구형 융합 용기와 마요네즈 – 우리의 미래 에너지 요구 재구상

융합 에너지는 우리 우주 시스템만큼 오래되었습니다. 그것은 태양과 별들을 움직입니다. 그러나 지구에서의 적용은 아직 실험 단계에 있습니다.

7월 중순 보고서에 따르면, 해당 분야에 대한 투자는 올해 9억 달러 이상 증가해 약 71억 달러에 이르렀습니다. 그러나 전문가들은 투자 성장률이 아직 충분하지 않다고 보고 있습니다. 이는 지난해 14억 달러, 2022년 28억 달러 상승에 비해 낮은 수치입니다.

“지난 12개월 동안의 성장세는 긍정적이지만, 융합의 야심찬 목표를 달성하기에는 충분하지 않을 것입니다.”

다른 모든 분야와 마찬가지로, 성장은 혁신을 통해서만 달성될 수 있습니다. 오늘은 효율적이고 중요한 혁신을 살펴보겠습니다—오믹 가열 솔레노이드의 필요성을 없애는 것을 목표로 하는 이 혁신은 경제적이고 컴팩트한 융합 토카막 원자로 시스템을 실현하는 데 가장 큰 설계 동력이 될 수 있습니다.

하지만 연구와 그 파급 효과를 더 깊이 파고들기 전에, 융합 에너지 과학이 어떻게 작동하는지와 토카막 시스템이 그 안에서 어떤 역할을 하는지 간략히 살펴보아야 합니다.

융합 에너지 과학과 토카막 시스템

이는 제어된 융합을 기반으로 한 에너지원을 개발하는 것을 목표로 하는 다학제 과학 분야입니다. 융합의 기본 원리는 두 개의 핵을 결합해 하나의 핵을 만드는 것입니다.

보다 실용적인 차원에서, 지구에서의 융합은 지속적인 플라즈마를 생성하는 조건을 만드는 것을 포함합니다. 플라즈마는 전자가 원자핵으로부터 자유롭게 떨어진 매우 뜨거운 가스입니다. 연구자들은 전기 및 자기장을 이용해 이온과 전자를 제어합니다, 왜냐하면 이들은 전하를 가지고 있기 때문입니다. 이러한 메커니즘이 바로 제어 융합이라는 이름의 영감을 줍니다.

토카막 시스템은 토러스라 불리는 도넛 형태의 자기장을 사용해 플라즈마를 가두는 역할을 합니다. 수년간 토카막은 미래 융합 발전소를 위한 주요 플라즈마 가두기 개념으로 부상했습니다. 다음 섹션에서 논의할 연구는 토카막 공간을 최적화하는 데 초점을 맞추고 있습니다.

컴팩트하고 구형인 융합 용기: 더 작은 토카막이 보다 경제적인 융합 옵션

연구팀이 이 연구를 이끌고 있으며, 여기에는 미국 에너지부(DOE), 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL), 민간 기업 토카막 에너지, 그리고 일본 규슈 대학의 과학자들이 포함됩니다. 그들의 제안은 아이디어 면에서 간단합니다: 마이크로파만을 이용해 플라즈마를 가열하는 컴팩트하고 구형인 융합 파일럿 플랜트.

마이크로파를 사용하면 용기 중앙 근처에 위치한 거대한 구리 코일인 솔레노이드를 사용해 플라즈마를 가열할 필요가 없어집니다.

전통적인 오믹 가열 방식을 제거하는 유용성을 설명하면서, PPPL의 수석 연구 물리학자이자 논문 주 저자인 오노 마야스키는 다음과 같이 말했습니다:

“컴팩트하고 구형인 토카막 플라즈마는 비교적 작은 핵을 가진 사과와 비슷해, 오믹 가열 코일을 위한 공간이 없습니다. 오믹 가열 코일을 포함하지 않아도 된다면, 더 쉽고 저렴하게 제작할 수 있는 기계를 설계할 수 있을 것입니다.”

