시작합니다.[5]

플라즈마에서, 입자 속도는 확률 분포를 사용하여 특성화될 수 있습니다.플라즈마가 열화되면 분포는 가우스 곡선 또는 맥스웰-볼츠만 분포처럼 보입니다.이 경우 속도 분포에 걸친 평균 입자 단면을 사용하는 것이 유용합니다.이는 체적 융합 속도에 입력됩니다.[6]

여기서:

  • (는) 시간당, 부피당 융합하여 생성된 에너지입니다.
  • n은 부피에 있는 입자들의 종 A 또는 B의 수 밀도입니다.
  • v A B ⟩ {\displaystyle \langle \sigma v_{A,B}\rangle }은 두 종의 모든 속도에 걸쳐 평균적인 반응의 단면입니다.
  • 는 해당 융합 반응에 의해 방출되는 에너지입니다.

로손 기준

로슨 기준은 핵융합 반응에서 생성된 에너지가 환경으로 손실되는 에너지 사이의 에너지 균형을 고려합니다.사용 가능한 에너지를 생성하기 위해, 시스템은 손실되는 에너지보다 더 많은 에너지를 생성해야 합니다.로슨은 아래와 같이 에너지 균형을 가정했습니다.[6]

여기서:

  • (가) 융합의 순 전력입니다.
  • 캡처 displaystyle \eta _{\pture}}은(는) 융합의 출력을 캡처하는 효율입니다.
  • 융합 반응에 의해 생성된 에너지의 비율입니다.
  • P 에너지 질량이 플라즈마를 떠날 때 전도 손실입니다.
  • 은 에너지가 빛을 떠날 때 발생하는 방사선 손실입니다.

융합 속도, 즉 P는fusion 플라즈마의 온도와 밀도에 따라 달라집니다.플라즈마는 전도방사선을 통해 에너지를 잃습니다.[6]전도는 이온, 전자 또는 중성자가 다른 물질, 일반적으로 장치의 표면에 영향을 미치고 그들의 운동 에너지의 일부를 다른 원자로 전달할 때 발생합니다.전도율 또한 온도와 밀도에 따라 결정됩니다.방사선은 구름을 빛으로 남기는 에너지입니다.방사선은 이온의 질량뿐만 아니라 온도에 따라서도 증가합니다.핵융합 발전 시스템은 손실보다 핵융합 속도가 높은 지역에서 작동해야 합니다.

3중 제품 : 밀도, 온도, 시간

Fusion trapping (left) against temperature (bottom) for various fusion approaches as of 2021, assuming DT fuel.
DT 연료를[7][clarification needed] 가정할 때 2021년 기준 다양한 융합 접근에 대한 온도(하단)에 대한 융합 트래핑(왼쪽)

로슨 기준은 열화된 준중성 플라즈마를 보유한 기계가 에너지 손실을 극복하기 위해 충분한 에너지를 생성해야 한다고 주장합니다.주어진 부피에서 방출되는 에너지의 양은 온도의 함수이고, 따라서 입자 단위의 반응 속도, 그 부피 내의 입자 밀도, 그리고 마지막으로 에너지가 부피 내에 머무르는 시간인 구속 시간의 함수입니다.[6][8]이것은 "3중 제품"이라고 알려져 있습니다: 플라즈마 밀도, 온도, 그리고 구속 시간.[9]

자기 구속 상태에서는 밀도가 낮으며, "좋은 진공" 상태입니다.예를 들어, ITER 장치에서 연료 밀도는 약 1.0 × 10m이며19−3, 이는 대기 밀도의 약 100만분의 1에 해당합니다.[10]이는 온도 및/또는 구속 시간이 증가해야 함을 의미합니다.핵융합 관련 온도는 1970년대 초에 개발된 다양한 가열 방법을 사용하여 달성되었습니다.현대 기계에서 2019년 현재 남아있는 주요 이슈는 감금 시간이었습니다.강한 자기장 속의 플라즈마는 여러 가지 고유한 불안정성을 받게 되며, 이는 유용한 기간에 도달하기 위해 억제되어야 합니다.이를 위한 한 가지 방법은 단순히 원자로 부피를 크게 하는 것이며, 이는 고전적 확산에 의한 누설률을 감소시키는 것입니다.이것이 ITER가 큰 이유입니다.

이와 대조적으로 관성 구속 시스템은 높은 밀도를 통해 유용한 삼중 제품 값에 접근하며, 구속 간격이 짧습니다.NIF에서 초기 냉동 수소 연료 부하는 납 밀도의 약 100배까지 증가하는 물보다 밀도가 작습니다.이러한 조건에서는 핵융합 속도가 매우 높아 반응에 의해 생성된 열이 연료를 분해하는 데 마이크로초 단위로 연료가 융합됩니다.NIF는 크기도 크지만, 이는 융합 프로세스에 고유한 것이 아니라 "드라이버" 디자인의 기능입니다.

에너지 포착

융합이 생성하는 에너지를 포착하기 위한 여러 가지 접근법이 제안되었습니다.가장 간단한 것은 유체를 가열하는 것입니다.일반적으로 표적이 되는 D-T 반응은 에너지의 대부분을 빠르게 움직이는 중성자로 방출합니다.중성자는 전기적으로 중성이므로 구속 방식에 영향을 받지 않습니다.대부분의 설계에서 원자로 노심을 둘러싸고 있는 리튬의 두꺼운 "이불"에 포획됩니다.고에너지 중성자에 부딪히면 담요가 뜨거워집니다.그런 다음 터빈을 구동하여 동력을 생산하는 작동 유체로 능동적으로 냉각됩니다.

또 다른 설계는 핵분열-융합 하이브리드로 알려진 개념인 핵폐기물 덩어리에서 핵분열 연료를 생산하기 위해 중성자를 사용하는 것을 제안했습니다.이러한 시스템에서, 출력은 핵분열 사건에 의해 향상되고, 전력은 기존의 핵분열 원자로와 같은 시스템을 사용하여 추출됩니다.[11]

다른 연료를 사용하는 설계, 특히 양성자-붕소 전자 융합 반응은 하전 입자의 형태로 훨씬 더 많은 에너지를 방출합니다.이러한 경우, 이러한 전하의 이동에 기초한 전력 추출 시스템이 가능합니다.직접 에너지 변환1980년대에 LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)에서 융합 반응 생성물을 사용하여 직접 전압을 유지하는 방법으로 개발되었습니다.이를 통해 48%의 에너지 캡처 효율성을 입증했습니다.[12]

플라즈마 거동

플라즈마는 전기를 전도하는 이온화된 가스입니다.[13]일반적으로, 그것은 나비에를 조합한 자기 유체 역학을 사용하여 모델링됩니다.[14] 유체를 지배하는 스토크 방정식자기장전기장이 어떻게 작용하는지를 지배하는 맥스웰 방정식퓨전은 다음과 같은 몇 가지 플라즈마 특성을 이용합니다.

  • 자기조직화 플라즈마는 전기장과 자기장을 전도합니다.그것의 움직임은 차례로 그것을 포함할 수 있는 필드를 생성합니다.[15]
  • 반자성 플라즈마는 자체적으로 내부 자기장을 발생시킬 수 있습니다.이는 외부에서 인가되는 자기장을 거부하여 반자성으로 만들 수 있습니다.[16]
  • 자기 거울은 플라즈마가 낮은 밀도에서 높은 밀도의 장으로 이동할 때 반사할 수 있습니다.[17]:24

방법들

컬러 코딩 계열의 융합 접근 방식:핀치 패밀리(주황색), 미러 패밀리(적색), 커스프 시스템(자외선), 토카막스 & 스텔라레이터(녹색), 플라즈마 구조물(회색), 관성 정전 구속(진노란색), 관성 구속 융합(ICF, 파란색), 플라즈마 제트 마그네토 관성 융합(PJMIF, 짙은 분홍색).

자기구속

  • 토카막: 가장 잘 개발되고 자금이 잘 지원되는 접근법.이 방법은 내부 전류와 함께 자기적으로 제한된 회음부 안에서 뜨거운 플라즈마를 구동합니다.완성되면 ITER는 세계 최대 토카막이 됩니다.2018년 9월 기준으로 전 세계적으로 226개의 실험이 계획, 해체 또는 운영되고 있습니다(50개).[18]
  • 구면 토카막: 구면 토러스라고도 알려져 있습니다.구 모양의 토카막 변형.
  • 스텔라레이터:뜨거운 플라즈마의 꼬인 고리.스텔라레이터는 외부 자석을 이용하여 자연적으로 꼬인 플라즈마 경로를 만들려고 시도합니다.1950년 라이먼 스피처가 개발한 항성계는 다음과 같은 네 가지 디자인으로 진화했습니다.토사트론, 헬리오트론, 헬리오트론, 헬리아스.한 예로 독일의 장치인 Wendelstein 7-X가 있습니다.그것은 세계에서 가장 큰 항성입니다.[19]
  • 내부 링:스텔라레이터는 외부 자석을 이용해 꼬인 플라즈마를 만드는 반면 토카막은 플라즈마에 유도된 전류를 이용해 플라즈마를 만듭니다.여러 등급의 설계는 플라즈마 내부의 도체를 사용하여 이러한 꼬임을 제공합니다.초기 계산에 따르면 플라즈마와 전도체 지지부 사이의 충돌은 핵융합 반응이 에너지를 대체할 수 있는 것보다 에너지를 더 빨리 제거할 것입니다.LDX(Livitated Dipole Experiment)를 포함한 현대적인 변형은 원자로 챔버 내부에서 자기적으로 부상되는 고체 초전도 토러스를 사용합니다.[20]
  • 자기 거울: Richard F가 개발하였습니다. 1960년대 LLNL포스트와 팀.[21]자기 거울은 플라즈마를 일렬로 앞뒤로 반사합니다.탠덤 미러, 마그네틱 [22]보틀 및 바이코닉 커스프가 변형되었습니다.일련의 거울 기계들은 주로 LLNL에서 1970년대와 1980년대에 미국 정부에 의해 만들어졌습니다.[23]그러나 1970년대의 계산은 이것들이 상업적으로 유용할 것 같지는 않다고 추정했습니다.
  • 울퉁불퉁한 토러스: 다수의 자기 미러가 토로이드 링 안에서 끝에서 끝으로 배열됩니다.연료 이온 중 하나에서 누출된 연료 이온은 주변 미러에 가둬져 플라즈마 압력을 손실 없이 임의로 높게 올릴 수 있습니다.실험 시설인 ELMO 울퉁불퉁 토러스 또는 EBT는 1970년대에 ORNL(Oak Ridge National Laboratory)에서 만들어졌고 테스트되었습니다.
  • 필드 반전 구성:이 장치는 플라즈마를 자체적으로 조직된 준안정 구조로 가둡니다. 여기서 입자 운동이 내부 자기장을 만들어 스스로를 가둡니다.[24]
  • 스페로막:필드 반전(field-reversed) 구성과 유사하게, 플라즈마의 자체 생성 자기장을 이용하여 제조된 반안정 플라즈마 구조체.구면에는 토로이달 필드와 폴로이달 필드가 모두 있는 반면, 필드 반전 구성에는 토로이달 필드가 없습니다.[25]
  • 다이노막(Dynomak)은 지속적인 자속 주입을 사용하여 형성되고 유지되는 구형 막입니다.[26][27][28]
  • 역방향 필드 핀치:여기서 플라즈마는 고리 안에서 움직입니다.그것은 내부 자기장을 가지고 있습니다.이 고리의 중심에서 벗어나면 자기장은 방향을 반대로 바꿉니다.

