퓨저

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1. 개요

퓨저는 필로 파운즈워스가 1930년대 초에 고안한 핵융합 연구 장치이다. 퓨저는 진공관 설계에서 발견된 멀티팩터 효과를 이용하여 고온 고밀도 플라즈마를 유지하는 방식으로, 정전기력을 통해 이온을 가속시켜 핵융합 반응을 일으킨다. 퓨저는 중성자 발생 장치, 의료용 동위원소 생산, 우주 추진 등 다양한 분야에 응용될 가능성이 있으며, 아마추어들도 소규모로 제작할 수 있다. 퓨저 제작 및 작동에는 고전압, X선 및 중성자 방출 등 안전에 대한 주의가 필요하다.

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퓨저

2. 역사

퓨저의 원형은 텔레비전의 선구자로 알려진 필로 파운즈워스가 발명했다. 1930년대 초, 텔레비전용 진공관을 설계하던 그는 전극에서 전극으로 전자가 이동할 때 고주파 자기장에 의해 중간에 멈추는 현상을 발견하고, '멀티팩터'라고 명명했다. 파운즈워스는 이 현상을 핵융합에 응용할 수 있다고 생각하여, 전자 또는 이온의 "벽"으로 플라스마를 가두는 장치를 고안했다. 그는 이 가상 전극의 개념을 ''퓨저''라고 명명했다.

파언스워스형의 원형적인 퓨저 설계는 원통형으로 배열된 전극을 기초로 하며, 멀티팩터 효과를 기반으로 한다. 연료를 양의 전하로 이온화하여 전극 바깥쪽의 작은 가속기에서 전극에 설치된 구멍을 통해 쏘아 보낸다. 구멍을 통과하면 연료는 빠른 속도로 안쪽의 반응부로 가속된다. 양의 전하를 가진 전극의 정전기력은 연료를 챔버 벽에서 떨어지도록 유지하며, 새로운 이온의 충돌에 의해 중심부에 고온의 플라스마가 생성된다. 그는 이것을 '''관성 정전장 가둠'''이라 칭했으며, 이 용어는 오늘날까지 사용되고 있다.

1960년대에는 다양한 형태의 퓨저가 조립되었다. 이 모델들은 구형의 반응부를 이용했지만, 가속기에서 공급되는 연료의 양이 스케일 업에 문제가 되어, 연료 부족이 반응이 급격히 손실되는 원인이 되었다.

로베르토 히르시는 이온 가속기나 멀티팩터 효과에 의존하지 않는 새로운 설계의 퓨저를 제안했다. 두 개의 구형 전극을 겹쳐서 배치하고, 안쪽은 희박한 연료 기체로 채우는 구조였다. 이 형식에서 가속기는 필요하지 않았고, 바깥쪽 전극 주변의 코로나 방전이 충분한 이온원으로 사용될 수 있었다. 이 디자인은 공식적으로 히르슈-미크 퓨저라고 불리며, 오늘날까지 연구가 계속되고 있다.

2. 1. 발명

퓨저는 원래 텔레비전 분야의 선구적인 업적으로 더 잘 알려진 필로 T. 퍼네스워스(Philo T. Farnsworth)가 구상했다. 1930년대 초, 그는 텔레비전에 사용하기 위한 여러 진공관 설계를 연구했으며, 흥미로운 효과를 가져오는 설계를 발견했다. 그가 "멀티팩터"라고 부른 이 설계에서, 한 전극에서 다른 전극으로 이동하는 전자는 적절한 고주파 자기장의 적용으로 중간 비행에서 멈췄다. 그런 다음 전하는 튜브의 중심에 축적되어 높은 증폭을 유발했다. 불행하게도 전자가 결국 전극에 충돌했을 때 전극에 높은 침식을 유발했으며, 오늘날 멀티팩터 효과는 일반적으로 피해야 할 문제로 간주된다.^[1]

