뮤온 촉매 핵융합
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
뮤온 촉매 핵융합은 뮤온이 수소 원자핵과 결합하여 뮤온 원자를 형성하고, 이로 인해 핵융합 반응이 촉진되는 현상이다. 1950년대에 이론적으로 예측되었으며, 실험을 통해 p-d 핵융합에 대한 뮤온 촉매 작용이 관찰되었다. 뮤온은 전자의 약 207배 무거워 핵융합 반응을 효율적으로 일으키며, 중수소-삼중수소 핵융합이 가장 효율적이다. 에너지원으로서의 잠재력이 있지만, 뮤온의 짧은 수명, 알파 입자 포획, 뮤온 생성에 필요한 에너지 등의 문제로 인해 실용화에는 어려움이 있다. 소설과 게임 등 대중문화에서도 소재로 활용되었다.
더 읽어볼만한 페이지
- 뮤온 - 뮤오늄
뮤오늄은 양전하를 띤 뮤온과 전자가 결합한 원자 유사 입자로, 수소 원자와 비슷하지만 질량 차이와 짧은 반감기, 자기장 의존성을 가지며, 뮤오늄 화합물 합성을 통해 물질 내 수소 원자 연구에 활용되고 뮤오닉 뮤오늄도 연구된다. - 핵융합 - CNO 순환
CNO 순환은 별 내부에서 탄소, 질소, 산소를 촉매로 사용하여 수소를 헬륨으로 변환하는 핵융합 과정으로, 높은 온도에서 대질량별의 주요 에너지원으로 작용하며, 온도에 민감하고 여러 변형이 존재하며 항성 진화 연구에 중요한 역할을 한다. - 핵융합 - 양성자-양성자 연쇄 반응
양성자-양성자 연쇄 반응은 태양과 같은 저질량 항성의 주요 에너지원인 핵융합 과정으로, 여러 단계를 거쳐 양성자가 헬륨으로 변환되며 감마선과 중성미자를 방출한다.
| 뮤온 촉매 핵융합 | |
|---|---|
| 뮤온 촉매 핵융합 | |
 | |
| 다른 이름 | μCF, muon-catalyzed fusion |
| 과정 유형 | 핵융합 |
| 관련된 입자 | 뮤온, 중수소, 삼중수소 |
| 설명 | |
| 설명 | 뮤온 촉매 핵융합은 뮤온이 존재할 때 일어날 수 있는 핵융합 과정이다. |
| 상세 정보 | |
| 과정 | 뮤온은 수소 이온보다 약 200배 무겁다. 뮤온은 두 개의 수소 핵을 함께 끌어당기는 역할을 한다. 뮤온은 핵융합 반응이 일어날 수 있도록 한다. 뮤온은 다른 중수소/삼중수소 핵을 촉매하는 과정으로 되돌아간다. |
| 촉매 주기 | 촉매 주기는 뮤온의 수명에 의해 제한된다. 뮤온의 수명은 이다. |
| 스티킹 | 뮤온은 헬륨 핵에 붙어 촉매 주기를 종료할 수 있다. 스티킹 확률은 뮤온 촉매 핵융합의 효율성을 제한하는 중요한 요소이다. |
| 연구 | |
| 연구 현황 | 뮤온 촉매 핵융합은 에너지 생산에 실용적인 방법으로 간주되지 않는다. 핵융합 에너지를 방출하는 데 필요한 에너지보다 뮤온을 생성하는 데 더 많은 에너지가 필요하기 때문이다. |
2. 역사