관성 구속

Plot of NIF results from 2012 to 2021
2012년부터 2021년까지의 NIF 결과 그림
  • 간접 구동: 레이저는 홀라움(Hohlraum)이라고 알려진 구조물을 가열하여 엑스레이 빛을 내기 시작합니다.이 엑스레이는 연료 알갱이를 가열하여 내부로 붕괴시켜 연료를 압축시킵니다.이 방법을 사용하는 가장 큰 시스템은 국가 점화 시설이며, 레이저 메가줄이 그 뒤를 이룹니다.[29]
  • 직접 구동: 레이저는 연료 펠릿을 직접 가열합니다.레이저 에너지 연구소(LLE)GEKKO XII 시설에서 주목할 만한 직접 구동 실험이 수행되었습니다.좋은 내란은 고밀도 플라즈마를 생성하는 대칭적인 내측 충격파를 생성하기 위해 완벽한 형상에 가까운 연료 펠릿이 필요합니다.[citation needed]
  • 빠른 점화:이 방법은 두 개의 레이저 블라스팅을 사용합니다.첫 번째 폭발은 핵융합 연료를 압축하는 반면 두 번째 폭발은 핵융합 연료를 점화시킵니다.2019년부터 이 기술은 에너지 생산에 대한 인기를 잃게 되었습니다.[30]
  • 자기 관성 융합 또는 자기 라이너 관성 융합:이것은 레이저 펄스와 자기 핀치를 결합합니다.핀치 커뮤니티는 자기 라이너 관성 융합이라고 부르고 ICF 커뮤니티는 자기 관성 융합이라고 부릅니다.[31]
  • 이온 빔:이온 빔은 연료를 가열하기 위해 레이저 빔을 대체합니다.[32]주요 차이점은 빔이 질량에 의해 운동량을 가지고 있는 반면 레이저는 그렇지 않다는 것입니다.2019년 현재 이온 빔이 공간적으로 그리고 시간적으로 충분히 초점을 맞출 수 있는 가능성은 거의 없는 것으로 보입니다.
  • Z-기계:얇은 텅스텐 와이어를 통해 전류를 보내 엑스레이를 생성할 수 있도록 충분히 가열합니다.간접 구동 방식과 마찬가지로, 이러한 X선은 연료 캡슐을 압축합니다.

자석 또는 전기 핀치

  • Z-핀치: 전류가 플라즈마를 통해 z 방향으로 이동합니다.전류는 플라즈마를 압축하는 자기장을 발생시킵니다.핀치는 인간이 만든 통제된 융합을 위한 최초의 방법이었습니다.[33][34]z-핀치는 압축과 가열을 실제적인 융합을 하기에는 너무 낮은 값으로 제한하는 고유한 불안정성을 가지고 있습니다.가장 큰 기계인 영국의 ZETA는 이러한 종류의 마지막 주요 실험이었습니다.z-pinch의 문제점들이 토카막 디자인으로 이어졌습니다.밀도가 높은 플라즈마 초점은 아마도 더 우수한 변화일 것입니다.
  • 세타핀치: 플라즈마 기둥의 바깥쪽, 세타 방향으로 전류가 원을 돕니다.이것은 플라즈마 주위와 반대로 중심을 따라 흐르는 자기장을 유도합니다.초기의 세타핀치 장치 실라는 핵융합을 결정적으로 입증한 최초의 장치였지만, 이후의 연구는 그것이 전력 생산에 흥미를 끌지 못하게 하는 본질적인 한계를 가지고 있다는 것을 증명했습니다.
  • 전단 유동 안정화된 Z-핀치: Uri Shumlak의 지도하에 있는 Washington 대학의 연구는 Z-핀치 원자로의 불안정성을 완화하기 위한 전단 유동 안정화의 사용을 조사했습니다.여기에는 핀치의 축을 따라 중성 가스를 가속하는 작업이 포함됩니다.실험 기계에는 FuZE와 Zap Flow Z-Pinch 실험용 원자로가 포함되었습니다.[35]2017년, 영국의 기술 투자자이자 기업가인 벤저민 콘웨이는 물리학자인 브라이언 넬슨, 우리 슘락과 함께 전력 생산을 위한 기술을 상업화하기 위해 Zap Energy를 공동 설립했습니다.[36][37][38]
  • 나사 핀치:이 방법은 안정성 향상을 위해 세타와 z-핀치를 결합합니다.[39]

관성 정전 구속

  • 퓨저(Fusor): 전기장이 핵융합 상태에 열을 가합니다.이 기계는 일반적으로 진공 안에 양극 내부의 음극인 두 개의 구형 케이지를 사용합니다.이 기계들은 높은 전도 및 방사선 손실 때문에 순 전력에 대한 실행 가능한 접근법으로 간주되지 않습니다.[40]그것들은 아마추어들이 그것들을 사용하여 융합된 원자를 가지고 있다는 것을 만들 수 있을 만큼 충분히 간단합니다.[41]
  • 폴리웰:케이지에서 발생하는 전도 손실을 방지하기 위해 자기 구속과 정전기장을 결합합니다.[42]

다른.

  • 자화된 타겟 핵융합:자기장을 이용하여 뜨거운 플라즈마를 가두고 관성을 이용하여 압착합니다.LANL FRX-L 기계,[43] General Fusion(액체 금속 라이너로 피스톤 압축), HyperJet Fusion(플라즈마 라이너로 플라즈마 제트 압축) 등이 그 예입니다.[44][45]
  • 제어되지 않음:인간은 핵융합을 자극하기 위해 통제되지 않는 핵분열 폭발을 사용하여 핵융합을 시작했습니다.핵융합을 위한 초기 제안에는 반응을 시작하기 위해 폭탄을 사용하는 것이 포함되었습니다.프로젝트 PACER를 참조하십시오.
  • 빔 융합:다른 빔이나 표적을 향해 발사된 고에너지 입자 빔은 융합을 시작할 수 있습니다.이것은 1970년대와 1980년대에 핵융합 반응의 단면을 연구하기 위해 사용되었습니다.[5]그러나 빔 코히어런트를 유지하는 것은 융합에서 오는 것보다 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 빔 시스템은 전력에 사용될 수 없습니다.
  • 뮤온 촉매 핵융합:이 접근법은 수소 동위원소이원자 분자에 있는 전자뮤온으로 대체합니다. 같은 전하를 가진 더 무거운 입자입니다.그들의 더 큰 질량은 핵을 충분히 압축해서 강한 상호작용이 핵융합을 일으킬 수 있습니다.[46]2007년 현재 뮤온을 생산하는 것은 뮤온 촉매 융합에서 얻을 수 있는 것보다 더 많은 에너지를 필요로 합니다.[47]

공용공구

융합 가열, 측정 및 전력 생산을 해결하기 위해 여러 프로젝트에 걸쳐 많은 방법, 장치 및 메커니즘이 사용됩니다.[48]

신경망

토카막 기반 원자로 제어를 위해 심층 강화 학습 시스템이 사용되었습니다.인공지능은 플라즈마를 관리하기 위해 자기 코일을 조작할 수 있었습니다.시스템은 적절한 동작(단계 기반 시스템보다 복잡함)을 유지하기 위해 지속적으로 조정할 수 있었습니다.2014년에 Google은 캘리포니아에 기반을 둔 융합 회사인 TAE Technologies와 협력하여 공동 유럽 토러스(JET)를 제어하여 플라즈마 동작을 예측하기 시작했습니다.[49]DeepMindTCV와 함께 제어 체계도 개발했습니다.[50]

난방

  • 정전기 가열: 전기장은 하전된 이온이나 전자를 가열하는 을 할 수 있습니다.[51]
  • 중성 주입: 수소가 전기장에 의해 이온화되고 가속되어 중성 수소 가스의 공급원을 통해 플라즈마를 향해 빛나는 하전된 빔을 형성합니다. 플라즈마는 자기장에 의해 이온화되고 포함됩니다.중간 수소 가스의 일부는 중성을 유지하면서 대전된 빔과 충돌하여 플라즈마 쪽으로 가속됩니다. 따라서 이 중성 빔은 자기장에 영향을 받지 않으므로 플라즈마에 도달합니다.일단 플라즈마 안에 들어가면 중성 빔은 충돌에 의해 에너지를 플라즈마로 전달하고, 이것이 이온화되어 자기장에 의해 억제되도록 함으로써 한 번의 작동으로 원자로를 가열하고 연료를 주입합니다.하전된 빔의 나머지 부분은 자기장에 의해 냉각된 빔 덤프로 전환됩니다.[52]
  • 무선 주파수 가열: 전파가 플라즈마를 진동시킵니다(즉, 전자레인지).이것은 또한 전자 사이클로트론 공명 가열이라고도 하며, 예를 들어 자이로트론을 사용하거나 유전체 가열이라고도 합니다.[53]
  • 자기 재연결 : 플라즈마가 조밀해지면, 전자기적 특성이 변할 수 있고, 이것은 자기 재연결로 이어질 수 있습니다.재결합은 플라즈마에 에너지를 즉시 쏟아 부어 빠르게 가열하기 때문에 융합을 돕습니다.자기장 에너지의 최대 45%가 이온을 가열할 수 있습니다.[54][55]
  • 자기 진동: 다양한 전류가 자기 벽 내에 국한된 플라즈마를 가열하는 자기 코일에 공급될 수 있습니다.[56]
  • 반양성자 소멸: 핵융합 연료 덩어리에 주입된 반양성자는 열핵 반응을 유도할 수 있습니다.반물질 촉매 핵펄스 추진으로 알려진 우주선 추진 방법으로서 이러한 가능성은 펜실베니아 주립대학에서 제안된 AIMStar 프로젝트와 관련하여 조사되었습니다.[citation needed]

측정.

핵융합 과학 원자로의 진단은 매우 복잡하고 다양합니다.[57]핵융합형 원자로에 필요한 진단은 다양하지만 과학용 원자로에 비해 덜 복잡한 진단이 상용화 시점까지 많은 실시간 피드백과 제어 진단이 완벽하게 이루어질 것입니다.그러나, 지속적인 운전은 더 높은 플라즈마 온도와 더 높은 수준의 중성자 조사를 수반할 수 있기 때문에, 상업적인 핵융합로의 운전 환경은 과학적인 원자로보다 진단 시스템에 더 가혹할 것입니다.제안된 많은 접근법에서 상용화를 위해서는 헬륨 및 불순물과 같은 전환기 가스를 측정 및 분리하고 삼중수소 사육 액체 리튬 라이너의 상태와 같은 연료 사육을 모니터링할 수 있는 추가적인 능력이 필요합니다.[58]다음은 몇 가지 기본적인 기술입니다.

