재료 과학
일상 금속으로 미래를 구동하다
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핵융합 연구에는 플라즈마뿐 아니라 텅스텐, 구리, 리튬 같은 재료도 중요합니다. 이러한 재료는 미래 원자로 개발에 기여할 수 있지만, 상업적 핵융합 발전이나 무한한 청정에너지가 이미 실현되었다는 뜻은 아닙니다.
텅스텐 구성품을 갖춘 WEST의 6분 플라즈마 펄스
2024년 보고된 실험에서 프랑스의 WEST는 약 5천만 °C 플라즈마를 6분간 유지했습니다. 투입량은 1.15기가줄의 에너지이며, 기가줄은 전력 단위가 아닙니다. 이전 WEST 실험과 비교한 밀도와 에너지 투입 개선은 순전력 생산을 뜻하지 않습니다.
WEST는 프랑스 CEA가 운영하며, 장시간 플라즈마 운전 과제를 다루는 IAEA의 CICLOP 협력에 참여합니다. 미국 에너지부 산하 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)도 WEST 및 CICLOP와 협력합니다.
“우리는 새로운 에너지원을 제공해야 하며, 그 원천은 지속적이고 영구적이어야 합니다. 아름다운 결과입니다. 이 텅스텐 벽으로 인한 어려운 환경에서도 우리는 정상적인 상태에 도달했습니다.”
– CEA 과학자이자 CICLOP 의장인 Xavier Litaudon
핵융합 기본
핵융합은 가벼운 원자핵이 결합하면서 에너지를 방출하는 과정입니다. 자기밀폐 연구에서는 연료를 플라즈마로 만들고 충분한 온도·밀도·밀폐 조건을 확보하려 합니다. 모든 충돌이 융합으로 이어지는 것은 아닙니다.
토카막은 강한 자기장으로 플라즈마를 고리 모양 공간에 가둡니다. 미래 발전소는 전체 설비가 소비하는 에너지보다 많은 유용한 에너지를 제공해야 합니다. 운전 중 낮은 탄소 배출 가능성은 있지만, 연료·재료·안전·유지보수·경제성 과제가 남아 있습니다.
장시간 뜨겁고 안정적인 플라즈마를 유지하는 것은 어려운 과제입니다. 벽 재료는 연료 잔류와 플라즈마 불순물에 영향을 줍니다. 탄소가 연료를 많이 붙잡는 문제가 있어 금속 구성품을 연구하지만, 다른 토카막 대부분이 현재 모두 탄소 벽을 쓴다는 뜻은 아닙니다.
WEST의 텅스텐 벽: 원자로에 적합한 진보
WEST는 플라즈마를 향하는 구성품에 텅스텐을 사용합니다. 텅스텐은 탄소보다 연료를 적게 보유할 수 있지만, 플라즈마에 소량의 불순물로 들어가도 강한 복사 냉각을 일으킬 수 있습니다. PPPL의 Luis Delgado-Aparicio는 다음과 같이 설명했습니다.
“텅스텐 벽 환경은 탄소를 사용하는 것보다 훨씬 더 도전적입니다. 이는 단순히 집에서 새끼 고양이를 잡으려는 것과 가장 사나운 사자를 쓰다듬으려는 것의 차이와 같습니다.”
텅스텐 구성품을 사용한 6분 펄스는 중요한 성과지만, 이전의 흑연 구성품 장치 Tore Supra보다 두 배 길지는 않습니다. PPPL의 설명에 따르면 Tore Supra의 이전 펄스가 조금 더 길었습니다. 서로 다른 재료와 운전 조건을 펄스 길이만으로 비교해서는 안 됩니다.
새로운 X-레이 진단이 돌파구를 열다
PPPL은 DECTRIS의 검출기 기술을 이용해 여러 에너지 대역에서 측정하는 연질 X선 진단 시스템 ME-SXR을 WEST에 맞게 개발·적용했습니다. 완성된 PPPL 진단 시스템 전체를 DECTRIS가 제작했다는 의미는 아닙니다.