안드레이 사하로프와 F.C. 프랭크[2]는 1950년 이전에 뮤온 촉매 핵융합 현상을 이론적으로 예측했다. 야코프 보리소비치 젤도비치[3] 또한 1954년에 뮤온 촉매 핵융합 현상에 대해 저술했다. 1956년 버클리 대학교에서 루이스 W. 알바레즈 ''외''[22]는 수소 거품 상자에 뮤온을 충돌시키는 실험 결과를 분석하면서 발열 p-d, 즉 양성자와 중수소의 핵융합에 대한 뮤온 촉매 작용을 관찰했는데, 이로 인해 헬리온, 감마선이 생성되고 약 5.5MeV의 에너지가 방출되었다. 특히 알바레즈의 실험 결과는 존 데이비드 잭슨이 1957년에 발표한 획기적인 논문에서 뮤온 촉매 핵융합에 대한 최초의 포괄적인 이론 연구를 수행하도록 자극했다.[16] 이 논문에는 뮤온 촉매 핵융합으로부터 유용한 에너지를 방출하는 것에 대한 최초의 진지한 추측이 담겨 있었다. 잭슨은 "알파 입자 부착 문제"(아래 참조)를 해결하지 못하면 에너지원으로서 실용적이지 않을 것이라고 결론지었으며, 잠재적으로 더 저렴하고 효율적인 방법으로 촉매 뮤온을 활용할 수 있게 될 것이라고 보았다.[16]
뮤온 촉매 핵융합은 안드레이 사하로프와 F.C. 프랭크가 1950년 이전에 이론적으로 예측했고, 야코프 보리소비치 젤도비치도 1954년에 관련 연구를 발표했다.[3] 1956년 루이스 W. 알바레즈 연구팀은 수소 거품 상자에 뮤온을 충돌시키는 실험을 통해 양성자와 중수소의 핵융합(p-d 핵융합)에서 뮤온 촉매 작용을 관찰했다. 이 반응으로 헬리온, 감마선이 생성되고 약 5.5 MeV의 에너지가 방출되었다.[22]
3. 원리
이 현상은 음전하를 띤 뮤온이 수소 동위원소(프로튬, 중수소, 삼중수소)와 결합하여 발생한다. 뮤온은 전자보다 약 207배 무거워 수소 원자핵 사이의 거리를 좁혀 강한 핵력이 작용하게 만든다. 핵융합 반응 후 촉매 뮤온은 대부분 다시 방출되어(대부분의 경우) 다른 수소 원자핵과 결합하여 핵융합을 계속 일으킨다. 하지만 일부 뮤온은 핵융합 생성물(예: 알파 입자, 헬리온)과 결합하여 촉매 과정에서 제거되기도 한다.
뮤온은 파이온 붕괴로 생성되며, 약 3 켈빈(−270℃)의 얼려진 수소 동위원소 덩어리에 보내진다. 뮤온은 수소 동위원소의 전자를 밀어내고 결합하는데, 이때 뮤온의 무거운 질량으로 인해 핵 간 거리가 전자가 있을 때보다 훨씬 가까워진다. 이로 인해 강한 핵력이 작용하여 핵융합이 일어난다. 핵융합 반응이 일어나면 촉매 뮤온은 대부분 다시 방출되어 새로운 뮤온 수소를 형성하고, 다음 핵융합 반응을 돕는다. 이 과정은 뮤온이 자연 붕괴(평균 수명 2.2 마이크로초)할 때까지 반복되며, 마치 뮤온이 핵융합을 "촉매"하는 것처럼 보인다.[26]
3. 1. 중수소-삼중수소 (d-t) 핵융합
뮤온 촉매 핵융합에서 가장 효율적인 반응은 양전하를 띤 중수소(d)와 트리톤(t), 그리고 뮤온이 결합하여 양전하를 띤 뮤온 분자 중수소 이온(d–μ–t)+을 형성하는 것이다. 전자의 정지 질량보다 207배 더 큰 정지 질량을 가진 뮤온은,[13] 더 무거운 트리톤과 중수소를 서로 207배 더 가깝게 끌어당길 수 있다.[14][15] 이는 (d–e–t)+ 분자 이온 내 전자보다 (d–μ–t)+ 분자 이온에서 더 가깝다. 전자 분자 이온에서 트리톤과 중수소 사이의 평균 간격은 약 1 옹스트롬(100 pm)이므로,[16][17] 뮤온 분자 이온에서 트리톤과 중수소 사이의 평균 간격은 그보다 207배 작다.[18]