  • 플럭스 루프(flux loop): 철사 고리가 자기장 안에 삽입됩니다.필드가 루프를 통과하면 전류가 생성됩니다.전류는 해당 루프를 통해 총 자속을 측정합니다.이것은 National Compact Starrator Experiment, Polywell, [59][60]LDX 기계에 사용되었습니다.Langmuir 프로브는 플라즈마에 금속으로 된 물체로 사용할 수 있습니다.전위가 인가되어 주변 플라즈마에 대한 전압을 제공합니다.금속은 대전된 입자를 모아 전류를 끌어냅니다.전압이 변하면 전류도 변합니다.IV 곡선을 만듭니다.IV-곡선은 국소 플라즈마 밀도, 전위 및 온도를 결정하는 데 사용할 수 있습니다.[61]
  • 톰슨 산란(Thomson scattering): 플라즈마의 "빛 산란"은 밀도와 온도를 포함한 플라즈마 거동을 재구성하는 데 사용될 수 있습니다.관성 감금 융합,[62] 토카막스,[63] 퓨저에서 흔히 볼 수 있습니다.ICF 시스템에서 두 번째 빔을 표적에 인접한 금박에 발사하면 플라즈마를 통과하는 X선이 생성됩니다.토카막에서, 이것은 빛을 반사하기 위해 거울과 감지기를 사용할 수 있습니다.
  • 중성자 검출기: 여러 종류의 중성자 검출기는 중성자가 생성되는 속도를 기록할 수 있습니다.[64][65]
  • X선 디텍터 가시광선, IR, UV 및 X선은 입자가 속도를 변경할 때마다 방출됩니다.[66]자기장에 의한 편향이 원인이라면 저속의 경우에는 사이클로트론 복사, 고속의 경우에는 싱크로트론 복사가 원인입니다.이유가 다른 입자에 의한 편향일 경우, 플라즈마는 X선을 방출하는데, 이를 브렘스스트랄룽 방사선이라고 합니다.[67]

전력생산

중성자 담요는 중성자를 흡수하여 담요를 가열합니다.다음과 같은 방법으로 블랭킷에서 전력을 추출할 수 있습니다.

  • 증기 터빈은 열이 증기로 변하는 작동 유체로 전달되어 전기 발전기를 구동함으로써 구동될 수 있습니다.[68]
  • 중성자 담요:이 중성자들은 사용후 핵분열 연료를 재생시킬 수 있습니다.[69]삼중수소는 액체 리튬으로 된 브리더 블랭킷 또는 리튬을 함유한 세라믹 조약돌로 만들어진 헬륨 냉각 조약돌층을 사용하여 생산될 수 있습니다.[70]
  • 직접 변환:입자의 운동 에너지전압으로 변환될 수 있습니다.[21]그것은 Richard F에 의해 처음 제안되었습니다. 1960년대 후반, 자기 거울과 함께 게시물.필드 반전 구성(Field-Reversed Configuration) 및 밀집 플라즈마 포커스(Dense Plasma Focus) 장치에 대해 제안되었습니다.이 과정은 핵융합 생성물의 무작위 에너지의 큰 부분을 방향 운동으로 변환합니다.그런 다음 입자는 다양한 큰 전위의 전극에 모이게 됩니다.이 방법은 48%의 실험 효율성을 입증했습니다.[71]
  • 진행파관은 대전된 헬륨 원자를 수 메가볼트로 통과시키고 외부 주위에 철사 코일이 있는 관을 통해 핵융합 반응으로부터 막 빠져나옵니다.고전압에서 통과하는 이 전하는 전선을 통해 전기를 끌어 당깁니다.

감금

1990년대 중반 현재 관성융합에너지자기융합에너지 장치가 차지하는 매개변수 공간.높은 이득으로 열핵 점화를 허용하는 체제는 플롯의 오른쪽 상단 근처에 있습니다.

가둠이란 플라즈마가 핵융합을 겪을 수 있을 정도로 밀도가 높고 뜨거운 상태를 유지하는 데 필요한 모든 조건을 말합니다.일반 원칙:

  • 평형:플라즈마에 작용하는 힘이 균형을 이루어야 합니다.한 가지 예외는 관성 구속인데, 이 경우 핵융합이 분산 시간보다 더 빨리 발생해야 합니다.
  • 안정성:교란이 발생하여 플라즈마가 분산되지 않도록 플라즈마를 구성해야 합니다.
  • 운반 또는 전도:재료의 손실이 충분히 느려야 합니다.[6]플라즈마는 에너지를 방출하기 때문에 물질의 급격한 손실은 핵융합을 방해할 것입니다.물질은 다른 지역으로 운반되거나 고체 또는 액체를 통해 전도됨으로써 손실될 수 있습니다.

자생적인 핵융합을 생성하기 위해서는 반응에 의해 방출되는 에너지의 일부가 새로운 반응물을 가열하고 핵융합을 위한 조건을 유지하는 데 사용되어야 합니다.

자기구속

마그네틱 미러

자기 미러 효과.입자가 필드 라인을 따라 더 높은 필드 강도의 영역에 들어가면 입자가 반사될 수 있습니다.여러 장치가 이 효과를 적용합니다.가장 유명한 것은 1960년대부터 1980년대까지 LLN에서 만들어진 일련의 장치인 자기 거울 기계였습니다.[72]다른 예로는 자석 병과 바이코닉 커스프가 있습니다.[73]거울 기계들이 직선이었기 때문에, 그것들은 고리 모양의 디자인들에 비해 몇 가지 장점들을 가지고 있었습니다.미러는 구성 및 유지보수가 더 쉬웠고 직접 변환 에너지 캡처는 구현이 더 쉬웠습니다.[12]열악한 구속으로 인해 폴리웰 설계를 제외하고는 이 접근 방식이 포기되었습니다.[74]

마그네틱 루프

자기 루프는 필드 선을 원으로 다시 구부리거나 중첩된 토로이드 표면에서 더 일반적으로 구부립니다.이러한 유형의 가장 고도로 발달된 시스템은 토카막, 항성 생성기, 그리고 역장 핀치입니다.소형 토로이드, 특히 필드 반전 구성과 구면은 토로이드 자성 표면의 장점을 단순히 연결된(비토로이드) 기계의 장점과 결합하여 기계적으로 더 단순하고 작은 구속 영역을 생성합니다.

관성 구속

해군 연구소의 일렉트라 레이저는 IFE 발전소에 필요한 반복적인 10시간 동안 90,000개의 샷을 시연합니다.

관성 구속은 플라즈마를 가열하고 가두기 위해 급속 내폭을 사용하는 것입니다.연료를 둘러싸고 있는 셸은 직접 레이저 블라스트(직접 구동), 2차 X선 블라스트(간접 구동) 또는 무거운 빔을 사용하여 인플로딩됩니다.연료는 에너지 빔으로 고체 밀도의 약 30배까지 압축되어야 합니다.직접 구동은 원칙적으로 효율적일 수 있지만, 통일성이 부족하여 성공을 거두지 못했습니다.[75]:19–20간접 구동은 빔을 사용하여 껍질을 가열하고 껍질을 X선을 방출하여 펠릿을 붕괴시킵니다.빔은 일반적으로 레이저 빔이지만 이온과 전자 빔이 조사되었습니다.[75]:182–193

정전 구속

정전기 가둠 융합 장치는 정전기장을 사용합니다.가장 잘 알려진 것은 퓨저입니다.이 장치는 양극 와이어 케이지 내부에 음극이 있습니다.양이온은 음의 내부 케이지를 향해 날아가고, 그 과정에서 전기장에 의해 가열됩니다.만약 그들이 내부 케이지를 놓치면 그들은 충돌하고 융합할 수 있습니다.그러나, 이온은 일반적으로 음극에 부딪쳐, 엄청난 전도 손실을 발생시킵니다.퓨저의 핵융합 속도는 광복사 형태의 에너지 손실과 같은 경쟁적인 물리적 효과 때문에 낮습니다.[76]중립적이지 않은 클라우드를 사용하여 필드를 생성함으로써 케이지와 관련된 문제를 방지하기 위한 설계가 제안되었습니다.여기에는 플라즈마 발진 장치,[77] 자기 차폐 그리드,[78] 페닝 트랩, 폴리웰[79]F1 캐소드 드라이버 개념이 포함됩니다.[80]

연료

핵융합력으로 고려되는 연료는 모두 수소 동위원소인 중수소, 삼중수소와 같은 가벼운 원소들이었습니다.[5]중수소와 헬륨-3 반응은 헬륨-3을 필요로 하는데, 헬륨은 지구상에서 너무나 부족하기 때문에 외계에서 채굴되거나 다른 핵반응에 의해 생성되어야 할 정도입니다.궁극적으로, 연구자들은 비록 부반응이 일어날 수 있지만, 중성자를 직접적으로 생성하지는 않기 때문에, 프로튬-붕소-11 반응을 채택하기를 희망합니다.[81]

중수소, 삼중수소

D-T 반응도

가장 쉬운 핵반응은 가장 낮은 에너지에서 D+T입니다.

D + T He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)

이러한 반응은 연구, 산업 및 군사 분야에서 일반적으로 중성자 공급원으로 사용됩니다.중수소는 수소의 자연적으로 발생하는 동위원소이며 일반적으로 사용할 수 있습니다.수소 동위원소의 질량비가 크기 때문에 우라늄 농축 공정에 비해 분리가 용이합니다.삼중수소는 수소의 천연 동위원소이지만 반감기가 12.32년으로 짧기 때문에 찾기 어렵고 저장, 생산이 어렵고 비용이 많이 듭니다.따라서 중수소-삼중수소 연료 사이클은 다음 반응 중 하나를 사용하여 리튬으로부터 삼중수소를 증식해야 합니다.

n + Li T + He
n + Li T + He + n

반응물 중성자는 위의 D-T 핵융합 반응에 의해 공급되며, 에너지 수율이 가장 높은 반응물입니다.Li과의 반응은 발열성이며, 반응기에 대한 작은 에너지 이득을 제공합니다.Li과의 반응은 흡열성이지만 중성자를 소모하지는 않습니다.중성자 증식 반응은 다른 원소에 의해 흡수되어 손실된 중성자를 대체하기 위해 필요합니다.유력한 후보 중성자 증식 물질은 베릴륨이지만, Li 반응은 중성자 수를 높게 유지하는 데 도움이 됩니다.천연 리튬은 주로 Li이며, Li에 비해 삼중수소 생산 단면이 낮기 때문에 대부분의 원자로 설계에서는 농축된 Li이 포함된 사육 담요를 사용합니다.

일반적으로 D-T 융합 능력에 기인하는 단점은 다음과 같습니다.

  • 중성자 공급은 원자로 물질의 중성자 활성화를 초래합니다.[82]:242
  • 결과 에너지의 80%는 중성자에 의해 운반되며, 이는 직접적인 에너지 변환의 사용을 제한합니다.[83]
  • 방사성 동위원소 삼중수소가 필요합니다.삼중수소는 원자로에서 누출될 수 있습니다.일부 추정치는 이것이 상당한 환경 방사능 방출을 나타낸다고 말합니다.[84]

상업용 D-T 핵융합로에서 예상되는 중성자속은 핵분열 원자로의 약 100배에 달하며, 는 재료 설계에 문제를 제기합니다.JET에서 일련의 D-T 테스트를 거친 후 진공 용기는 방사능이 충분하여 테스트 후 1년 동안 원격 처리가 필요했습니다.[85]

생산 환경에서 중성자는 리튬 세라믹 조약돌 또는 액체 리튬으로 구성된 번식 블랭킷에서 리튬과 반응하여 삼중수소를 생성합니다.중성자의 에너지는 결국 리튬에 도달하게 되고, 리튬은 전기 생산을 촉진하기 위해 전달됩니다.리튬 블랭킷은 중성자속으로부터 원자로 외부 부분을 보호합니다.새로운 디자인, 특히 진보된 토카막은 원자로 노심 내부의 리튬을 디자인 요소로 사용합니다.플라즈마는 리튬과 직접적으로 상호작용하여 "재순환"이라고 알려진 문제를 방지합니다.리튬 토카막 실험에서 이 설계의 장점이 입증되었습니다.