퍼네스워스가 이 장치에 특히 관심을 가졌던 점은 특정 지점에서 전자를 집중시키는 능력에 있었다. 핵융합 발전 연구에서 가장 큰 문제 중 하나는 뜨거운 연료가 용기의 벽에 부딪히는 것을 막는 것이다. 이것이 허용되면, 핵융합 반응이 일어나기에 충분히 뜨겁게 연료를 유지할 수 없다. 퍼네스워스는 반응기의 "벽" 전계가 ''멀티팩터''에 의해 제자리에 고정된 전자 또는 이온인 정전기 플라스마 평형 및 안정성 구속 시스템을 구축할 수 있다고 추론했다. 그런 다음 연료를 벽을 통해 주입할 수 있으며, 일단 내부에 들어가면 탈출할 수 없게 된다. 그는 이 개념을 가상 전극이라고 불렀고, 전체 시스템을 ''퓨저''라고 불렀다.^[1]

2. 2. 초기 설계

필로 T. 퍼네스워스는 텔레비전 분야의 선구자로, 1930년대 초 텔레비전에 사용하기 위한 여러 진공관 설계를 연구했다. 그는 "멀티팩터"라고 불리는 설계에서 전극 간 이동하는 전자가 고주파 자기장에 의해 중간에 멈추는 현상을 발견했다. 이로 인해 전하가 튜브 중심에 축적되어 높은 증폭을 유발했지만, 전자가 전극에 충돌하여 침식을 일으키는 문제가 있었다. 오늘날 멀티팩터 효과는 일반적으로 피해야 할 문제로 여겨진다.^[1]

퍼네스워스는 전자를 특정 지점에 집중시키는 이 장치의 능력에 주목했다. 핵융합 발전 연구의 주요 과제 중 하나는 뜨거운 연료가 용기 벽에 닿는 것을 막는 것이었다. 그는 "멀티팩터"로 전자를 가두는 정전기 플라스마 평형 및 안정성 구속 시스템을 구축할 수 있다고 생각했다. 연료를 벽을 통해 주입하면 내부에 갇혀 탈출할 수 없게 되는데, 그는 이 개념을 가상 전극, 전체 시스템을 ''퓨저''라고 불렀다.^[1]

판스워스의 초기 퓨저 설계는 초기 멀티팩터와 같이 원통형 전극 배열을 기반으로 했다. 연료는 이온화된 후 외부 (물리적) 전극의 구멍을 통해 작은 가속기로부터 발사되었다. 구멍을 통과하면 고속으로 내부 반응 영역을 향해 가속되었다. 양전하를 띤 전극의 정전기적 압력은 연료 전체를 챔버 벽에서 떨어뜨리고, 새로운 이온의 충돌은 가장 뜨거운 플라즈마를 중앙에 유지했다. 그는 이것을 오늘날까지 사용되는 용어인 관성 정전기 구속(IEC)이라고 불렀다.^[1] 융합이 일어나려면 전극 간의 전압이 최소 25kV 이상이어야 했다.^[1]

2. 3. 발전

로버트 허쉬가 등장하면서 상황은 극적으로 바뀌었다.^[23] 허쉬는 1967년에 자신의 설계를 발표했는데, 이 설계에는 진공 챔버에 이온을 발사하는 이온 빔이 포함되었다. 허쉬의 설계를 기반으로 한 새로운 퓨저는 1964년에서 1967년 사이에 처음으로 제작되었다.

로베르토 히르시는 이온 가속기나 퍼네스워스가 사용했던 멀티팩터 효과에 의존하지 않는 새로운 퓨저 디자인을 제안했다. 그는 두 개의 구형 전극을 겹쳐서 배치하고, 안쪽은 희박한 연료 기체로 채우는 구조를 고안했다. 이 형식에서는 바깥쪽 전극 주변의 코로나 방전이 이온원으로 사용될 수 있었고, 가속기는 필요하지 않았다. 연료 가스는 이온화되면 음전하를 띤 안쪽 전극 방향으로 끌어당겨지고, 이 전극들을 통과하여 중앙 반응부로 들어가는 방식이었다.