강한 핵력으로 인해 뮤온 분자 이온 내의 트리톤과 중수소가 주기적인 진동 운동 중에 서로 더 가까워지면, 양전하를 띤 트리톤과 양전하를 띤 중수소가 서로 떨어져 있게 하는 반발 쿨롱 장벽을 통해 양자 터널링을 겪을 확률이 매우 크게 증가한다. 실제로 양자 역학적 터널링 확률은 트리톤과 중수소 사이의 평균 간격에 대략 지수 함수적으로 의존하며, 뮤온 분자 이온이 형성되면 하나의 뮤온이 약 반 피코초 미만으로 d–t 핵융합을 촉매할 수 있다.[16]
뮤온은 d–t 뮤온 촉매 핵융합 반응에서 살아남고 (일반적으로) 추가 d–t 뮤온 촉매 핵융합을 촉매할 수 있다. 각 발열 d–t 핵융합은 약 14.1 MeV의 운동 에너지를 갖는 "매우 빠른" 중성자와 약 3.5 MeV의 운동 에너지를 갖는 알파 입자 α (헬륨-4 핵)의 형태로 약 17.6 MeV의 에너지를 방출한다.[16]
음전하를 띤 뮤온은 전자의 약 200배의 질량을 가지며, 물질 내에서는 양전하를 띤 원자핵과 결합 상태(뮤온 원자)를 형성한다. 음전하를 띤 뮤온의 결합 궤도 반지름(보어 반지름)은 전자의 궤도 반지름의 1/200까지 접근하며, 주변의 궤도 전자 입장에서는 마치 원자핵의 전하가 한 단위 전하만큼 차폐되어 감소한 것처럼 보인다. 특히 중수소, 또는 중수소와 삼중수소 혼합물에 음전하를 띤 뮤온을 조사하면, 이처럼 접근한 수소 핵끼리는 높은 확률로 핵융합 반응을 일으켜 헬륨 핵을 생성함과 동시에, 반응 에너지를 중성자로 방출한다. 이때 음전하를 띤 뮤온은 다시 자유롭게 되어, 새롭게 뮤온 수소를 형성하여 다음 핵융합 반응을 매개한다. 이 과정은 음전하를 띤 뮤온이 자연 붕괴(평균 수명 2.2 마이크로초)할 때까지 순환적으로 일어나며, 마치 뮤온이 핵융합을 "촉매"하는 것처럼 작용한다.[26]
3. 2. 중수소-중수소 (d-d) 핵융합
중수소-중수소 뮤온 촉매 핵융합(d-d 뮤온 촉매 핵융합)은 중수소가 풍부하고 방사성이 없다는 장점 때문에 빈번하게 관찰되었고 광범위하게 연구되었다.[13]
d-d 뮤온 촉매 핵융합의 융합 속도는 d-t 뮤온 촉매 핵융합의 융합 속도의 약 1%에 불과하지만, 약 10~100 피코초마다 한 번의 d-d 핵융합이 일어난다.[16] 그러나 d-d 뮤온 촉매 핵융합 반응마다 방출되는 에너지는 d-t 뮤온 촉매 핵융합 반응마다 방출되는 에너지의 약 20%에 불과하다.[16]
1957년 잭슨의 논문[16]에서 추정했듯이, 촉매 뮤온은 d-d 뮤온 촉매 핵융합 반응 생성물 중 적어도 하나에 달라붙을 확률이 d-t 뮤온 촉매 핵융합 반응 생성물 중 적어도 하나에 달라붙을 확률보다 최소 10배 더 크다. 이는 뮤온이 더 이상 핵융합을 촉매하는 것을 방해한다.
결과적으로 순수한 중수소에서 각 뮤온이 d-d 뮤온 촉매 핵융합 반응을 촉매하는 횟수는, 각 뮤온이 중수소와 삼중수소의 동일한 혼합물에서 촉매할 수 있는 d-t 뮤온 촉매 핵융합 반응 횟수의 약 10분의 1에 불과하다. 각 d-d 융합은 각 d-t 융합 산출량의 약 5분의 1만 산출하므로, d-d 뮤온 촉매 핵융합으로부터 유용한 에너지 방출에 대한 전망은 d-t 뮤온 촉매 핵융합보다 최소 50배 더 나빠진다.