중수소

서로 다른 이온 충돌 에너지에서 중수소 융합 단면(제곱미터 단위)

두 개의 중수소 핵을 융합하는 것은 두 번째로 쉬운 핵융합 반응입니다.반응에는 거의 동일한 확률로 발생하는 두 가지 분기가 있습니다.

D + D → T + ㅇ1
D + D → 그는3 + n

이 반응은 연구에서도 흔히 볼 수 있습니다.이 반응을 시작하기 위한 최적 에너지는 15keV로 D-T 반응의 에너지보다 약간 높습니다.첫 번째 분기는 삼중수소를 생성하여 D-D 원자로에 삼중수소가 없어도 삼중수소가 발생하지 않습니다.삼중수소가 신속하게 제거되지 않는 한, 생성된 삼중수소의 대부분은 원자로에서 연소되며, 이는 삼중수소의 처리를 줄여 더 많은 고에너지 중성자를 생성한다는 단점이 있습니다.D-D 반응의 두 번째 분기에서 나온 중성자는 2.45 MeV(0.393 pJ)의 에너지를 가지고 있는 반면, D-T 반응에서 나온 중성자는 14.1 MeV(2.26 pJ)의 에너지를 가지고 있어 동위원소 생산과 물질적 손상이 더 큽니다.He가 반응할 수 있도록 하면서 삼중수소를 빠르게 제거하면, 연료 사이클은 "삼중수소 억제 융합"이라고 불립니다.[86]제거된 삼중수소는 12.5년의 반감기로 He에게 붕괴됩니다.He 붕괴를 원자로에 재활용함으로써, 핵융합로는 고속 중성자에 저항하는 물질을 필요로 하지 않습니다.

완전한 삼중수소 연소를 가정할 때, 중성자에 의해 전달되는 핵융합 에너지 분율의 감소는 약 18%에 불과하므로, D-D 연료 사이클의 주된 장점은 삼중수소 사육이 필요하지 않다는 것입니다.다른 장점으로는 리튬 자원으로부터의 독립성과 다소 부드러운 중성자 스펙트럼이 있습니다.D-D의 단점은 D-T와 비교했을 때 에너지 구속 시간이 (주어진 압력에서) 30배 더 길어야 하고 (주어진 압력과 부피에서) 생산되는 전력은 68배 더 적어야 한다는 것입니다.[citation needed]

삼중수소의 완전한 제거와 He 재활용을 가정할 때, 핵융합 에너지의 6%만이 중성자에 의해 운반됩니다.삼중수소 억제 D-D 융합은 D-T에 비해 10배 더 길고 플라즈마 온도를 두 배로 증가시키는 에너지 제한을 필요로 합니다.[87]

중수소, 헬륨-3

헬륨-3(He)3중수소(2H)를 결합하는 것은 핵융합을 제어하는 2세대 접근법입니다.

D + 3He → 그는4 + ㅇ1

이 반응으로 He와 고에너지 양성자가 생성됩니다.p-Baneutronic11 융합 연료 사이클과 마찬가지로, 반응 에너지의 대부분은 하전 입자로 방출되어 원자로 하우징의 활성화를 감소시키고 잠재적으로 더 효율적인 에너지 수확을 가능하게 합니다.[88]실제로, D-D 부반응은 상당한 수의 중성자를 생성하며, p-B를11 중성자 융합을 위한 선호 사이클로 남깁니다.[88]

양성자, 붕소-11

물질 과학 문제와 비확산 우려는 모두 전자 융합에 의해 크게 감소합니다.이론적으로 가장 반응성이 높은 전자 연료는 He입니다.하지만 적정량의 He를 얻는다는 것은 달이나 천왕성 또는 토성의 대기에서 대규모의 외계 채굴을 의미합니다.따라서, 그러한 융합을 위한 가장 유망한 후보 연료는 쉽게 구할 수 있는 프로튬(protium, 즉 양성자)과 붕소를 융합하는 것입니다.이들의 융합은 중성자를 방출하지 않지만 에너지가 직접 전력으로 변환될 수 있는 에너지를 가진 하전된 알파(헬륨) 입자를 생성합니다.

p + B → 3 He

부반응으로 약 0.1%의 힘만 전달하는 중성자가 나올 가능성이 있는데,[89]:177–182 이는 중성자 산란이 에너지 전달에 사용되지 않고 물질 활성화가 수천 배 감소한다는 것을 의미합니다.123keV의[90] 이 반응에 대한 최적 온도는 순수 수소 반응에 대한 최적 온도보다 거의 10배 높으며, 에너지 제한은 D-T 반응에 필요한 온도보다 500배 이상 높아야 합니다.또한 출력 밀도는 D-T의 경우보다 2500배 낮지만, 연료의 단위 질량당은 여전히 핵분열 원자로보다 상당히 높습니다.

토카막과 레이저 펠릿 융합의 구속 특성이 미미하기 때문에, 전자 융합에 대한 대부분의 제안은 폴리웰 및 조밀 플라즈마 포커스와 같은 근본적으로 다른 구속 개념을 기반으로 합니다.2013년 에콜 폴리테크니크크리스틴 라본이 이끄는 연구팀은 양성자-붕소 융합에 대한 새로운 융합 속도 기록을 발표했는데, 이전의 실험에서 보고된 것보다 100배 큰 1.5 나노초 레이저 화재 동안 약 8천만 개의 융합 반응이 발생했습니다.[91][92]

재료선택

구조적 재료의 안정성은 매우 중요한 문제입니다.[93][94]핵융합로에서 경험하는 높은 온도와 중성자 폭격에도 견딜 수 있는 물질이 성공의 열쇠로 여겨지고 있습니다.[95][93]주요 이슈는 플라즈마에 의해 생성되는 조건, 벽면의 중성자 열화, 플라즈마-벽면 조건의 관련 이슈입니다.[96][97]수소 투과성을 감소시키는 것은 수소 재활용[98] 및 삼중수소 재고 관리에 매우 중요한 것으로 간주됩니다.[99]가장 낮은 벌크 수소 용해도와 확산도를 가진 재료는 안정적인 장벽을 위한 최적의 후보를 제공합니다.텅스텐, 베릴륨 등 일부 순수 금속과 [100]탄화물, 치밀산화물, 질화물 등의 화합물이 조사됐습니다.잘 부착된 완벽한 장벽을 준비하기 위한 코팅 기술이 동등하게 중요하다는 연구 결과가 나왔습니다.가장 매력적인 기술은 산화만으로 애드층을 형성하는 기술입니다.대체 방법은 자기장과 전기장이 강한 특정 가스 환경을 활용합니다.장벽 성능 평가는 추가적인 과제를 나타냅니다.고전적인 코팅 막 가스 투과는 수소 투과 장벽(HPB) 효율을 결정하는 가장 신뢰할 수 있는 방법입니다.[99]2021년, 영국 원자력청은 2040년을 위한 핵융합 발전로 설계의 증가에 대응하여 토카막 계열 원자로에 초점을 맞춘 5개의 우선 분야에 초점을 맞춘 영국 핵융합 재료 로드맵 2021-2040을 발표했습니다.

  • 융합발전소 구조물의 활성화량을 최소화하기 위한 신규 재료
  • 핵융합 과정을 유지하기 위해 삼중수소 연료의 사육을 최적화하기 위해 발전소 내에서 사용할 수 있는 화합물.
  • 특히 극저온 조건에서 핵융합 반응에 의한 조사에 내성이 있는 자석 및 절연체
  • 높은 작동 온도(550°C 이상)에서 중성자 폭격 시 강도를 유지할 수 있는 구조 재료
  • 융합 재료에 대한 엔지니어링 보증—플랜트 설계자, 운영자 및 규제 당국이 재료가 향후 상용 발전소에서 사용하기에 적합하다는 확신을 가질 수 있도록 조사된 샘플 데이터와 모델링된 예측을 제공합니다.

초전도 물질

SuperOx는 융합 원자로 자석에 사용하기 위해 9개월 만에 186마일 이상의 YBCO 와이어를 생산할 수 있었으며, 이는 회사의 이전 생산 목표를 크게 초과한 것입니다.

자기장(자화된 플라즈마로 알려짐)에 내장된 플라즈마에서 융합 속도는 자기장 세기에 따라 4배까지 확장됩니다.이런 이유로, 플라즈마를 제어하기 위해 자기장에 의존하는 많은 핵융합 회사들은 고온의 초전도 장치를 개발하려고 노력하고 있습니다.러시아와 일본 기업인 SuperOx는 2021년 융합 원자로용 초전도 YBCO 선재를 만드는 새로운 제조 공정을 개발했습니다.이 새로운 와이어는 제곱 밀리미터당 700에서 2000A 사이의 전류를 전도하는 것으로 나타났습니다.이 회사는 9개월 만에 186마일의 전선을 생산할 수 있었습니다.[101]

격납용기 고려사항

더 작은 생산 규모에서도 격납 장치는 물질과 에너지로 폭발합니다.플라즈마 격납장치에 대한 설계는 다음을 고려해야 합니다.

  • 최대 10 MW/m2 열부하까지 가열 및 냉각 사이클.
  • 시간이 지남에 따라 중성자의 활성화취화를 초래하는 중성자 방사선.
  • 수십에서 수백개의 전자볼트에서 떠나는 고에너지 이온.
  • 알파 입자는 수백만 의 전자볼트로 떠납니다.
  • 전자는 높은 에너지로 떠납니다.
  • 광선(IR, 가시광선, UV, X선).

접근 방식에 따라 이러한 효과는 핵분열 원자로보다 더 높을 수도 있고 낮을 수도 있습니다.[102]한 추정치에 따르면 방사능일반적인 가압수형 원자로의 100배에 달합니다.[citation needed]접근 방식에 따라, 전기 전도도, 자기 투과도, 그리고 기계적 강도와 같은 다른 고려 사항들이 있습니다.또한 물질이 수명이 긴 방사성 폐기물이 되어서는 안 됩니다.[93]

플라즈마-벽 표면상태

장기간 사용할 경우, 벽 안의 각 원자는 중성자에 부딪혀 물질이 교체되기 전에 약 100번의 변위가 발생할 것으로 예상됩니다.고에너지 중성자는 핵반응을 통해 수소와 헬륨을 생성하는데, 핵반응은 입자 경계에서 기포를 형성하고 부풀어 오르거나 물집을 일으키거나 취기를 일으킵니다.[102]

자재선별

흑연 또는 베릴륨과 같은 저-Z 재료는 일반적으로 고-Z 재료, 보통 두 번째 선택으로서 몰리브덴을 갖는 텅스텐보다 선호됩니다.[99]액체 금속(리튬, 갈륨, 주석)은 고체 기판 상에 10 m/s로 흐르는 1 ~ 5 mm 두께의 스트림의 주입에 의해 제안되었습니다.[citation needed]

흑연은 연간 수 미터에 달하는 물리적 및 화학적 스퍼터링으로 인한 총 침식률을 나타내며 스퍼터링된 물질을 재배치해야 합니다.재증착 부위는 일반적으로 스퍼터 부위와 정확하게 일치하지 않으므로 순 침식이 발생할 수 있습니다.더 큰 문제는 삼중수소가 재증착된 흑연과 함께 재증착된다는 것입니다.벽과 먼지의 삼중수소 재고는 최대 킬로그램까지 쌓을 수 있으며, 이는 자원 낭비와 사고 시의 방사선 위험을 나타냅니다.흑연은 수명이 짧은 실험을 위한 재료로 인기를 얻었지만 상업용 원자로에서 주요 플라즈마 대면 재료(PFM)가 될 가능성은 낮아 보입니다.[93][103]