이 시스템은 개념적으로 퍼네스워스식 원형 퓨저 설계의 유형이었지만, 반응에 사용하는 전극은 안쪽에 설치되어 있었다. 이온은 안쪽 전극 근처에 모여 양전하 껍질을 구성하고, 껍질 바깥쪽에서 공급된 새로운 이온은 그 속도로 인해 껍질을 관통한다. 이온이 껍질 안으로 들어가면 중심부로 압력을 받고, 냉각기도 스스로 껍질 안으로 들어가 함께 모여 중앙부에서 플라스마를 발생시킨다. 이 디자인은 허쉬-미크 퓨저(Hirsch-Meeks Fusor)라고 불리며, 오늘날까지 연구가 계속되고 있다.

2. 4. 최근 개발 동향

일리노이 대학교의 조지 H. 마일리는 퓨저를 재검토하고 이 분야에 다시 도입했다. 그 이후로 퓨저에 대한 낮은 수준이지만 꾸준한 관심이 지속되었다. 중요한 발전은 퓨저 기반의 중성자 발생기의 상업적 성공적인 도입이었다. 로버트 W. 부사드는 2006년부터 2007년 사망할 때까지 퓨저와 설계가 유사하며, 유용한 전력 생산이 가능하다고 언급한 폴리웰이라는 반응로에 대해 강연했다.^[24] 최근에는 퓨저가 상대적으로 적은 공간, 비용, 전력 요구 사항 때문에 아마추어들 사이에서 자작 프로젝트로 인기를 얻고 있다. "퓨저 연구가"들의 온라인 커뮤니티인 오픈 소스 퓨저 연구 컨소시엄(Fusor.net)은 퓨저 분야의 개발 상황을 보고하고 다른 아마추어들의 프로젝트를 지원하는 데 전념하고 있다. 이 사이트에는 펀스워스의 원본 특허를 비롯하여 허쉬가 발명한 버전의 특허를 포함하여 퓨저에 대한 포럼, 기사 및 논문이 포함되어 있다.^[25]

3. 작동 원리

핵융합은 원자핵들이 핵력에 의해 서로 끌어당겨져 더 큰 하나의 핵으로 합쳐질 때 일어난다. 그러나 핵 안의 양성자들은 전자기력으로 인해 서로 밀어내기 때문에, 핵융합을 일으키려면 핵들이 이 쿨롱 장벽을 극복할 수 있을 만큼 충분한 에너지를 가져야 한다. 핵력은 양성자와 중성자의 수에 따라 강해지고, 전자기력은 양성자의 수에 따라서만 강해지므로, 핵융합이 가장 쉬운 원자는 수소의 동위 원소인 중수소(중성자 1개)와 삼중수소(중성자 2개)이다. 수소 연료의 경우, 핵융합 반응이 일어나려면 약 3~10 keV의 에너지가 필요하다.^[18]

일반적인 핵융합 발전 방식은 연료를 매우 높은 온도로 가열하여, 일부 입자들이 필요한 에너지를 갖도록 하는 것이다.^[18] 핵융합 반응 속도가 주변으로의 에너지 손실을 상쇄하고, 주변 연료를 가열하여 자체 유지 반응(''점화'')을 일으킬 만큼 충분한 에너지를 생성해야 한다. 계산에 따르면 이는 약 5천만 켈빈(K)에서 발생하지만, 실제로는 1억 K 정도의 더 높은 온도가 필요하다.