핵융합 생성물에서 본질적으로 중성자가 없는 "무중성자" 핵융합 가능성은 뮤온 촉매 핵융합에 거의 적합하지 않다.[16]
4. 에너지원으로서의 가능성
뮤온 촉매 핵융합은 에너지원으로 사용하기에는 몇 가지 문제점이 있다. 우선, 뮤온은 불안정하여 정지 좌표계에서 2.2 마이크로초 안에 붕괴한다.[10] 따라서 뮤온이 붕괴되기 전에 충분한 핵융합 반응을 일으키려면, 뮤온을 저렴하게 생산하는 방법이 필요하다.
또한, "알파-스티킹" 문제도 존재한다. 이는 핵융합 반응 결과 생성되는 알파 입자에 뮤온이 달라붙어 촉매 작용을 잃게 되는 현상이다.[10] 초기 연구에서는 뮤온이 알파 입자에 달라붙기 전까지 약 100번의 핵융합 반응을 촉매할 수 있다고 추정했지만, 이는 에너지 생산의 손익분기점을 넘기에는 부족한 수치였다.[10] 최근 연구에서는 알파-스티킹 확률이 낮아져 뮤온당 최대 350번까지 핵융합을 촉매할 수 있다는 결과도 나왔지만,[10] 여전히 상용화를 위한 수준에는 미치지 못한다. 스티븐 E. 존스가 이끄는 팀은 로스앨러모스 메존 물리 시설에서 뮤온당 평균 150번의 d-t 융합을 달성하기도 했다.[10]
뮤온 생성에는 많은 에너지가 필요하다는 문제점도 있다. 최근 연구에 따르면 가속기에서 뮤온 하나를 생성하는데 약 6GeV의 전기 에너지가 소모된다.[10]
홀 효과를 이용한 연구 결과가 2012년에 발표되기도 했지만, 아직까지 실용적인 에너지 생산 방법은 개발되지 않았다.[10]
4. 1. 잠재적 이점
뮤온 촉매 d-t 핵융합이 실제로 실현된다면, (다른 대부분의 핵융합과 마찬가지로) 훨씬 적은 양의 유해한 (그리고 수명이 훨씬 짧은) 방사성 폐기물을 생성하기 때문에 기존의 핵분열 원자로보다 훨씬 더 매력적인 발전 방식이 될 것이다.뮤온 촉매 d-t 핵융합에서 생성되는 다량의 중성자는 가연성 물질로부터 핵분열성 물질을 생성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 토륨-232는 이런 방식으로 우라늄-233을 생성할 수 있다.[4] 이렇게 생성된 핵분열성 연료는 기존의 임계 핵분열 원자로 또는 비전형적인 아임계 핵분열 원자로에서 "연소"될 수 있다. 예를 들어, 핵 폐기물을 처리하기 위해 핵 변환을 사용하는 원자로, 또는 카를로 루비아 등이 고안한 에너지 증폭기 개념을 사용하는 원자로 등이 있다.
뮤온 촉매 융합의 또 다른 이점은 삼중수소 없이 순수한 중수소 가스로 융합 과정을 시작할 수 있다는 것이다. ITER 또는 Wendelstein X7과 같은 플라즈마 융합 원자로는 시작하기 위해 삼중수소가 필요하며 삼중수소 생산 시설 또한 필요하다. 뮤온 촉매 융합은 작동 중에 삼중수소를 생성하며 중수소:삼중수소 비율이 약 1:1에 도달할 때까지 작동 효율을 최적의 지점까지 증가시킨다. 뮤온 촉매 융합은 삼중수소 생산 시설로 작동하여 물질 및 플라즈마 융합 연구를 위해 삼중수소를 제공할 수도 있다.