텅스텐의 스퍼터링 속도는 탄소보다 수십 배 작으며 삼중수소는 재증착된 텅스텐에 훨씬 덜 포함됩니다.그러나 텅스텐 플라즈마 불순물은 탄소 불순물보다 훨씬 더 손상이 크며, 자체 스퍼터링이 높을 수 있으므로 텅스텐과 접촉하는 플라즈마가 너무 뜨겁지 않아야 합니다(수백 eV보다는 수십 eV).텅스텐은 또한 와류 주변의 문제와 비정상적인 사건에서 녹는 문제, 그리고 일부 방사선 문제를 가지고 있습니다.[93]

안전 및 환경

사고잠재력

사고 가능성과 환경에 미치는 영향은 핵융합의 사회적 수용성에 중요하며, 사회적 면허증으로도 알려져 있습니다.[104]핵융합로는 치명적인 용해의 대상이 아닙니다.[105]순 에너지를 생성하기 위해서는 정밀하고 제어된 온도, 압력 및 자기장 매개 변수가 필요하며, 필요한 제어력이 손상되거나 손실되면 반응이 빠르게 진정됩니다.[106]핵융합로는 몇 초 또는 심지어는 몇 마이크로초의 가치가 있는 연료로 언제든지 작동합니다.능동적인 연료 주입이 없으면 반응이 즉시 진정됩니다.[105]

동일한 제약 조건이 폭주 반응을 방지합니다.플라즈마의 부피가 1,000 m3(35,000 curved) 이상이 될 것으로 예상되지만, 플라즈마는 일반적으로 몇 그램의 연료만 포함합니다.[105]이에 비해, 핵분열 원자로는 일반적으로 몇 달 또는 몇 년 동안 충분한 연료가 적재되며, 반응을 계속하기 위해 추가적인 연료가 필요하지 않습니다.이 대규모 연료 공급은 용해 가능성을 제공합니다.[107]

자기 격납에서는 원자로 구조에 의해 기계적으로 고정된 코일에서 강한 장이 생깁니다.이 구조가 실패하면 이 장력이 방출되고 자석이 바깥쪽으로 "폭발"할 수 있습니다.이 사건의 심각도는 다른 산업 재해나 MRI 기계 소광/폭발과 유사하며 핵분열 원자로에 사용되는 것과 유사한 격납 건물 내에 효과적으로 포함될 수 있습니다.

레이저 구동 관성 격납 장치에서는 반응 챔버의 크기가 클수록 재료에 가해지는 스트레스가 줄어듭니다.반응 챔버의 고장이 발생할 수 있지만 연료 공급을 중단하면 치명적인 고장이 발생하지 않습니다.[108]

대부분의 원자로 설계는 액체 수소를 냉각제로 사용하고, 유기 중성자를 삼중수소로 변환하여 연료로 원자로에 다시 공급합니다.수소는 인화성이 있어 현장에 보관된 수소가 발화할 가능성이 있습니다.이 경우 수소의 삼중수소 분율이 대기 중으로 유입되어 방사선 위험을 초래합니다.계산에 따르면 일반적인 발전소에 약 1 킬로그램(2.2 lb)의 삼중수소 및 기타 방사성 가스가 존재합니다.그 양은 역 주변 울타리에 도달할 때까지 법적으로 허용 가능한 한도로 희석될 수 있을 정도로 충분히 적습니다.[109]

방사능의 국소 방출과 직원들의 부상을 포함한 작은 산업 사고의 가능성은 핵분열에 비해 경미할 것으로 추정됩니다.여기에는 리튬 또는 삼중수소의 우발적 방출 또는 방사성 원자로 구성요소의 잘못 취급이 포함됩니다.[108]

자석 소광

자석 퀀치는 초전도 코일의 일부가 초전도 상태를 벗어날 때 발생하는 자석 작동의 비정상적인 종료입니다.이는 자석 내부의 계자가 너무 크거나, 계자의 변화 속도가 너무 크거나(구리 지지 매트릭스에 와전류와 결과 발열을 유발), 또는 둘의 조합으로 발생하기 때문에 발생할 수 있습니다.

자석 결함이 발생하는 경우는 더 드물지만 퀀치가 발생할 수 있습니다.이 경우 특정 지점은 전류로부터 급격한 줄 가열을 받게 되며, 이는 주변 지역의 온도를 상승시킵니다.이것은 또한 그 지역들을 정상 상태로 밀어 넣는데, 이것은 연쇄 반응에서 더 많은 가열로 이어집니다.초전도 코일의 크기에 따라 자석 전체가 수초에 걸쳐 급격하게 정상 상태가 됩니다.이것은 자기장 안의 에너지가 열로 전환되면서 큰 펑 소리를 동반하고, 극저온 유체는 증발합니다.전류의 급격한 감소는 킬로볼트 유도 전압 스파이크와 아크를 발생시킬 수 있습니다.자석이 영구적으로 손상되는 경우는 드물지만 국부적인 가열, 고전압 또는 큰 기계적 힘에 의해 부품이 손상될 수 있습니다.

실제로 자석에는 보통 급전이 감지되면 전류를 멈추거나 제한하는 안전 장치가 있습니다.대형 자석이 켄칭(Quench)을 겪을 경우 증발하는 극저온 유체에 의해 형성된 비활성 증기가 호흡 가능한 공기를 대체하여 작동자에게 상당한 질식 위험을 초래할 수 있습니다.

CERNLarge Hadron Collider에 있는 초전도 자석의 상당 부분이 2008년 시동 작업 중에 예기치 않게 퀀칭되어 여러 개의 자석이 파괴되었습니다.[110]LHC의 초전도 자석에는 재발 방지를 위해 켄칭 이벤트가 감지되면 활성화되는 급속 램핑 히터가 장착되어 있습니다.쌍극자 벤딩 자석은 직렬로 연결됩니다.각 전원 회로에는 154개의 개별 자석이 포함되어 있으며, 켄칭 이벤트가 발생할 경우 이 자석의 전체 결합 저장 에너지를 한 번에 덤프해야 합니다.이 에너지는 저항성 가열 때문에 섭씨 수백도까지 가열되는 거대한 금속 덩어리로 몇 초 만에 전달됩니다.자석 퀀치는 입자 가속기 작동 중 "상당히 일상적인 이벤트"입니다.[111]

유출수

핵융합 반응의 자연적 산물은 생명체에 무해한 소량의 헬륨입니다.위험 삼중수소는 완전히 보유하기 어렵습니다.정상 작동 중에는 삼중수소가 지속적으로 방출됩니다.[108]

삼중수소는 휘발성이고 생물학적으로 활성이지만 삼중수소의 짧은 반감기(12.32년)와 매우 낮은 붕괴 에너지(~14.95keV) 때문에 방출에 의해 야기되는 건강 위험은 대부분의 방사성 오염물질의 그것보다 훨씬 낮습니다.7~14일의 생물학적 반감기를 갖습니다.[112]ITER에는 삼중수소에 대한 총 격납 시설이 통합되어 있습니다.[113]

방사성폐기물

핵융합로는 핵분열 원자로보다 훨씬 적은 방사성 물질을 생성합니다.또한, 생성된 물질은 생물학적으로 손상이 적으며, 방사능은 안전한 장기 폐기물 저장을 위해 기존 엔지니어링 능력 내에 있는 시간 내에 소멸됩니다.[114]구체적으로 말하면, 중성자 핵융합의 경우를 제외하고 중성자 플럭스는 구조 물질을 방사성으로 바꿉니다.[115][116]정지 시 방사성 물질의 양은 핵분열 원자로와 유사할 수 있으며, 중요한 차이가 있습니다.핵융합 및 중성자 활성화 방사성 동위원소의 반감기는 핵분열로 인한 반감기보다 작은 경향이 있으므로 위험이 더 빠르게 감소합니다.핵분열 원자로는 수천 년 동안 방사성을 유지하는 폐기물을 생성하는 반면, (트리튬을 제외한) 핵융합 원자로의 방사성 물질은 원자로 노심 자체가 될 것이고 이 물질의 대부분은 약 50년 동안 방사성을 띠게 될 것이며, 다른 저준위 폐기물은 그 후 약 100년 동안 방사성을 띠게 될 것입니다.[117]핵융합 폐기물의 짧은 반감기는 장기 저장의 어려움을 없앱니다.500년이 되면 이 물질은 석탄재와 같은 방사능 독성을 갖게 될 것입니다.[109]그러나 저준위 폐기물이 아닌 중준위 폐기물로 분류될 경우 안전성에 대한 논의가 복잡해질 수 있습니다.[118][114]

물질의 선택은 특정 중성자 단면을 위해 많은 물질이 필요한 기존 핵분열보다 제한이 덜합니다.핵융합로는 방사능이 쉽게 생기지 않는 물질인 "저활성화"를 사용하여 설계할 수 있습니다.예를 들어, 바나듐스테인리스 스틸보다 훨씬 덜 방사성이 됩니다.[119]또한 탄소 섬유 재료는 활성도가 낮고, 강하고 가벼우며, 자기장이 필요 없는 레이저 불활성 원자로에 유망합니다.[120]

핵확산

일부 시나리오에서는 핵융합 전력 기술을 군사적 목적으로 재료를 생산하는 데 적용할 수 있습니다.거대한 양의 삼중수소는 핵융합 발전소에 의해 생산될 수 있습니다. 삼중수소는 수소 폭탄의 방아쇠와 현대의 승압 핵분열 무기에 사용되지만 다른 방식으로 생산될 수 있습니다.핵융합로에서 나오는 에너지가 강한 중성자는 핵무기급 플루토늄이나 원자폭탄용 우라늄을 생산하는 데 사용될 수 있습니다(예를 들어, U를 Pu로, Th를 U로 변환함으로써).

2011년에 수행된 연구는 다음과 같은 세 가지 시나리오를 평가했습니다.[121]

  • 소규모 핵융합소:농축 가스 원심분리기에 비해 훨씬 높은 전력 소비, 열 방출 및 보다 쉽게 인지할 수 있는 설계로 인해 이러한 선택은 훨씬 더 쉽게 감지할 수 있으므로 신뢰할 수 없습니다.[121]
  • 상업시설:생산 잠재력은 매우 큽니다.하지만 무기를 사용할 수 있는 물질의 생산에 필요한 어떤 비옥하거나 핵분열성 물질도 민간 핵융합 시스템에 존재할 필요가 전혀 없습니다.차폐되지 않은 경우, 이러한 물질의 검출은 특성 감마선에 의해 수행될 수 있습니다.기본적인 재설계는 정기적인 설계 정보 확인을 통해 파악할 수 있었습니다.고체 브리더 블랭킷 모듈(기술적으로 더 실현 가능한)의 경우, 유입되는 구성 요소에 대해 비옥한 물질이 있는지 검사해야 하며 [121]그렇지 않으면 매년 여러 무기용 플루토늄을 생산할 수 있습니다.[122]
  • 비밀에 관계없이 무기급 재료의 우선순위 결정:무기를 사용할 수 있는 재료를 생산하는 가장 빠른 방법은 민간 핵융합 발전소를 개조하는 것이었습니다.민간용으로 사용하는 동안에는 무기와 호환되는 재료가 필요하지 않습니다.비밀스러운 조치가 필요하지 않더라도, 이러한 수정은 생산을 시작하는 데 약 두 달이 걸리고 상당한 양을 생산하는 데 최소 일주일이 더 걸릴 것입니다.이는 군사적 이용을 감지하고 외교적 또는 군사적 수단으로 대응하기에 충분한 시간으로 여겨졌습니다.생산을 멈추려면 원자로를 제외한 채로 시설 일부를 군사적으로 파괴하는 것만으로도 충분할 것입니다.[121]

또 다른 연구는 "...대형 핵융합로는 핵분열성 물질 번식을 위해 설계되지 않았더라도 높은 무기 품질과 매우 낮은 원료 요구 조건으로 연간 수백 kg의 Pu를 쉽게 생산할 수 있다"고 결론지었습니다.고유 증식 저항성을 위한 기능의 구현은 연구 개발의 초기 단계에서만 가능하다고 강조했습니다.[122]수소 폭탄 설계에 필요한 이론적 및 계산적 도구는 관성 구속 융합에 필요한 도구와 밀접한 관련이 있지만 자기 구속 융합에는 거의 공통점이 없습니다.