“PPPL의 고급 프로젝트 부서에 있는 X-레이 팀은 전 세계 토카막과 스텔라레이터를 위한 이러한 혁신적인 도구들을 모두 개발하고 있습니다.”
– Delgado-Aparicio, PPPL 고급 프로젝트 책임자
일반적으로 핵융합 진단은 하나 또는 두 개의 X-레이 에너지 레벨을 사용합니다. PPPL의 ME-SXR은 11~18 keV 사이의 8개 에너지 레벨을 동시에 측정합니다. 이 범위는 플라즈마 중심에 대한 명확한 데이터를 제공하면서 라디오 주파수 가열 파에 의한 간섭을 배제합니다.
각 에너지 대역의 복사 세기를 비교해 전자 온도와 텅스텐 불순물 농도를 추정합니다. 모델과 교정이 필요한 진단이며, 금속 벽을 사용하는 장시간 운전 조건을 이해하는 데 도움이 됩니다. WEST의 Rémi Dumont는 말했습니다.
“이 시스템은 에너지 구분 기능을 갖춘 최초의 장치입니다. 정말 놀랍습니다. 이러한 새로운 측정을 통해 우리는 플라즈마 내부의 텅스텐을 측정하고 벽에서 중심부로의 텅스텐 이동을 이해할 수 있게 될 것입니다.”
기록 결과가 원자로 개발의 문을 열다
연구팀은 코어 전자 온도가 약 4~4.5킬로전자볼트(keV), 즉 약 4,600만~5,200만 K에 해당한다고 보고했습니다. 원문의 kV는 전압 단위로, 온도의 에너지 척도인 keV와 다릅니다. 펄스 동안 온도와 불순물 분포의 안정성을 조사했습니다.
이러한 발견은 CEA 과학자들의 고급 시뮬레이션으로도 입증되었습니다. Litaudon에 따르면:
“이 에너지 구분 카메라는 분석 측면에서 새로운 길을 열 것입니다. 이러한 진단 덕분에 우리는 이 문제를 이해하고 측정 및 시뮬레이션 모두에서 물리학의 근본 원인에 접근할 수 있습니다.”
PPPL과 WEST는 온도와 텅스텐 불순물 제어를 더욱 향상시켜 더 길고 안정적인 운전을 가능하게 하려는 목표를 가지고 있습니다. 또한 PPPL은 전 세계 토카막에 ME-SXR 기술을 공유하여 원자로 관련 연구를 가속화하고 있습니다.
“ME-SXR은 PPPL이 CEA/WEST에 제공하는 보다 광범위한 진단 기여의 일부에 불과합니다. 이 협력은 우리에게 큰 도움이 됩니다. 이러한 진단 조합을 통해 우리는 플라즈마를 매우 정확하게 측정하고 실시간으로 제어할 수 있게 될 것입니다.”
– Dumont
일상 금속이 핵융합에 힘을 주다: 텅스텐, 구리, 리튬
플라즈마가 주목받는 동안, 핵융합의 미래는 보다 실질적인 구성 요소에도 달려 있습니다. 세 가지 금속이 필수적인 역할을 하고 있습니다: 텅스텐, 구리, 그리고 리튬.
텅스텐의 녹는점은 약 3,422°C로 금속 중 가장 높습니다. 모든 원소 중 최고라는 표현은 부정확합니다. 또한 벽이 5천만 도 플라즈마와 같은 온도가 되는 것은 아니며, 표면 열유속과 냉각을 고려해야 합니다. 중국의 Xiamen Tungsten Co., Ltd.는 텅스텐 생산업체 중 하나입니다.
Xiamen Tungsten의 2023년 매출은 약 393억 9,800만 위안으로 18.30% 감소했고, 주주 귀속 순이익은 약 16억 200만 위안으로 10.75% 증가했습니다. 기존 번역의 순이익 160.2억 위안은 규모가 잘못된 수치입니다. 회사의 실적은 광범위한 재료 사업에 달려 있으며 핵융합 수요만으로 결정되지 않습니다.