목표를 달성하기 위해, 실험은 전자 사이클로트론 전류 구동(ECCD)이라는 기술을 활용합니다. 이 기술은 플라즈마에 전류를 흐르게 하고 동시에 가열할 수 있습니다. 연구자들은 TORAY라는 컴퓨터 코드를 개발했으며, 이를 TRANSP와 결합해 빔의 조준 각도를 스캔해 최고 효율을 확인하고 필요한 전류를 구동하는 데 필요한 전력을 최소화합니다.

연구자들은 또한 가열 과정의 각 단계에 가장 적합한 ECCD 모드를 확인했습니다. 가능한 선택지는 두 가지 모드가 있습니다:

• O 모드 또는 일반 모드
• X 모드 또는 비정상 모드

두 모드 모두 유용하며 시스템 전체 작동에 기여합니다. X 모드는 플라즈마의 온도와 전류를 급격히 상승시켜야 할 때 가장 효과적이며, O 모드는 상승 후 플라즈마의 온도와 전류를 유지하는 데 가장 적합합니다.

대체 가열 옵션을 요약하면서, 오노는 다음과 같이 말했습니다:

“O 모드는 고온·고밀도 플라즈마에 적합합니다. 하지만 낮은 온도에서는 O 모드 효율이 크게 떨어지므로, 저온 영역을 담당할 다른 방법이 필요합니다.”

연구자들은 또한 플라즈마를 불순물 없이 유지하는 것이 중요하다고 강조했습니다. 강한 자기장은 플라즈마를 토카막 내부에 특정 형태로 가두지만, 때때로 플라즈마가 토카막 내부 벽에 가까워져 벽의 원자들이 스퍼터링되어 플라즈마에 들어갈 수 있습니다.

연구 제안이 아직 실험 단계이지만, 이미 이 솔루션을 추진하고 규모를 확대하며 융합 에너지 적용을 보다 최적화하고 효율적으로 만들 수 있는 상업 기업들의 참여가 보이고 있습니다. 다음 섹션에서는 이미 이 과정에 참여한 기업인 토카막에 대해 논의합니다.

#1. 토카막 에너지 Inc.

토카막은 2030년대에 융합 에너지를 성공적으로 제공하는 데 필요한 기술 개발을 선도해 왔습니다. 그 비전은 융합 에너지를 깨끗하고, 안전하며, 저렴하고, 손쉽게 이용할 수 있게 만드는 것입니다.

현재까지 이 회사는 77개의 특허 출원군을 확보했으며 총 2억 5천만 달러를 모금했습니다. 이 중 2억 달러는 민간 투자자로부터, 나머지는 영국 및 미국 정부로부터 받았습니다.

운영 과정에서 회사는 많은 성과를 쌓아왔습니다. 예를 들어, 2022년에 이 회사는 토카막에서 1억 섭씨도 플라즈마 이온 온도를 달성한 최초의 민간 융합 기업이 되었으며, 이는 상업 규모 융합의 임계값입니다.

같은 해, 이 회사는 모든 민간 융합 기업 중 가장 높은 플라즈마 ‘트리플 제품’(플라즈마 온도와 가두는 시간의 핵심 지표)을 획득하기도 했습니다.

우리는 이미 구형 토카막에 대해 논의했으며, 이는 가장 많이 연구되고 널리 인정받는 융합 에너지 경로 중 하나입니다. 그 장점은 운영 효율성, 플라즈마 안정성, 비용 효율성입니다.

토카막의 ST40 고자기장 컴팩트 구형 토카막은 이 분야에서 가장 앞선 기술 중 하나입니다. 이를 통해 토카막은 플라즈마 이온 온도 1억 섭씨도를 달성했으며, 이는 태양 중심보다 6배 더 뜨겁습니다.

토카막은 또한 전용 테스트 시설에서 Demo4 마그넷 시스템을 구축하고 있습니다. 이 시스템은 44개의 개별 HTS 코일을 14개의 토로이달 필드 리프와 두 개의 폴로이달 필드 코일로 조립한 케이지 형태 구조로 구성됩니다. 진공 상태에서 20 켈빈(-250°C)에서 작동하며, 자기장 세기는 지구 자기장보다 거의 백만 배 강합니다.