연료비축

핵융합 발전은 일반적으로 중수소를 연료로 사용하는 것을 제안하며 현재 많은 설계도 또한 리튬을 사용합니다.핵융합 에너지 출력이 1995년 전 세계 전력 출력 약 100EJ/yr(= 1×10J/yr)와 같으며 미래에는 증가하지 않을 것이라고 가정하면 현재 알려진 리튬 매장량은 3000년 동안 지속될 것입니다.하지만 바닷물에서 나오는 리튬은 6천만 년 동안 지속될 것이고, 중수소만을 사용하는 더 복잡한 핵융합 과정은 1,500억 년 동안 연료를 갖게 될 것입니다.[123]이것을 맥락에 맞게 설명하자면, 1500억 년은 태양의 남은 수명의 30배에 가깝고,[124] 우주의 추정 나이의 10배 이상입니다.

경제학

유럽연합은 1990년대까지 거의 100억 유로를 지출했습니다.[125]ITER는 200억 달러 이상을 투자하고 있으며, 현물 출자를 포함하여 수백억 달러 이상을 투자하고 있습니다.[126][127]유럽 연합의 제6차 기본 프로그램에 따라 핵융합 연구는 7억 5천만 유로(ITER 자금 외에도)를 지원받았으며,[128] 이는 지속 가능한 에너지 연구의 경우 8억 1천만 유로를 지원받았기 때문에 단일 경쟁 기술보다 핵융합 전력에 대한 연구가 훨씬 앞섰습니다.미국 에너지부는 2020년을 정점으로 2010년부터 매년 미화 3억 6,700만~6억 7,700만 달러를 할당했으며,[129] 2021 회계연도 예산 요청에서 투자액을 미화 4억 2,500만 달러로 줄일 계획입니다.[130]이 예산의 약 4분의 1이 ITER 지원에 사용됩니다.

투자 규모와 타임라인 결과는 융합 연구가 거의 독점적으로 공공 자금을 지원받았다는 것을 의미합니다.그러나 최근 몇 년 동안 패러다임을 바꾸는 저탄소 에너지원을 상용화하겠다는 약속이 많은 기업과 투자자들을 끌어들였습니다.[131]약 2000년부터 2020년까지 약 10억 달러 이상의 스타트업 기업이 유치되었으며, 주로 2015년부터 2020년까지 약 10억 달러 이상의 자금을 유치했으며, 2021년에는 추가로 30억 달러의 자금 지원 및 마일스톤 관련 약속을 체결했으며,[132][133] Jeff Boses, Peter Thiel 및 Bill Gates 등의 투자자와 Legal & General 및 에너지 회사 등의 기관 투자자가 참여했습니다.에퀴노르, 에니, 셰브론,[134] 그리고 중국 ENN 그룹.[135][136][137]최근 민간 융합 기업들이 수십억 달러의 투자를 유치하고 있습니다.예를 들어, 2021년 커먼웰스 퓨전 시스템(CFS)은 18억 달러의 스케일업 자금을 확보했고, 헬리온 에너지는 마일스톤 달성에 17억 달러의 추가 비용과 함께 5억 달러를 확보했습니다.[138]

2000년대와 2010년대 초반에 개발된 시나리오들은 융합력의 상용화가 인류 문명의 미래에 미치는 영향에 대해 논의했습니다.[139]이들은 핵분열을 지침으로 삼아, ITER와 DEMO가 2050년경에 최초의 상업용 원자로를 온라인화하고 세기 중반 이후에 급속한 확장을 가져온 것으로 보았습니다.[139]일부 시나리오는 ITER를 넘어서는 단계로 "융합 핵 과학 시설"을 강조했습니다.[140][141]그러나 토카막 기반 핵융합 발전에 대한 경제적 장애는 여전히 막대하며, 이는 모든 종류의[142] 핵융합로에 영향을 미칠 문제인 [143]토카막 원자로 프로토타입에 자금을 지원하기 위한 투자와 새로운 공급망 개발을 필요로 합니다.[144]토카막 설계는 노동집약적인 것으로 보이며,[145] 관성융합에너지와 같은 대체품은 정부 자원이 부족하여 상용화 위험이 높습니다.[146]

2010년 이후의 시나리오는 2030-2040년 기간 내에 에너지 생산을 위한 영국 구형 토카막[147][141][148][149][150][151]같은 다양한 기술 경로를 따라 다단계 국가 또는 비용 공유 "퓨전 파일럿 플랜트"(FPP)를 가능하게 하는 컴퓨팅 및 재료 과학 발전에 주목합니다.[152][153][154]특히 2021년 6월, General Fusion은 세계 최초의 실질적인 민관 협력 융합 실증 플랜트를 Culham Centre for Fusion Energy에 유치하겠다는 영국 정부의 제안을 수락할 것이라고 발표했습니다.[155]이 공장은 2022년부터 2025년까지 건설될 예정이며 2025년 후반에 상업용 파일럿 플랜트를 선도할 예정입니다.이 공장은 풀 스케일의 70%를 차지할 것이며 1억 5천만도의 안정적인 플라즈마를 얻을 것으로 예상됩니다.[156]미국에서는 비용 공유 공공-민간 파트너십 FPP가 유력한 것으로 보이며,[157] 2022년 DOE는 민간 부문 주도의 팀이 FPP 사전 개념 설계를 제공하고 기술 로드맵을 정의하는 것을 상상하는 상업용 융합 에너지에 대한 대담한 데카달 비전의 중심으로 새로운 마일스톤 기반 융합 개발 프로그램을 발표했습니다.[158]그리고 FPP 설계를 위한 중요한 경로의 과학적, 기술적 문제를 해결하는 데 필요한 R&D를 추구합니다.[159]이러한 실증 플랜트를 기반으로 한 소형 원자로 기술은 초기 시장을 개척할 수 있다면 2030년대부터[160] 함대 접근 방식을 통해 상업화를 가능하게 할 수 있습니다.[154]

비핵 신재생 에너지의 광범위한 도입은 에너지 환경을 변화시켰습니다.이러한 재생 에너지는 2050년까지 전 세계 에너지의 74%를 공급할 것으로 예상됩니다.[161]신재생에너지 가격의 지속적인 하락은 핵융합 발전의 경제적 경쟁력에 도전합니다.[162]

풍력, 태양 에너지, 원자력 에너지를[163] 포함한 다양한 에너지원에 대한 레벨화된 에너지 비용(LCOE)

일부 경제학자들은 핵융합 전력이 다른 재생 에너지 비용과 비교할 수 없을 것이라고 말합니다.[162]핵융합 공장은 대규모의 창업과 자본 비용에 직면할 것으로 예상됩니다.또한 운영 및 유지보수에 많은 비용이 소요될 가능성이 높습니다.[162]중국 핵융합 공학 시험 원자로의 비용은 잘 알려지지 않았지만, EU DEMO 핵융합 개념은 $121/MWh의 수준화된 에너지 비용(LCOE)을 특징으로 할 것으로 예상되었습니다.[164]

연료비는 저렴하지만, 경제학자들은 1기가와트 발전소의 에너지 비용이 건설 자본 투자액이 10억 달러 증가할 때마다 1MWh당 16.5달러 증가할 것이라고 말합니다.쉽게 얻을 수 있는 리튬이 배터리를 만드는 데 사용될 위험도 있습니다.바닷물에서 그것을 얻는 것은 매우 비용이 많이 들고, 발생되는 에너지보다 더 많은 에너지가 필요할 수도 있습니다.[162]

이와는 대조적으로, 재생 가능한 레벨화된 에너지 비용은 상당히 낮습니다.예를 들어, 태양 에너지의 2019년 레벨화된 에너지 비용은 $40-$46/MWh, 호안풍은 $29-$56/MWh, 해상풍은 $92/MWh로 추정되었습니다.[165]

하지만 에너지와 환경정의에 대한 행정의 우선순위가 시장에 어떤 영향을 미치는지에 [154][162]따라 융합력은 재생에너지가 남긴 에너지 격차를 메우는 역할을 여전히 가질 수 있습니다.[138]2020년대에는 이러한 요소들을 고려하기 시작한 융합에 대한 사회경제학적 연구들이 등장하였고,[166] 2022년 EUROFusion은 이러한 요소들이 상용화 경로와 시간표에 어떤 영향을 미칠 수 있는지를 조사하기 위해 사회경제학적 연구 및 전향적 연구 개발 스트랜드를 출시했습니다.[167]마찬가지로, 2023년 4월 일본은 핵융합 산업화를 위한 국가 전략을 발표했습니다.[168]따라서, 융합 전력은 주요 에너지원이 되는 것이 아니라 다른 재생 에너지원과 함께 작동할 수 있습니다.[162]일부 응용 분야에서는 특히 통합 열 저장 및 열병합 발전을 포함하고 석탄 발전소의 개조 가능성을 고려할 경우 융합 전력이 기본 부하를 제공할 수 있습니다.[154][162]

규정

융합 파일럿 플랜트가 손이 닿는 곳까지 이동함에 따라 법적, 규제적 문제를 해결해야 합니다.[169]2020년 9월, 미국 국립과학원은 민간 핵융합 기업과 협의하여 국가 시범 공장을 검토했습니다.다음 달 미국 에너지부, 원자력규제위원회(NRC), 핵융합산업협회가 공동으로 공개 토론회를 열어 절차를 시작했습니다.[134]2020년 11월 국제원자력기구(IAEA)는 선량 규정 및 방사성폐기물 처리 등 안전기준[170] 마련을 위해 여러 국가들과 협력하기 시작했습니다.[170]2021년 1월과 3월에 NRC는 규제 프레임워크에 관한 공개 회의를 두 차례 개최했습니다.[171][172]2021년 12월 27일 H.R.133 통합 세출법에서 공공-민간 비용 분담 접근 방식이 승인되었으며, 이 법은 융합 실증 시설을 구축하기 위한 파트너십 프로그램에 대해 5년간 3억 2,500만 달러를 승인했으며, 민간 업계와 100% 일치했습니다.[173]이어서 영국 규제 호라이즌스 위원회는 영국을 핵융합 발전 상용화의 글로벌 리더로 자리매김하기 위해 2022년[174] 초까지 핵융합 규제 프레임워크를 요구하는 보고서를 발표했습니다.[175]영국 정부는 2021년 10월 퓨전 그린 페이퍼(Fusion Green Paper)와 퓨전 스트래티지(Fusion Strategy)를 발표하여 각각 퓨전을 규제하고 상업화했습니다.[176][177][178]그 후, 2023년 4월, 다른 원자력 규제 기관에 영향을 미칠 가능성이 있는 결정에서, NRC는 만장일치로 핵융합 에너지를 핵분열이 아닌 입자 가속기와 같은 규제 체제로 규제할 것이라고 발표했습니다.[179]

