재료 과학
일상 금속으로 미래를 구동하다
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핵융합 에너지는 지난 몇 년간 뉴스에 자주 등장했으며, 과학계는 미래형 원자로에 대해 활발히 논의하고 있습니다. 그러나 그 이면에서는 가장 흔히 사용되는 금속들이 실험실에서 전력망으로의 핵융합 도약을 조용히 가능하게 하고 있습니다. 텅스텐, 구리, 리튬—우리 일상에서 접하는 요소들—은 무한한 청정 에너지를 추구하는 데 없어서는 안 될 존재임이 입증되고 있습니다.
텅스텐 토카막 WEST, 6분 핵융합 기록 수립
핵융합 에너지 분야의 중대한 이정표로, 프랑스에 있는 WEST(정상상태 토카막 내 텅스텐(W) 환경) 장치가 새로운 기록을 세웠습니다. WEST는 5천만도(섭씨) 온도의 핵융합 플라즈마를 6분 동안 유지하며 1.15기가줄의 전력을 주입했습니다. 이 성과는 플라즈마 밀도를 두 배로 늘리고 이전 기록보다 15% 더 많은 에너지를 전달합니다.
WEST는 프랑스 대체에너지 및 원자력 위원회(CEA)가 운영합니다. 이는 IAEA의 장시간 운전 국제 과제 조정(CICLOP) 프로그램의 일환입니다. 미국 에너지부의 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)는 WEST와 CICLOP와 오랜 파트너십을 유지하고 있습니다.Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) has a long partnership with WEST and CICLOP.
“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 태양과 별에 에너지를 공급합니다. 수소와 같은 가벼운 원소가 매우 높은 온도로 가열되어 플라즈마가 형성될 때 발생합니다. 이 상태에서 플라즈마 입자들이 충돌하고 융합하여 막대한 에너지를 방출합니다.
지구에서는 토카막이라 불리는 핵융합 장치가 강력한 자기장을 이용해 도넛 모양의 챔버 안에 플라즈마를 가두어 운용합니다. 목표는 투입된 에너지보다 더 많은 에너지를 생성하는 자가 지속적인 핵융합 반응을 달성하여 사실상 무한하고 안전하며 탄소 배출이 없는 에너지원을 제공하는 것입니다.
하지만 순수 에너지를 추출할 만큼 충분히 오랜 시간 동안 이러한 반응을 유지하는 것은 여전히 큰 도전 과제입니다. 플라즈마는 태양 중심보다 더 높은 온도로 가열되어야 하며 장기간 안정적으로 유지되어야 합니다. 대부분의 토카막이 연료를 과도하게 보유해 원자로에 적합하지 않은 탄소 내부 벽을 사용하는 반면, 대체 재료들이 탐구되고 있습니다.
WEST의 텅스텐 벽: 원자로에 적합한 진보
WEST는 미래 핵융합 원자로의 주요 후보인 텅스텐으로 내부를 마감했습니다. 텅스텐은 탄소보다 훨씬 적은 연료를 보유하므로 효율적인 원자로 운전에 필수적입니다. 그러나 플라즈마에 텅스텐이 미량이라도 존재하면 복사에 의해 빠르게 냉각될 수 있습니다. PPPL의 Luis Delgado-Aparicio는 다음과 같이 설명합니다:
“텅스텐 벽 환경은 탄소를 사용하는 것보다 훨씬 더 도전적입니다. 이는 단순히 집에서 새끼 고양이를 잡으려는 것과 가장 사나운 사자를 쓰다듬으려는 것의 차이와 같습니다.”
어려움에도 불구하고 텅스텐 벽을 사용한 WEST의 6분 기록은 큰 진전입니다. 이는 이전 탄소 벽 토카막인 Tore Supra의 기록보다 두 배 길습니다. 원자로에 적합한 재료로 장시간 펄스를 구현하는 것은 CICLOP의 목표와 향후 발전소에 필수적입니다.
새로운 X-레이 진단이 돌파구를 열다
기록을 세운 실험은 PPPL이 개발한 혁신적인 X-레이 영상 시스템을 이용해 진단되었습니다. DECTRIS가 만든 다중 에너지 연질 X-레이(ME-SXR) 카메라는 PPPL에 의해 특별히 개조되어 플라즈마 특성을 전례 없는 정밀도로 측정합니다.
“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.
ME-SXR은 서로 다른 에너지에서의 강도를 비교함으로써 플라즈마 중심의 전자 온도를 직접 측정합니다. 또한 벽에서 이동하는 텅스텐 불순물의 농도를 파악하는데, 이는 금속 벽을 이용한 장시간 펄스 운전을 최적화하는 데 필수적인 데이터입니다. WEST 코디네이터 Remi Dumont에 따르면:
“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
Delgado-Aparicio와 연구원 Tullio Barbui가 이끄는 PPPL 팀은 WEST 플라즈마가 6분 동안 핵심에서 4~4.5 kV(거의 5천만°C)의 안정적인 상태에 도달했음을 발견했습니다. 불순물 및 온도 프로파일 모두 안정적으로 유지되었습니다.
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.