#2. 헬리온

이 분야에서 혁신적인 작업을 수행하고 있는 또 다른 기업은 헬리온입니다. 이 회사는 세계 최초의 융합 발전소를 건설했다고 주장합니다. 헬리온의 융합 발생기는 융합 연료를 1억 섭씨도 이상으로 가열할 수 있습니다. 또한 고효율 펄스 방식을 통해 전기를 추출할 수 있습니다.

기술적으로, 헬리온의 솔루션은 마그네토-관성 융합 기술을 활용합니다. 헬리온 기술은 이 분야의 다른 접근 방식과 차별화되는 세 가지 두드러진 특징을 가지고 있습니다. 필요에 따라 전력 출력을 조절하기 위해, 회사는 펄스형 비점화 융합 시스템을 활용합니다.

전기차의 회생 제동 시스템이 작동하는 방식과 유사하게, 헬리온 시스템은 전기를 직접 회수할 수 있습니다. 이는 다른 융합 시스템이 물을 가열해 증기를 만들고 터빈을 돌리는 과정에서 많은 에너지를 손실시키는 것과 달리, 헬리온 시스템을 훨씬 더 에너지 효율적으로 만듭니다.

헬리온은 연료로 중수소와 헬륨-3(D-³He)를 사용합니다. 이 두 물질의 융합은 전하를 띤 입자를 생성하며, 이는 전기로 직접 회수될 수 있어 시스템을 작고, 효율적이며, 빠르고 비용 효율적으로 유지합니다. 중수소와 헬륨-3를 연료로 사용하면 중성자 방출을 줄이고, 중수소-삼중수소 융합 연료 사용 시 발생하는 엔지니어링 문제를 크게 완화합니다.

특히, 이 회사는 자사의 융합 전력이 전기 비용이 가장 낮은 원천 중 하나가 될 수 있다고 믿으며, 이상적으로는 kWh당 0.01달러의 비용으로 전기를 생산할 수 있다고 주장합니다.

최신 정보에 따르면, 2008년에 설립된 이 회사는 2021년 말까지 5억 달러를 모금하여 12억 5천만 달러의 기업 가치를 달성할 수 있었습니다. 이번 최신 라운드는 OpenAI의 CEO인 샘 알트먼이 주도했으며, 그는 개인적으로 3억 7천 5백만 달러를 투자해 헬리온이 융합 기술을 통해 에너지 생산을 혁신할 잠재력을 강하게 믿고 있음을 강조했습니다. 현재 총 자금은 5억 7천 7백만 달러이며, 이는 헬리온의 일곱 번째 프로토타입인 폴라리스를 완성하고 2024년까지 융합 에너지 상용화에 한 걸음 더 다가가는 데 사용될 것입니다.

토카막과 헬리온과 같은 기업들의 첨단 기술 작업은 융합 에너지 분야가 크게 진전하도록 돕고 있습니다. 우리가 논의를 시작하기 위해 인용한 구체적인 연구는 민관 파트너십의 결과이며, 연구 기관과 상업 기업 간에 지식과 역량이 지속적이고 체계적으로 이전되고 있음을 보여줍니다.

융합 용기의 미래: 자원 최적화를 위한 혁신적 사고

융합을 성공시키려면 그 과학을 더 깊이 탐구해야 합니다. 과학자들의 호기심은 그 어느 때보다 높아졌습니다.

마요네즈가 복잡한 융합 에너지 문제 해결에 연구자를 돕다

레하이 대학교 연구팀은 레일리-테일러 불안정성 단계에 대한 지속적인 연구에서 마요네즈를 핵심 재료로 사용하고 있습니다. 이 연구는 청정 에너지를 위한 미래 관성 구속 융합 프로세스 설계에 정보를 제공할 수 있습니다.

