꿈의 에너지 인공태양

핵융합 장치를 인공태양이라 부르곤 한다. 원리는 비슷하지만 조건은 크게 다르다.

태양과 다른 점

태양의 중심 온도는 약 1,500만 도다. 지구의 핵융합 장치는 1억 도 이상을 목표로 한다. 더 높은 온도가 필요한 이유는 밀도 때문이다.

태양은 자체 중력으로 물질을 극도로 압축한다. 밀도가 매우 높으므로 개별 반응의 확률이 낮아도 전체 반응량이 충분하다. 실제로 태양 중심의 단위 부피당 발열량은 생각보다 작다.

지구에서는 그런 압축이 불가능하다. 밀도가 낮은 것을 온도로 보충해야 한다. 그래서 더 뜨거워야 한다.

무엇을 태우는가

태양은 수소 원자핵 넷이 헬륨 하나로 바뀌는 과정을 거친다. 이 과정의 첫 단계는 확률이 극히 낮아 지구에서 쓸 수 없다.

대신 중수소와 삼중수소를 쓴다. 이 조합이 상대적으로 낮은 온도에서 반응하고 반응률이 높다.

중수소는 바닷물에서 얻을 수 있다. 삼중수소는 자연에 거의 없어 장치 안에서 만들어야 한다. 반응에서 나온 중성자를 리튬에 쪼여 삼중수소를 생성하는 방식이 계획돼 있다. 이 과정이 실제로 필요한 만큼 작동할지는 아직 실증되지 않았다.

자기장으로 가두다

1억 도의 물질은 어떤 용기에도 담을 수 없다. 닿는 순간 벽이 녹고 플라스마는 식는다.

해법은 자기장이다. 플라스마는 전하를 띤 입자들의 집합이므로 자기장에 반응한다. 하전 입자는 자기력선을 감고 도는 나선 운동을 하므로, 자기력선을 고리 모양으로 닫으면 입자가 빠져나가지 못한다.

토카막은 도넛 모양의 진공 용기에 코일을 감아 이 구조를 만든다. 고리 방향의 자기장만으로는 입자가 위아래로 밀려나므로, 플라스마 자체에 전류를 흘려 추가 자기장을 만든다. 두 자기장이 합쳐져 나선형 자기력선이 된다.

스텔러레이터는 다른 방식이다. 코일을 복잡한 형태로 비틀어 감아, 플라스마에 전류를 흘리지 않고도 나선형 자기장을 만든다. 설계와 제작이 어렵지만 운전이 안정적이라는 장점이 있다.

얼마나 왔나

핵융합 연구에서 쓰는 지표는 투입한 에너지 대비 얻은 에너지의 비다.

자기 가둠 방식에서는 이 값이 1을 넘긴 사례가 아직 없다. 다만 플라스마를 오래 유지하는 기록은 계속 갱신되고 있다. 수백 초 단위의 유지가 보고됐다.

다른 방식인 관성 가둠에서는 연료 캡슐에 투입된 에너지보다 많은 에너지가 나온 결과가 보고됐다. 다만 이는 캡슐 기준이며, 장치 전체가 소비한 전력을 포함하면 여전히 적자다.

남은 공학 과제

물리적으로 가능하다는 것과 발전소를 짓는 것은 다르다.

반응에서 나오는 중성자는 전하가 없어 자기장에 붙잡히지 않는다. 벽에 그대로 부딪혀 재료를 손상시키고 방사화한다. 수년간 견디는 벽 재료를 찾는 것이 큰 과제다.

삼중수소를 장치 안에서 충분히 생산하는 문제, 발생한 열을 전기로 바꾸는 계통을 갖추는 문제도 남아 있다.