퓨저는 이온을 서로 직접 가속하여 핵융합을 일으키는 장치이다. 정전기력을 이용하여 이온을 가속시키는데, ±1 전하를 가진 이온이 1 볼트의 전압으로 가속될 때마다 1 전자볼트의 에너지를 얻는다. 핵융합 반응을 일으키기 위해 필요한 ~10 keV를 얻으려면 10 kV의 전압이 필요하다. 여러 이유로 약 15 keV 정도의 에너지가 사용되는데, 이는 약 1억 7400만 켈빈의 온도에 해당한다.^[18]

하지만, 충돌 빔 융합 방식에서는 이온이 서로 충돌할 확률이 낮아 산란되어 융합에 실패하는 문제가 있다. 산란 확률이 융합 속도보다 수십 배나 높아, 이온에 공급된 에너지 대부분이 낭비된다.^[20] 퓨저는 가속 그리드 시스템의 구형 배열을 통해 융합에 실패한 이온을 재활용하여 에너지 손실을 줄인다. 융합에 실패한 이온은 장치 중앙을 통과하여 반대편 가속기로 다시 들어가 중앙으로 가속된다. 이 과정에서 이론적으로 에너지 손실이 없으며, 산란된 이온도 새로운 궤적을 통해 다시 중앙으로 가속되어 융합될 기회를 얻는다.^[20]

퓨저의 실제 시동 과정에서, 전극에 전압이 가해지면 전극 사이의 원자가 전계에 노출되어 이온화되고 안쪽으로 가속된다. 원자가 무작위로 분포되어 시작되므로, 얻는 에너지의 양은 다르다. 애노드 근처의 원자는 높은 에너지를 얻지만, 음극 근처의 원자는 낮은 에너지를 얻어 핵융합을 겪기 어려울 수 있다.^[20] 시동 기간 동안 내부 영역의 연료 원자는 이온화되지 않고, 가속된 이온과 산란되어 에너지를 잃고, 이전에 차가웠던 원자를 이온화시킨다. 이 과정과 다른 이온으로부터의 산란은 이온 에너지가 무작위로 분포되게 하고, 연료가 비열적 분포를 띠게 한다. 따라서 퓨저 시스템에서 필요한 에너지는 연료가 다른 방법으로 가열되는 경우보다 더 높다.^[20]

실제 전극은 무한히 얇지 않아, 전선에서 산란되거나 전극 내에서 이온이 포획될 가능성은 높은 전도 손실을 야기한다. 이러한 손실은 핵융합 반응에서 방출되는 에너지보다 최소 5자리 수 이상 더 높을 수 있다.^[21] 다른 손실 메커니즘으로는 고에너지 이온과 저에너지 중성 입자 간의 전하 교환, 이온의 산란으로 인한 에너지 증가 및 탈출, 제동 복사에 의한 에너지 손실 등이 있다.^[20] 특히 제동 복사는 챔버에 남아있는 불순물에 의해 상당한 X선을 생성하여 연료에서 에너지를 빼앗는다.^[20]

이러한 손실 메커니즘 때문에, 퓨저는 손익분기점 에너지 출력을 거의 달성하지 못했고, 결코 달성할 수 없을 것으로 보인다.^[20]^[22]

3. 1. 기본 원리

퓨저는 정전기력을 이용하여 이온을 가속, 융합시키는 장치군에 속한다. 1 볼트의 전압으로 가속된 ±1 전하를 가진 이온은 1 전자볼트의 에너지를 얻는다. 융합에 필요한 에너지(~10 keV)를 얻기 위해서는 10 kV의 전압이 필요하다. 약 15 keV 정도의 에너지가 사용되는데, 이는 약 1억 7400만 켈빈의 온도에 해당하며, 전형적인 자기 제한 융합 플라스마 온도에서의 평균 운동 에너지와 같다.

이러한 충돌 빔 융합 방식의 문제점은 이온들이 서로 충돌할 확률이 낮다는 것이다. 약간의 정렬 불량만으로도 입자가 산란되어 융합에 실패한다. 산란 확률이 융합 속도보다 훨씬 높기 때문에, 이온에 공급된 에너지 대부분이 낭비된다. 에너지 효율을 높이려면 융합 장치가 이온을 재활용하여 수천, 수백만 번의 융합 기회를 갖게 해야 하며, 이 과정에서 최대한 많은 에너지를 유지해야 한다.