텅스텐은 3422°C라는 모든 원소 중 가장 높은 녹는점을 가지고 있어 높은 평가를 받습니다. 이는 핵융합 플라즈마의 뜨거운 열을 견디게 합니다. 상하이 증권거래소에 상장된 중국의 Xiamen Tungsten Co., Ltd.는 세계적인 주요 생산업체입니다.
2023년, 영업수익이 393.98억 위안으로 18.30% 감소했음에도 불구하고, 주주 귀속 순이익은 10.75% 증가해 160.2억 위안에 달했습니다. Xiamen Tungsten의 생산 능력 확대와 효율성 향상은 핵융합용 고순도 텅스텐의 핵심 공급업체로서의 입지를 강화했으며, 투자자들에게 매력적인 전망을 제공합니다.
구리는 뛰어난 전기 및 열 전도성 때문에 핵융합 전자 장치의 핵심 요소입니다. 자기 코일, 버스바, 열교환기 모두 구리를 사용해 핵융합의 강력한 전류와 열을 관리합니다.
Freeport-McMoRan Inc. (FCX), (FCX ) 미국에 본사를 둔 세계 최대 규모의 상장 구리 생산업체는 2023년에 246억 달러의 매출과 42억 달러의 순이익을 기록하며 견고한 재무 상태를 유지했습니다. 회사의 방대한 구리 매장량, 지속 가능성에 대한 약속, 기술 혁신은 특히 재생 에너지와 전기차에서 구리 수요가 증가함에 따라 성장 전망을 강화합니다.
Lithium, the lightest metal, is becoming a fusion mainstay due to its remarkable electrochemical potential. Lithium blankets can breed tritium fuel, and lithium batteries can efficiently store fusion power. Albemarle Corporation (ALB) (ALB ), a major lithium producer, reported a record annual revenue of $9.62 billion in 2023, a 31% increase from the previous year.
ALB 가격 차트
전기차 수요 감소와 리튬 가격 하락과 같은 어려움에도 불구하고, Albemarle의 에너지 저장 부문은 주로 칠레 라 네그라 공장 확장 덕분에 35%의 인상적인 물량 성장을 보였습니다. 비용 절감, 재무 유연성, 성장 투자에 집중함으로써 급성장하는 리튬 시장에서 유리한 위치를 차지하고 있지만, 주가가 지난 1년 동안 크게 하락했습니다.
핵융합이 진전됨에 따라 이들 금속에 대한 수요는 급증할 것입니다. 텅스텐, 구리, 리튬은 플라즈마의 화려함은 없지만, 핵융합 밝은 미래의 기반을 이룹니다. 고순도 소재를 대규모로 공급할 수 있는 생산업체는 핵융합 시대가 시작됨에 따라 큰 성장 기회를 얻을 수 있습니다.
선구적인 파트너십이 진보에 힘을 주다
이 돌파구는 주요 핵융합 연구소 간 협업에서 비롯되었습니다. 플라즈마 진단 분야의 선구자인 PPPL은 DOE 초기 경력 및 진단 개발 보조금을 받아 ME-SXR를 개발했습니다. CEA의 WEST 토카막은 장시간 실험을 탐구하기 위한 세계 유일의 텅스텐 벽 장치로 이상적인 시험 환경을 제공합니다.
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.”
WEST 기록은 장시간 펄스 과제에 대한 전 세계적인 노력을 조정하는 IAEA 프로그램인 CICLOP의 성공이기도 합니다. 전문 지식과 자원을 결합함으로써 CICLOP는 지속적인 핵융합 운전을 방해하는 핵심 문제들을 체계적으로 해결하고자 합니다. Litadudon은 다음과 같이 말했습니다:
“이 이정표는 CICLOP 프로그램 목표를 향한 중요한 단계입니다. WEST에서의 PPPL 작업은 훌륭한 사례입니다.”
청정 핵융합 에너지로 가는 길
텅스텐 벽을 갖춘 WEST의 6분 기록은 핵융합 에너지에 큰 진전을 의미합니다. 이는 원자로에 적합한 재료를 사용한 토카막이 실용적인 핵융합 전력을 위한 온도에서 플라즈마를 지속적으로 가둘 수 있음을 입증합니다. PPPL의 ME-SXR과 같은 새로운 진단 기술은 연구자들이 전례 없는 정밀도로 플라즈마를 측정하고 최적화할 수 있게 합니다.
실용적인 핵융합 원자를 개발하기 위해 아직 해야 할 일이 많이 남아 있습니다. 펄스 지속 시간을 몇 분에서 몇 개월로 늘리면서 밀도를 높이고 안정성을 유지해야 합니다. 고급 재료, 자석, 열 추출 시스템이 필수적입니다. 그러나 과학자들은 핵융합의 거대한 잠재력을 단계적으로 현실화하고 있습니다.
핵융합은 안전하고 탄소 배출이 없으며 사실상 무한한 에너지원을 제공할 잠재력을 가지고 있습니다. 이는 기후 변화 완화, 에너지 안보 향상, 그리고 인류 다음 시대를 지원하는 데 도움이 될 수 있습니다. 전반적으로 WEST와 CICLOP가 보여주듯, 전 세계적인 협력이 핵융합의 도전을 극복하고 그 거대한 혜택을 전 세계에 전달하는 핵심입니다.