레하이 대학교 기계공학 및 역학 교수이자 P.C. 로신 공학 및 응용 과학 대학의 MEM 학과장인 아린담 바네르지에 따르면:

“팀은 여전히 관성 구속 융합에 사용되는 융합 캡슐의 구조적 무결성 문제를 연구하고 있으며, 헬만의 리얼 마요네즈가 해결책을 찾는 데 여전히 도움이 되고 있습니다.”

마요네즈는 고체처럼 작용하면서 압력 구배에 의해 흐르기 시작함으로써 팀을 돕습니다. 레일리-테일러 문제는 서로 다른 밀도의 물질 사이에 밀도와 압력 구배가 반대 방향으로 존재할 때 발생하는 불안정한 층화를 의미합니다. 마요네즈를 사용하면 고온·고압 조건을 제어하기 어려운 상황에서도 가능한 해결책을 시험해볼 수 있습니다.

극한 온도 없이 차가운 융합

최근 차가운 융합 분야의 또 다른 돌파구는 극한 고온 및 플라즈마가 필요 없는 청정 에너지 달성에 대한 희망을 다시 불러일으켰습니다. 극도로 높은 온도와 플라즈마가 필요 없이, 전통적으로 핵융합과 연관된.

오랫동안 주변 과학으로 여겨졌던 이 개발은 재료 과학, 희귀 금속 및 특정 화학 공정을 이용해 낮은 온도에서 핵융합을 달성하는 것을 포함합니다.

과학계는 초기 실험 결과를 재현하지 못해 차가운 윽합을 일축했었지만, Nature에 발표된 새로운 동료 검토 연구는 음향 공동 현상 하에서 중수소 처리된 티타늄 분말을 사용한 실험 중 중성자 방출을 관찰함으로써 앞으로 나아갈 가능성 있는 경로를 제시합니다. 이 발견은 차가운 융합을 실현 가능한 대체 에너지 원으로 더 많은 연구를 촉진할 수 있으며, 청정하고 사실상 무한한 전력을 제공할 잠재력을 가집니다.

이 연구 결과는 핵융합이 별에서 발견되는 수백만도 온도와 강력한 자기장과 같은 극한 조건을 필요로 한다는 오랜 믿음에 도전합니다. 대신, 이 새로운 접근법은 다른 메커니즘을 통해 융합을 달성할 가능성을 탐구하며, 보다 접근하기 쉽고 자원 소모가 적은 에너지 생산 방식을 제공함으로써 에너지 지형을 혁신할 수 있습니다.

성공한다면 차가운 융합은 전통적인 융합 방식에 필요한 거대한 인프라와 에너지 투입을 우회할 수 있어 지속 가능하고 청정한 에너지 솔루션을 찾는 데 게임 체인저가 될 것입니다.

AI: 핵융합 반응 안정화의 게임 체인저

점점 더 정교해지고 능력이 향상됨에 따라, AI는 과거에 융합 반응의 지속성을 방해해 온 플라즈마 불안정을 예측하고 방지함으로써 핵융합 분야를 혁신하고 있습니다.

프린스턴 대학교와 미국 에너지부의 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소 연구원들은 플라즈마 붕괴를 예측할 수 있는 AI 모델을 개발했으며, 예를 들어 찢어짐 모드 불안정을 발생 300밀리초 전까지 예측합니다. 이는 AI가 실시간으로 반응기 매개변수를 조정하여 플라즈마의 안정성을 유지하고 반응이 조기에 종료되는 것을 방지할 수 있게 합니다.

AI의 예측 능력은 과거 실험 데이터로 훈련된 덕분이며, 전통적인 물리 기반 모델이 할 수 없는 방식으로 잠재적 불안정에 동적으로 대응할 수 있게 합니다.

플라즈마는 본질적으로 불안정하고 복잡하기 때문에, 그 안정성을 유지하는 것은 핵융합을 지속하는 데 큰 도전 과제였습니다. 전통적으로는 플라즈마가 붕괴되기 시작한 후에야 불안정을 완화하는 방법에 초점을 맞추었으며, 이는 종종 반응을 구하기엔 너무 늦었습니다.