퓨저는 가속 그리드 시스템의 구형 배열을 통해 이를 해결한다. 융합에 실패한 이온은 장치 중앙을 통과하여 반대편 가속기로 들어가 다시 중앙으로 가속된다. 이 과정에서 이론적으로 에너지 손실이 없으며, 이온은 영원히 순환할 수 있다. 산란된 이온도 새로운 궤적을 가지며 순환을 계속하여 결국 융합이 일어날 수 있게 된다.^[20]

파언스워스형의 퓨저 설계는 원통형 전극 배열을 기반으로 한다. 전극을 양전하로 하고, 연료를 양전하로 이온화하여 전극 바깥쪽 가속기에서 전극의 구멍을 통해 쏘아 보낸다. 연료는 고속으로 반응부로 가속되고, 정전기력에 의해 챔버 벽에서 떨어지도록 유지되며, 중심부에 고온 플라스마가 생성된다. 이를 '''관성 정전장 가둠'''이라고 한다.

1960년대에는 다양한 형태의 퓨저가 만들어졌다. 이들은 구형 반응부를 사용하지만, 그 외에는 원래 개념과 유사하다.

퓨저가 중성자를 발생시키는 원리는 다음과 같다. 진공 용기 중앙에 투과율이 높은 음극을 배치하고 음의 고전압을 가하여 하전 입자를 생성한다. 하전 입자는 전위차에 의해 장치 중심으로 가속되어 음극 반대편을 통과하고, 감속 후 다시 중앙부로 가속된다. 이러한 가속·감속을 반복하는 과정에서 입자 간 충돌이 발생하고, 이 충돌 시 핵융합 반응이 일어난다.^[34] 핵융합 반응의 원인으로는 이중 우물 포텐셜 효과나 터널 효과 등이 거론되지만, 자세한 이유는 아직 밝혀지지 않았다.^[34] 핵융합 반응으로 발생하는 입자는 봉입되는 가스 종류에 따라 달라지며, 중성자 발생에는 중수소(D), 삼중수소(T) 가스가 주로 사용된다. 가스 종류를 변경하면 발생하는 입자의 종류, 에너지, 발생량, 발생 시간을 조절할 수 있다.^[34]

3. 2. 핵융합 물리학

핵융합은 원자핵들이 핵력에 의해 서로 끌어당겨져 더 큰 하나의 핵으로 합쳐질 수 있을 만큼 가까워질 때 일어난다. 그러나 핵 안의 양성자들은 전자기력으로 인해 서로 밀어내기 때문에, 핵융합을 일으키려면 핵들이 이 쿨롱 장벽을 극복할 수 있을 만큼 충분한 에너지를 가져야 한다. 핵력은 양성자와 중성자의 수에 따라 강해지고, 전자기력은 양성자의 수에 따라서만 강해지므로, 핵융합이 가장 쉬운 원자는 수소의 동위 원소인 중수소(중성자 1개)와 삼중수소(중성자 2개)이다. 수소 연료의 경우, 핵융합 반응이 일어나려면 약 3~10 keV의 에너지가 필요하다.^[18]

일반적인 핵융합 발전 방식은 연료를 매우 높은 온도로 가열하여, 일부 입자들이 필요한 에너지를 갖도록 하는 것이다.^[18] 핵융합 반응 속도가 주변으로의 에너지 손실을 상쇄하고, 주변 연료를 가열하여 자체 유지 반응(''점화'')을 일으킬 만큼 충분한 에너지를 생성해야 한다. 계산에 따르면 이는 약 5천만 켈빈(K)에서 발생하지만, 실제로는 1억 K 정도의 더 높은 온도가 필요하다. 이러한 극도로 높은 온도 때문에 핵융합 반응은 ''열''핵 반응이라고도 불린다.

원자가 수천 도 이상으로 가열되면 전자는 핵에서 떨어져 나와 플라즈마 상태가 된다. 플라스마는 자유롭게 움직이는 전하로 구성되어 자기장과 전기장으로 제어할 수 있다. 핵융합 장치는 이 성질을 이용하여 연료를 수백만 도의 온도로 유지한다.