4. 2. 실용화를 위한 문제점
뮤온 촉매 핵융합 과정의 실용화에는 몇 가지 중요한 문제점들이 존재한다.첫째, 뮤온은 불안정하여 정지 좌표계에서 2.2 마이크로초 안에 붕괴된다.[10] 따라서 뮤온을 저렴하게 생산하고, 붕괴 전에 가능한 많은 핵융합 반응을 촉매하도록 하는 것이 중요하다.
둘째, "알파-스티킹" 문제가 있다. 이는 중수소-삼중수소 핵융합에서 발생하는 알파 입자에 뮤온이 달라붙는 현상으로, 약 1%의 확률로 발생한다.[10] 뮤온이 알파 입자에 달라붙으면 뮤온 촉매 과정에서 제거되어 촉매 작용을 잃게 된다. 잭슨의 초기 추정에 따르면, 각 뮤온은 알파 입자에 달라붙기 전에 평균 약 100번의 d-t 융합을 촉매할 수 있는데, 이는 에너지 생산의 손익분기점에 필요한 횟수의 약 5분의 1에 불과하다.[10]
최근 측정에서는 α-스티킹 확률이 약 0.3%에서 0.5% 사이로 나타나, 뮤온당 약 200번(최대 350번)의 뮤온 촉매 d-t 융합이 가능할 수 있음을 보여준다.[10] 스티븐 E. 존스가 이끄는 팀은 로스앨러모스 메존 물리 시설에서 뮤온당 평균 150번의 d-t 융합을 달성하기도 했다.[10] 그러나 이러한 수치도 산업적 손익분기점에는 미치지 못한다.
셋째, 뮤온 생성에 많은 에너지가 소모된다. 뮤온당 전기 에너지 비용에 대한 최근 추정치는 가속기에서 약 6GeV이다.[10]
2012년에는 홀 효과를 사용한 몇 가지 발견이 유망한 것으로 보고되었지만, 실용적인 에너지 생산 방법은 아직 발표되지 않았다.[10] 고든 푸쉬는 뮤온 촉매 핵융합의 손익분기점 계산에서 뮤온 빔 자체가 표적에 가하는 열 에너지를 고려해야 한다고 지적했다.[10]
2021년, 켈리, 하트, 로즈는 생성된 열 에너지와 가속된 중수소의 운동 에너지 비율(Q)을 최적화하는 μCF 모델을 제시했다.[11] 이 모델에서는 리튬-납 쉘에서 삼중수소 증식으로 인한 열 에너지도 회수했다.[12] 최상의 Q 값은 약 130%로 나타났지만, 이는 여러 가정을 기반으로 한 결과이다.
핵융합 반응 생성물인 헬륨 핵에 음의 뮤온이 속박되는(뮤오닉 헬륨 원자가 생성되는) 과정이 현재 속도 결정 단계로 중요하게 작용한다. 헬륨 핵은 전하 를 가져 수소 동위체보다 음의 뮤온을 더 강하게 끌어당기며, 헬륨 핵에 속박된 음의 뮤온은 다시 해방될 확률이 매우 낮다.[10]
5. 연구 현황
μ 촉매 핵융합에서는 중수소, 삼중수소를 고온 플라스마 상태로 만들 필요가 없고, 토카막형처럼 그것들을 가두어두기 위한 대규모의 가둠 자기장 장치 등도 필요하지 않다(실제 μ 촉매 핵융합 실험은 저온에서 액화된 중수소, 삼중수소의 혼합물에 음의 뮤온을 조사하여 수행된다).[1] 한편, 음의 뮤온을 생성하려면 양성자 가속기 시설(중간자 공장)이 필요하므로, 그 에너지 비용까지 고려할 경우, 뮤온 생성 에너지와 핵융합으로 얻어지는 에너지가 균형을 이루려면(과학적 브레이크 이븐), 한 개의 음의 뮤온이 300회 정도의 핵융합 반응을 매개할 필요가 있다(더욱이 μ 촉매 핵융합로에 의한 에너지 생산을 위해서는 최소 500회).[1]
지금까지 시도된 일련의 실험에서, 한 개의 음의 뮤온이 매개하는 핵융합 반응은 최고 150회 정도에 머물러 있다.[1] 현재, 그 속도 결정 단계로서 핵반응 생성물인 헬륨 핵에 음의 뮤온이 속박되는(즉, 뮤오닉 헬륨 원자가 생긴다) 과정이 중요함은 밝혀졌지만, 이 벽을 어떻게 극복할지에 대해서는 아직 모색 중인 단계라고 할 수 있다(헬륨 핵은 전하 +2''e''이므로 수소 동위체보다 음의 뮤온을 끌어당기기 쉽고, 일단 헬륨 핵에 속박된 음의 뮤온은 다시 해방될 확률이 극히 적다는 것이 알려져 있다).[1]
6. 대중문화
아서 C. 클라크의 소설 《2061년 우주의 오디세이》에서는 뮤온 촉매 핵융합을 이용하여 추진제를 가속하여 분사・추진하는 우주선이 등장한다. 이 "뮤온 구동"의 발명자는 안드레이 사하로프로 되어 있다.[24][25]