AI의 예측 및 사전 대응 능력을 활용함으로써 융합 과정은 더욱 안정적이고 실현 가능해지며, 실용적이고 지속 가능한 융합 에너지 실현에 한 걸음 더 다가갑니다. 이 발전은 융합을 무한한 에너지 원으로서의 전망을 높일 뿐만 아니라, 융합 연구에서 가장 어려운 난관을 극복하는 데 AI가 핵심적인 역할을 하고 있음을 강조합니다.

미래는 무엇을 가져올까?

미래에는 기업들이 에너지와 비용 측면에서 공간과 자원 활용을 최적화하는 융합 전력 솔루션을 고안할 것입니다. 로스앤젤레스 리버모어 국립 연구소의 프로그램 리더인 오마르 허리케인에 따르면, 내셔널 이그니션 시설이 위치한 곳에서:

“융합은 10년 전보다 현재가 훨씬 더 실현 가능해 보이며, 미래 에너지 원으로서 기대됩니다.”

2023년에 과학자들돌파구를 만들었다면서 소비된 에너지보다 더 많은 에너지를 생성할 수 있는 핵반응을 만들었습니다. 실험은 192개의 레이저를 사용해 2.05 메가줄의 에너지를 완두콩 크기의 금 실린더에 전달했으며, 그 안에는 냉동된 수소 동위 원소인 중수소와 삼중수소 펠릿이 들어 있었다.

에너지가 매우 강렬했기 때문에 캡슐이 붕괴되었습니다. 달성된 온도는 별과 열핵무기와만 비교될 수 있습니다. 보다 구체적으로 실험실이 제시한 바에 따르면, 3.15 메가줄의 에너지가 방출되었으며, 이는 반응에 투입된 에너지보다 약 54% 더 많고 이전 기록인 1.3 메가줄보다 두 배 이상 높습니다.

많은 연구자들은 이 실험 결과가 미래에 큰 잠재력을 가지고 있다고 믿었습니다. 뉴욕 로체스터 대학 융합 연구소 전 소장인 마이클 캠벨에 따르면, 그는 로스앤젤레스 리버모어 연구소에서 NIF를 초기 옹호했으며, 이 돌파구가 레이저 융합 전력에 대한 신뢰를 높이고 궁극적으로 에너지 응용에 초점을 맞춘 새로운 프로그램의 문을 열 수 있다고 보았습니다. 로스앤젤레스 리버모어 연구소 소장인 김 번딜은 이를 “관성 구속 융합 전력 체계의 근본적인 구성 요소”라고 믿었습니다.

이번 실험과 그 성공은 과정을 더욱 견고하게 만들기 위한 향후 많은 개발이 필요함을 보여주었습니다. 예를 들어, 실험이 실용적인 과정이 되려면 레이저 펄스를 생산하는 데 투입되는 에너지에 비해 방출되는 에너지가 최소 100배 이상 증가해야 합니다.

미래에는 레이저가 펄스를 생성하는 속도와 목표 챔버를 빠르게 비워 다음 번 점화를 준비하는 속도가 크게 증가해야 합니다.

이러한 노력은 앞으로도 계속될 것이며, 오늘 논의를 마무리하면서 이 분야의 또 다른 중요한 프로젝트인 220억 달러 규모의 ITER 프로젝트를 언급하고자 합니다. 이 프로젝트는 중국, 유럽 연합, 인도, 일본, 한국, 러시아, 미국이 협력하는 사업으로, 융합으로부터 얻은 에너지가 더 많은 융합을 생성하는 자가 지속 가능한 융합을 달성하는 것을 목표로 합니다.

현재 실험이 최종 단계에 이르면서 천천히 그리고 꾸준히 융합 에너지는 비용 효율성이 높아지고, 최적화되며, 대규모 채택을 위한 준비가 될 것입니다.