핵융합은 가벼운 원자핵이 결합하여 더 무거운 핵이 되는 반응으로, 질량을 에너지로 변환하여 핵융합 발전에 이용할 수 있다. 여러 종류의 원자가 융합될 수 있지만, 가장 쉬운 것은 중수소와 삼중수소이다. 융합이 일어나려면 이온은 최소 4 keV (약 4500만 켈빈)의 온도를 가져야 한다. 두 번째로 쉬운 반응은 중수소끼리의 융합으로, 아마추어들이 흔히 사용하는 연료이다. 핵융합 반응의 용이성은 유효 단면적으로 측정된다.^[26]

파언스워스형 퓨저의 기본 설계는 원통형 전극을 기반으로 한다. 전극을 양의 전하로 만들고, 연료를 양의 전하로 이온화하여 전극 바깥쪽의 작은 가속기에서 전극의 구멍을 통해 쏘아 보낸다. 구멍을 통과한 연료는 빠른 속도로 반응부로 가속된다. 양전하 전극의 정전기력은 연료를 챔버 벽에서 떨어지게 유지하고, 새로운 이온의 충돌로 중심부에 고온의 플라즈마가 생성된다. 이를 '''관성 정전장 가둠'''이라고 한다.

1960년대에는 다양한 형태의 퓨저가 만들어졌다. 이들은 구형 반응부를 사용하지만, 그 외에는 원래 개념과 유사하다. 파언스워스는 연구를 공개했고, 여러 연구실에서 자체적인 퓨저 설계를 만들었다. 그러나 가속기에서 공급되는 연료의 양이 스케일 업에 문제가 되어, 연료 부족으로 반응이 급격히 손실되는 문제가 있었다.

퓨저는 중성자를 발생시키기 위해 진공 용기 중앙에 음극을 배치하고 높은 전압을 가한다. 하전 입자는 전극 간의 전위차에 의해 장치 중심으로 가속되어 음극 반대편을 통과하고, 통과한 이온은 감속되어 다시 중앙부로 가속된다. 이 가속·감속을 반복하는 하전 입자들끼리, 또는 하전 입자와 배경 입자, 중성화된 가속 중성 입자와 배경 입자의 충돌이 발생한다.^[34] 이 충돌 시 핵융합 반응이 일어난다. 핵융합 반응의 원인은 이중 우물 포텐셜 효과나 터널 효과 등이 있지만, 자세한 이유는 아직 밝혀지지 않았다.^[34] 핵융합 반응으로 발생하는 입자는 가스의 종류에 따라 달라지며, 중성자를 발생시키기 위해서는 중수소(D), 삼중수소(T) 가스가 주로 사용된다. 가스 종류를 변경하면 발생하는 입자의 종류와 에너지를 조절할 수 있고, 발생량과 시간도 자유롭게 조절할 수 있다.^[34]

Farnsworth–Hirsch Fusor 작동 중 "스타 모드"라고 불리는 특징적인 전극 사이의 플라스마에서 방출되는 "광선"

핵융합 반응은 에너지를 발생시키므로 핵융합 에너지를 동력으로 사용할 수 있다. 중수소와 삼중수소는 낮은 에너지 반응에서 일어나지만, 이온은 최소 4,500만 K (4 keV)의 온도를 가져야 한다. 이 온도에서 연료 원자는 이온화되어 플라스마 상태가 된다. 실용 핵융합 발전소에서는 핵융합 반응이 초기 에너지 손실을 보충할 만큼 충분한 에너지를 발생시켜야 한다. 반응률은 온도와 연료 밀도에 따라 달라지며, 손실률은 에너지 가둠 시간 τ_E로 나타내진다. 필요한 최소 상태는 로슨 기준으로 표현된다. 자기장 가둠 방식에서는 자기장으로 고온의 플라즈마를 유지하여 필요한 상태에 도달하지만, 이는 매우 어렵다는 것이 밝혀졌다.