반다이남코 게임스(현 반다이남코 엔터테인먼트)의 비행 SLG 《에이스 컴뱃 X 스카이즈 오브 데셉션》에 등장하는 오렐리아 연방 공화국은 미래의 에너지원으로 뮤온 촉매 핵융합로 연구를 추진하고 있으며, 그 일환으로 수도 그리즈월에 거대 싱크로트론 시설 "아토스 링"을 건설하고 있다. 극중 오렐리아를 침공한 레사스 민주 공화국군은 그리즈월 점령 후, 그 지역 거점 방어용으로 아토스 링을 이용한 하전 입자포 "메손 캐논"을 건조했다.[28]
참조
[1]
웹사이트
Particle Data Group
https://pdg.lbl.gov/[...]
[2]
학술지
Hypothetical Alternative Energy Sources for the 'Second Meson' Events
[3]
학술지
Reactions caused by Miu-mesons in Hydrogen
[4]
문서
[5]
문서
[6]
문서
[7]
학술지
Cold Nuclear Fusion
[8]
학술지
Muon-Catalysed Fusion Revisited
[9]
서적
Advances in nuclear physics
https://books.google[...]
Springer Science+Business Media|Springer
[10]
간행물
"Migma" fusion
http://yarchive.net/[...]
2015-11-17
[11]
학술지
An investigation of efficient muon production for use in muon catalyzed fusion
[12]
학술지
Active target production of muons for muon-catalyzed fusion
[13]
웹사이트
NIST Constants
http://physics.nist.[...]
National Institute of Standards and Technology
[14]
서적
Too Hot to Handle: The Race for Cold Fusion
Penguin
[15]
서적
Cold Fusion: The Scientific Fiasco of the Century
Oxford University Press
[16]
학술지
Catalysis of Nuclear Reactions between hydrogen isotopes by μ−-Mesons
[17]
학술지
μ-Mesonic Molecules. II. Molecular-Ion Formation and Nuclear Catalysis
[18]
문서
[19]
학술지
Concerning one possible mechanism of production of the mesic-molecular ion (ddµ)+
http://www.jetplette[...]
[20]
학술지
High precision study of muon catalysed fusion in D2 and H2 gas
[21]
문서
[22]
학술지
Catalysis of Nuclear Reactions by μ Mesons
[23]
문서
[24]
뉴스
Cold Fusion of Hydrogen Atoms; A Fourth Method Pulling Together
https://www.nytimes.[...]
1956-12-30
[25]
학술지
The Pod in the Barrier
[26]
서적
現代物理学[基礎シリーズ]8 原子核物理学
朝倉書店
[27]
웹사이트
ミュオンとは ミュオン科学研究系
http://www2.kek.jp/i[...]
Institute of Materials Structure Science
2017-08-03
[28]
웹사이트
蒼青のミラージュ 世界観
https://neoforce.jp/[...]
2018-08-09
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com