지정학

세계의 에너지 산업을 변화시키고 기후 변화를 완화하는 융합의 잠재력을 고려할 때,[180][181] 융합 과학은 전통적으로 평화 구축 과학 외교의 필수적인 부분으로 여겨져 왔습니다.[182][113]그러나 기술 발전과[183] 민간 부문의 참여로 지적재산권, 규제 행정, 글로벌 리더십,[180] 형평성, 잠재적 무기화에 대한 우려가 커지고 있습니다.[137][184]이로 인해 ITER의 평화 구축 역할에 도전하게 되었고, 글로벌 위원회에 대한 요구로 이어졌습니다.[184][185]2050년까지 기후 변화에 상당한 기여를 하는 핵융합 발전은 상당한 돌파구와 우주 경쟁 심리가 대두되지 않는 한 가능성은 낮아 보이지만, 기술 경로의 종류와 특히 비용에 따라 그 정도가 달라질 수 있는 2100년까지 기여가 가능할 것으로 보입니다.[148][186][187][188]

2020년 후반 이후의 발전은 미국과 중국[45], 영국의 STEP FPP를 상대로 복수의 참가자가 있는 "새로운 우주 경쟁"에 대한 이야기로 이어졌습니다.[189][190]9월 24일, 미국 하원은 연구 및 상업화 프로그램을 승인했습니다.Fusion Energy Research 섹션은 NASA의 COTS 프로그램을 모델로 한 이정표 기반의 비용 분담 공공-민간 파트너십 프로그램을 통합하여 상업 우주 산업을 시작했습니다.[134]2021년 2월, 미국 국립 아카데미는 2035-2040년에 시장 주도의 비용 분담 공장을 추천하는 '브링 퓨전(Bring Fusion)'을 출판했고,[191][192][193] 의회 초당파 퓨전 코커스(Congression Passivan Fusion Coaccus)의 시작이 이어졌습니다.[194]

2020년 12월, 독립적인 전문가 패널이 EURFusion의 DEMO에 대한 설계 및 R&D 작업을 검토했으며, EURFusion은 Roadmap to Fusion Energy를 진행하고 있음을 확인하고 유럽 핵융합 커뮤니티와 협력하여 DEMO의 개념적 설계를 시작했으며, EU의 지원을 받는 기계가 경쟁에 뛰어들었음을 시사했습니다.[195]

이점

핵융합 발전은 주어진 무게의 연료에 대해 현재 사용되는 어떤 연료 소모성 에너지원보다 더 많은 에너지를 제공할 것을 약속합니다.[196]바다에는 연료(주로 중수소)가 풍부하게 존재합니다: 바닷물에 있는 수소 원자 6500개 중 1개가 중수소입니다.[197]비록 이것이 약 0.015%에 불과하지만, 바닷물은 풍부하고 접근하기 쉬우며, 이는 융합이 수 백만 년 동안 세계의 에너지 수요를 공급할 수 있다는 것을 암시합니다.[198][199]

1세대 핵융합 발전소는 중수소-삼중수소 연료 사이클을 사용할 것으로 예상됩니다.이를 위해서는 삼중수소의 번식을 위해 리튬을 사용해야 합니다.배터리 및 야금 산업뿐만 아니라 이러한 필요성을 공급하기 위해 전 세계 리튬 공급이 얼마나 오래 지속될지는 알 수 없습니다.2세대 식물들은 더 강력한 중수소-중수소 반응으로 옮겨갈 것으로 예상됩니다.중수소-헬륨-3 반응도 관심의 대상이지만, 가벼운 헬륨 동위 원소는 사실상 지구상에 존재하지 않습니다.이 행성은 달의 규장석에 유용한 양으로 존재하는 것으로 생각되며, 가스 거대 행성의 대기에 풍부합니다.

융합력은 태양계[200][201] 내에서 소위 "심층 공간" 추진과 반물질-융합 하이브리드 드라이브를 포함하여 태양 에너지를 이용할 수 없는 성간 우주 탐사에 사용될 수 있습니다.[202][203]


단점들

핵융합력에는 여러 가지 단점이 있습니다.중수소와 삼중수소에 의해 연료가 공급되는 원자로의 에너지의 80%가 중성자 흐름의 형태로 나타나기 때문에, 그러한 원자로는 핵분열 원자로의 많은 단점을 공유합니다.여기에는 대량의 방사성 폐기물 발생과 원자로 구성요소에 대한 심각한 방사선 손상이 포함됩니다.또한, 자연적으로 발생하는 삼중수소는 매우 드물습니다.핵융합로가 자체 삼중수소를 번식시킬 수 있기를 바라지만 삼중수소 자급은 매우 어려운 일이며, 삼중수소가 포함되기 어렵기 때문이기도 합니다(미국의[204] 65개 핵 사이트 중 48개에서 삼중수소가 누출됨).어떤 경우에도 예비 및 시운전 삼중수소 재고 요건은 허용할 수 없을 정도로 클 가능성이 높습니다.[205]

중수소 연료만을 사용하여 원자로를 작동시킬 수 있다면 삼중수소 보충 문제가 제거되고 중성자 방사선 손상을 줄일 수 있습니다.그러나 중수소-중수소 반응의 확률은 중수소-삼중수소보다 약 20배 낮습니다.또한 필요한 온도는 중수소-트리튬보다 약 3배 높습니다(단면 참조).따라서 높은 온도와 낮은 반응 속도는 엔지니어링 과제를 상당히 복잡하게 만듭니다.어떤 경우에도, 다른 단점이 남아 있습니다. 예를 들어, 중수소 연료만 필요로 하는 원자로는 핵무기 확산 가능성을 크게 높일 것입니다.

역사

The UK claimed that it had gotten fusion first in 1957 on ZETA, but this claim had to later be withdrawn.
영국은 1957년 제타에서 처음 핵융합을 일으켰다고 주장했지만, 이 주장은 나중에 철회되어야 했습니다.

핵융합력의 역사는 20세기 초 별들이 어떻게 스스로 힘을 내는가에 대한 연구로 시작되었고 물질과 에너지의 본질에 대한 광범위한 연구를 포함하기 위해 확장되었고, 잠재적인 응용 분야는 전쟁, 로켓 추진, 에너지 생산 등으로 확장되었습니다.핵융합으로 전기를 생산하는 것은 지난 50년 동안 미래에 30년이 될 것으로 예측되어 왔고, 아직도 그렇게 멀었을 수도 있습니다.[206]

역사는 핵물리학에 대한 조사와 적절한 물질과 연료를 확인하는 것에서부터 가열과 구속 기술을 개선하는 것에 이르는 엔지니어링 과제의 병행 탐구의 복잡한 혼합물입니다.

핀치 머신 내부의 플라즈마 초기 사진(임페리얼 칼리지 1950-1951)

핵융합력에 대한 탐구는 처음부터 여러 궤도를 따라 진행되었습니다.아직 극복하지 못한 장애물에 부딪히면서 핀치 디자인과 같은 궤적은 멀어져 갔습니다.생존자들은 토카막과 스텔라레이터와 같은 자기 구속 접근법과 레이저와 정전 구속과 같은 ICF 장치 접근법을 포함합니다.

인간이 만든 최초의 성공적인 핵융합 장치는 1951년 온실 항목 실험에서 시험된 부스팅 핵분열 무기였습니다.최초의 진짜 핵융합 무기는 1952년의 아이비 마이크였고, 최초의 실용적인 예는 1954년의 캐슬 브라보였습니다.

1950년대

제어된 열핵융합에 최초로 도달한 기계는 1958년 초 로스앨러모스 국립연구소의 실라 I라고 불리는 핀치머신이었습니다.이를 달성한 팀은 제임스 터크라는 영국 과학자가 이끌었고 젊은 마샬 로젠블루스도 포함되어 있었습니다.터크는 맨하탄 프로젝트에 참여했지만 1950년대 초 퓨전 작업으로 전환했습니다.그는 라이먼 스피처와 함께 핵융합로를 개발하기 위해 백악관이 후원하는 대회의 일환으로 이 프로젝트에 자금을 지원했습니다.스피처는 프린스턴 대학교에서 스텔라레이터의 개념을 개발했습니다.그 전해인 1957년, 영국은 제타 핀치 머신에서 열핵융합 반응을 달성했다고 주장했습니다.하지만 이것은 그들이 발견한 중성자들이 핵융합이 아닌 빔-타겟 상호작용에서 나온 것으로 밝혀졌고, 영국은 당황스럽게 이 주장을 철회해야만 했습니다.

스키알라 1세는 당시 기밀 기계였기 때문에 인류가 대량으로 제어된 핵융합을 입증했다는 사실은 대중에게 숨겨졌습니다.전통적인 Z-핀치는 전류를 플라즈마의 중심 아래로 통과시키고, 이것은 외부 주위에 자기력을 만들어 플라즈마를 핵융합 조건으로 압축시킵니다.실라는 이 기본적인 아이디어에 대한 반전이었습니다. 그것은 θ 핀치였고, 전류를 외부로 전달하여 중앙에 자기력을 만드는 것이었습니다. 실라 1은 중수소로 가득한 실린더를 가진 θ 핀치 기계였습니다.실라-1이 성공한 후 로스 알라모스는 그 후 몇 년 동안 여러 대의 핀치 머신을 만들었습니다.하지만 핀치의 문제는 많은 불안정성 때문에 핀치가 불안정하다는 것이었습니다.

이 기간 동안 많은 융합 접근법이 병행되어 추진되었고 프린스턴은 Stellarator 연구의 중심지로 부상했습니다.라이먼 스피처가 개척했습니다.핵융합이 즉각적으로 일어나지는 않았지만, 그 노력은 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소의 설립으로 이어졌습니다.[207][208]

토카막

토카막의 개념은 1950년에서 1951년 사이에 I.E.로부터 유래되었습니다. 과 A.D. 소련사하로프.토카메이커는 저전력 핀치 장치와 저전력 스텔라레이터를 기본적으로 결합했습니다.[182]

A.D. 사하로프의 그룹은 최초의 토카막을 만들었고, 최초의 준정형 핵융합 반응을 달성했습니다.[209]:90

관성 구속

1960년 레이저가 발명된 직후인 1962년 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)의 과학자들에 의해 레이저 융합이 제안되었습니다.관성 구속 융합(레이저를 이용한) 연구는 일찍이 1965년에 시작되었습니다.

Shiva laser, 1977, 70년대에 만들어진 가장 큰 ICF 레이저 시스템
1979년 Tandem Mirror Experiment (TMX)

LLNL에는 여러 레이저 시스템이 구축되었습니다.이것들은 아르구스, 사이클롭스, 야누스, 긴 , 시바 레이저, 노바를 포함했습니다.[210]

레이저 발전에는 적외선 레이저 빔을 자외선 빔으로 변환하는 주파수 세배 결정과 단일 파장을 증폭한 후 하나의 주파수로 재구성할 수 있는 전체 스펙트럼으로 변경하는 "치핑"이 포함되었습니다.[211]레이저 연구는 또한 1980년대에 10억 달러 이상을 소비하면서 돈을 소비했습니다.[212]

진화

시간이 지남에 따라 비원형 플라즈마, 내부 방향 전환기 및 제한기, 초전도 자석, 안정성 증가의 소위 "H-모드" 섬에서의 작동,[213] 진공 챔버 내부에 자석이 있는 소형 토카막을 포함하는 "첨단 토카막" 개념이 등장했습니다.[214][215]

마그네틱 미러는 여기에 있는 야구 코일과 같은 높은 전력과 복잡한 마그네틱 디자인을 요구하는 엔드 손실을 겪었습니다.
시바 프로젝트에서 재사용된 노벳 타겟 챔버(진단장치가 방사상으로 돌출된 금속구)와 두 개의 새로 지어진 레이저 체인이 배경으로 보입니다.
1980년대 Nova 레이저에 대한 관성 구속 핵융합 내폭은 핵융합 발전의 핵심 동력이었습니다.