구리는 전기·열 전도성이 높아 일부 코일, 버스바와 열관리 장치에 유용합니다. 초전도 자석 등에는 다른 재료도 사용되므로 모든 부품을 구리로 설명해서는 안 됩니다.
Freeport-McMoRan Inc. (FCX) (FCX )는 2023년 매출 약 228억 5,500만 달러와 보통주주 귀속 순이익 약 18억 4,800만 달러를 기록했습니다. 원문의 246억 달러와 42억 달러는 해당 연도의 정확한 수치가 아닙니다. 향후 실적은 금속 가격, 생산량, 비용과 투자에 좌우됩니다.
리튬은 가장 가벼운 금속입니다. 미래 중수소·삼중수소 원자로에서는 중성자와 리튬의 핵반응을 통해 삼중수소를 생산할 수 있습니다. 이는 배터리의 전기화학적 역할과 다른 핵물리적 기능입니다. Albemarle Corporation (ALB) (ALB )는 2023년 연간 매출이 전년 대비 31% 증가한 96억 2,000만 달러로 사상 최대치를 기록했다고 발표했습니다.
ALB 가격 차트
Albemarle의 에너지 저장 부문 판매량은 2023년 약 35% 증가했습니다. 증설과 공급 확대가 기여한 반면 연말에는 리튬 가격 하락이 부담이었습니다. 판매량 증가가 수익성이나 주가 상승을 보장하지는 않습니다.
핵융합의 발전으로 일부 특수 재료 수요가 늘 가능성은 있지만 규모와 시기는 불확실합니다. 전체 금속 시장은 다른 산업 수요와 공급의 영향도 받습니다.
선구적인 파트너십이 진보에 힘을 주다
협력에는 CEA의 토카막 운전 경험, PPPL의 진단 기술과 DECTRIS의 검출기가 결합되어 있습니다. WEST는 텅스텐 구성품으로 긴 펄스를 연구하는 중요한 시설이지만, 모든 맥락에서 세계 유일의 금속 벽 장치라고 할 수는 없습니다.
X-레이 검출기 분야의 세계적인 선두주자인 DECTRIS는 PPPL이 새로운 ME-SXR에 적용한 핵심 기술을 제공했습니다. DECTRIS 영업 담당 부장 Nicolas Pilet에 따르면:
“플라즈마 핵융합 커뮤니티는 하이브리드 광자 카운팅 기술을 사용해 플라즈마 동역학을 모니터링하는 최초의 그룹 중 하나였습니다. 우리는 우리 제품으로 이 개발에 기여하게 된 것을 매우 자랑스럽게 생각하며, 훌륭한 협력에 크게 기뻐합니다.”
CICLOP는 장시간 플라즈마 운전의 국제적 과제를 다루는 협력입니다. 전문성과 자원을 모아 연속 운전에 필요한 조건을 연구합니다. Litaudon은 다음과 같이 말했습니다.
“이 이정표는 CICLOP 프로그램 목표를 향한 중요한 단계입니다. WEST에서의 PPPL 작업은 훌륭한 사례입니다.”
청정 핵융합 에너지로 가는 길
6분 실험은 원자로 관련 재료를 사용한 제어와 진단의 진전을 보여줍니다. 영구적인 밀폐나 실용 발전소의 모든 조건을 충족했다는 증거는 아닙니다. ME-SXR 같은 도구는 남은 한계를 조사하는 데 도움이 됩니다.
실용 원자로에는 밀폐 시간뿐 아니라 연료 주기, 중성자로 인한 재료 손상, 열회수, 유지보수와 전체 설비의 에너지 수지가 중요합니다. 펄스를 길게 하는 것만으로 상용 발전이 완성되지는 않습니다.
핵융합은 운전 중 탄소 배출이 낮은 에너지에 기여할 가능성이 있습니다. 그러나 무한한 연료, 위험 부재 또는 전체 생애주기의 무탄소를 보장하는 것은 아닙니다. 국제 협력은 남은 과학·공학 문제를 해결하는 데 중요합니다.