1980년대

Tore Supra, JET, T-15, JT-60 토카막은 1980년대에 만들어졌습니다.[216][217]1984년 ORNL의 마틴 펭은 반지름이 훨씬 작은 구형 토카막을 제안했습니다.[218]중앙에 하나의 큰 전도체를 사용했고, 자석을 이 전도체의 반고리로 사용했습니다.종횡비가 1.2까지 떨어졌습니다.[219]:B247[220]:225Peng의 옹호는 Small Tight Aspect Ratio Tokamak, (START)을 만든 Derek Robinson의 관심을 끌었습니다.[219]

1990년대

1991년 유럽 공동 토러스의 예비 삼중수소 실험은 세계 최초로 핵융합력의 제어 방출을 달성했습니다.[221]

1996년, Tore Supra는 거의 100만 암페어의 전류, 총 280 MJ의 주입 및 추출 에너지로 2분 동안 플라즈마를 만들었습니다.[222]

1997년, JET는 최대 16.1 MW의 융합 전력(플라즈마에 대한 열의 65%)을 생산했으며,[223] 10 MW 이상의 융합 전력은 0.5초 이상 지속되었습니다.[224]

2000년대

메가 암페어 구형 토카막은 1999년에 영국에서 가동되기 시작했습니다.

"빠른 점화"[225][226]는 전력을 절약하고 ICF를 에너지 생산 경쟁 속으로 옮겼습니다.

2006년 중국 EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak) 시험용 원자로가 완공되었습니다.[227]토카막은 최초로 초전도 자석을 사용하여 토로이드와 폴로이드 장을 동시에 생성했습니다.

2009년 3월, 레이저 구동 ICFNIF가 가동되기 시작했습니다.[228]

2000년대 들어 TAE테크놀로지스,[229] 제너럴퓨전,[230][231] 토카막에너지 등 민간이 지원하는 퓨전 기업들이 경쟁에 뛰어들었습니다.[232]

2010년대

국립 점화 시설의 예비 증폭기들입니다.2012년 NIF는 500 테라와트급 사격을 달성했습니다.
Wendelstein 7X가 건설 중입니다.
스텔라레이터 설계의 예:코일 시스템(파란색)이 플라즈마(노란색)를 둘러싸고 있습니다.자기장 선은 노란색 플라즈마 표면에서 녹색으로 강조 표시됩니다.

민간 및 공공 연구는 2010년대에 가속화되었습니다.제너럴 퓨전은 플라즈마 인젝터 기술을 개발했고 트라이 알파 에너지는 C-2U 장치를 테스트했습니다.[233]프랑스 레이저 메가줄이 작동을 시작했습니다.NIF는 2013년에 전체 목표가 아닌 붕괴된 목표의 핵심에서 핫 스팟으로 매우 제한적인 의미에서 정의된 순 에너지 증가를[234] 달성했습니다.[235]

2014년 피닉스 연구소는 24시간 동안 초당 5×10개의11 중수소 핵융합 반응을 지속할 수 있는 고수익 중성자 발전기를 판매했습니다.[236]

2015년에 MITARC 융합 원자로라고 이름 붙인 토카막을 발표했는데, 희토류 바륨-구리 산화물(REBCO) 초전도 테이프를 사용하여 고자장 코일을 생산했는데, 이 코일은 다른 설계보다 작은 구성에서 비슷한 자기장 강도를 낼 수 있다고 주장했습니다.[237]

지난 10월, 독일 그라이프스발트에 있는 막스 플랑크 플라즈마 물리학 연구소의 연구원들은 지금까지 발견된 것 중 가장 큰 항성Wendelstein 7-X (W7-X)를 완성했습니다.W7-X 항성은 2015년 12월 10일 1단계(OP1.1)를 시작하여 헬륨 플라즈마를 성공적으로 생성했습니다.[238]목적은 중요한 시스템을 테스트하고 기계의 물리학을 이해하는 것이었습니다.2016년 2월, 수소 플라즈마는 1억 켈빈까지 도달했습니다.초기 테스트에서는 5개의 흑연 제한기를 사용했습니다.2,000개 이상의 펄스와 중요한 이정표를 달성한 후 OP1.1은 2016년 3월 10일에 종료되었습니다.이후 업그레이드가 이루어졌고 2017년 OP1.2는 냉각되지 않은 방향전환기를 테스트하는 것을 목표로 했습니다.2018년 6월에는 기록적인 기온에 도달했습니다.W7-X는 2018년 말까지 주목할 만한 발전을 이루면서 리미터 및 섬 방향 전환기 테스트로 첫 캠페인을 마무리했습니다.[239][240][241]그것은 곧 30분까지 지속되는 헬륨과 수소 플라즈마를 만들어냈습니다.[242]

2017년 헬리온 에너지의 5세대 플라즈마 기계가 가동에 들어갔습니다.[243]영국 토카막 에너지의 ST40은 '최초의 플라즈마'를 생산했습니다.[244]다음 해, Eni는 MIT의 ARC 기술을 상용화하기 위해 Commonwealth Fusion Systems에 5천만 달러를 투자한다고 발표했습니다.[245][246][247][248]

2020년대

2021년 1월, SuperOx는 700A/mm2 이상의 전류 능력을 가진 새로운 초전도 와이어의 상용화를 발표했습니다.[249]

TAE Technologies는 Norman 기기에 대한 결과를 발표했는데, 30밀리초 동안 약 60MK의 온도를 유지했는데, 이는 회사의 이전 기기보다 각각 8배와 10배 높은 온도입니다.[250]

지난 10월 옥스퍼드에 본사를 둔 퍼스트 라이트 퓨전(First Light Fusion)은 9메가암페어의 전기 펄스에 의해 가속되어 초당 20킬로미터의 속도를 내는 융합 목표물을 향해 알루미늄 디스크를 발사하는 발사체 융합 프로젝트를 발표했습니다.핵융합은 에너지가 열로 포획되는 중성자를 생성합니다.[251]

11월 8일,[252] 국립 점화 시설은 2021년 8월 8일, 제63회 플라즈마 물리학부 연례 회의 초청 강연에서 ICF 프로그램의 60년 이상 역사상 처음으로 실험실에서 핵융합 점화를 유발했다고 주장했습니다[253].[254][255]이 사진을 통해 1.3 MJ의 융합 에너지를 얻었으며, 이는 2021년 봄에 수행된 테스트보다 8배 이상 향상된 수치입니다.[253]NIF는 230 kJ의 에너지가 연료 캡슐에 도달했으며, 이로 인해 캡슐에서 거의 6배의 에너지가 방출된 것으로 추정하고 있습니다.[253]임페리얼 컬리지 런던의 한 연구원은 현장의 대부분이 점화가 입증되었다고 동의했다고 말했습니다.[253]

2021년 11월, 헬리온 에너지는 순 전력 생산을 시연하도록 설계된 7세대 폴라리스 장치에 대한 시리즈 E 자금 5억 달러를 지원받았다고 보고했으며,[256] 코먼웰스 퓨전 시스템즈는 시리즈 B 자금 18억 달러를 추가로 지원했습니다.SPARC 원자로를 건설하고 운영하는 것은 민간 핵융합 회사에 투자한 것 중 가장 큰 규모입니다.[257]

2022년 4월, 퍼스트 라이트는 극초음속 발사체 핵융합 원형이 핵융합과 호환되는 중성자를 만들어냈다고 발표했습니다.그들의 기술은 연료 알갱이가 있는 곳에서 마하 19로 발사체를 전자기적으로 발사합니다.중수소 연료는 마하 204에서 압축되어 100 Tpa의 압력 수준에 도달합니다.[258]

2022년 12월 13일, 미국 에너지부는 국가 점화 시설의 연구원들이 핵융합 반응을 통해 순 에너지 이득을 얻었다고 발표했습니다.설비에서 수소연료의 반응으로 약 3.15 MJ의 에너지가 발생하고, 2.05 MJ의 투입량을 소비했습니다.그러나 핵융합 반응으로 3메가줄 이상의 에너지가 생성되었을 수도 있지만, 목표물에 전달된 에너지보다 더 많은 에너지가 생성되었을 수 있습니다.NIF의 192개 레이저는 변환 과정에서 322 MJ의 그리드 에너지를 소비했습니다.[259][2][260][261]

2023년 5월, 미국 에너지부(DOE)는 융합 발전소 설계 및 연구 활동을 지원하기 위해 7개 주 8개 기업에 4,600만 달러의 보조금을 지급했습니다.마일스톤 기반 핵융합 개발 프로그램에 따른 이 자금 지원은 10년 내에 시범 규모의 핵융합을 입증하고 2050년까지 탄소 중립 에너지원으로 핵융합을 개발하려는 목표와 일치합니다.허가를 받은 회사들은 향후 5-10년 내에 실행 가능한 융합 파일럿 플랜트 설계를 개발하기 위한 과학적, 기술적 과제를 해결해야 합니다.수혜 기업은 커먼웰스 퓨전 시스템즈, 포커스 에너지 주식회사, 프린스턴 스텔라레이터 주식회사, 리얼타 퓨전 주식회사, 토카막 에너지 주식회사,Type One Energy Group, Xcimer Energy Inc., Zap Energy Inc.[262]

기록.

핵융합 기록은 계속해서 발전하고 있습니다.

기록.
도메인 연도 기록. 장치 메모들
플라즈마 온도 2012 1.8x10K9 포커스-퓨전[263][264] 1
핵융합력 1997 1.6x10W7 제트[265]
토카막 핵융합 에너지 2022 5.9x107 J 제트[266] 1997년 기록보다 전반적인 에너지가 증가했지만 지속적인 길이에 초점이 맞춰짐에 따라 전력은 감소했습니다.
ICF 핵융합 에너지 2022 3.15x10J6 NIF[260] 2.05 메가 줄(MJ)의 빛 에너지를 대상에 전달하여 apr에서 3.15 MJ의 융합 에너지 출력을 얻습니다.레이저를 구동하기 위한 400 MJ 전기 에너지.
ICF 주사율 2013 3주동안 300만개의 샷 해군연구소는 가스를 이용한 레이저 시스템으로 이를 입증했습니다.[267][failed verification]
플라즈마 압력 2016 2.1x10Pa5 알카토르 C-모드[268]
로손 기준 2013 1.53x10eV24·s/m3 JT-60.[269][270]
핵융합 에너지 이득인자 2022 1.54 NIF[260]
구속 시간(필드 반전 구성) 2016 3x10s−1 프린스턴 필드 반전 구성[271] 융해가 관측되지 않았습니다.
구속시간(스텔라레이터) 2019 >1x10초2 웬델슈타인 7-X[272][273]
감금시간(토카막) 2022 >1x10초3 EAST[274]
감금 시간 x 온도(토카막) 2021 1.2x10K10·s EAST[275]
베타. 1998 0.4 작은 타이트 애스펙트비 토카막[276]
온도(콤팩트 구형 토카막) 2022 1x10K8 토카막 에너지[277]
온도 x 시간 (토카막) 2021 3x10K9·s 케이스타[278]

참고 항목

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서지학

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