원래 퓨저는 작은 입자 가속기를 사용한 것으로, 양쪽 끝이 없는 브라운관과 같은 구조로, 주입된 이온은 낮은 전압으로 반응부에 투입된다. Hirsch 형식 퓨저에서는 반응부에서 이온화된 묽은 가스로 이온이 생산된다. 이 형식은 크기가 다른 동심 구형 전극을 가지며, 내부 전극은 외부 전극에 대해 음전하를 띤다. 이온은 전극 사이 범위에 들어가면 중심부로 가속된다. 퓨저에서는 이온이 수 keV의 전극에 의해 가속되므로, 에너지를 잃기 전에 융합하기만 하면 가열할 필요가 없다. 4,500만 K는 매우 고온이지만, 이에 상응하는 전압은 4 kV로, 네온등이나 텔레비전에서 흔히 볼 수 있는 수준이다. 이온이 초기 에너지를 유지하고 있다면, 반응 단면적의 이점을 활용하거나, 고에너지에서 발생하는 불리한 반응을 피하여 에너지로 전환할 수 있다.

이온 에너지 증대의 용이성은 양성자와 붕소-11의 핵융합과 같은 고온 핵융합에 유용하다. 이 융합 형식에 필요한 연료는 풍부하며, 삼중수소를 필요로 하지 않고, 첫 번째 반응에서 중성자를 발생시키지 않는다. 그러나 정전 전위가 충분하지 않아 이온과 전자를 동시에 포획할 수 없으므로, 전위 전하 축적 범위 내에 있어야 하며, 이는 달성 가능한 밀도에 상한을 가져온다. 출력 밀도의 상한은 D-T 연료를 가정하더라도 동력원으로는 너무 작다.

3. 3. 에너지 손실 메커니즘

퓨저는 이온을 서로 직접 가속하여 핵융합 관련 에너지를 제공하는 장치군에 속한다. 퓨저의 경우, 정전기력을 통해 이온을 가속시킨다. ±1 전하를 가진 이온이 1 볼트의 전압으로 가속될 때마다 1 전자볼트의 에너지를 얻는다. 핵융합 반응을 일으키기 위해 필요한 ~10 keV를 얻으려면 10 kV의 전압이 필요하다.^[18] 여러 이유로, 약 15 keV 정도의 에너지가 사용되는데, 이는 약 1억 7400만 켈빈의 온도에 해당한다.^[18]

일반적으로 충돌 빔 융합 방식에서는 이온이 서로 충돌할 확률이 낮아 산란되어 융합에 실패하는 문제가 있다. 산란 확률이 융합 속도보다 수십 배나 높아, 이온에 공급된 에너지의 대부분이 낭비된다.^[20] 퓨저는 가속 그리드 시스템의 구형 배열을 통해 융합에 실패한 이온을 재활용하여 에너지 손실을 줄인다. 융합에 실패한 이온은 장치 중앙을 통과하여 반대편 가속기로 다시 들어가 중앙으로 가속된다. 이 과정에서 이론적으로 에너지 손실이 없으며, 산란된 이온도 새로운 궤적을 통해 다시 중앙으로 가속되어 융합될 기회를 얻는다.^[20]

퓨저의 실제 시동 과정에서, 전극에 전압이 가해지면 전극 사이의 원자가 전계에 노출되어 이온화되고 안쪽으로 가속된다. 원자가 무작위로 분포되어 시작되므로, 얻는 에너지의 양은 다르다. 애노드 근처의 원자는 높은 에너지를 얻지만, 음극 근처의 원자는 낮은 에너지를 얻어 핵융합을 겪기 어려울 수 있다.^[20] 시동 기간 동안 내부 영역의 연료 원자는 이온화되지 않고, 가속된 이온과 산란되어 에너지를 잃고, 이전에 차가웠던 원자를 이온화시킨다. 이 과정과 다른 이온으로부터의 산란은 이온 에너지가 무작위로 분포되게 하고, 연료가 비열적 분포를 띠게 한다. 따라서 퓨저 시스템에서 필요한 에너지는 연료가 다른 방법으로 가열되는 경우보다 더 높다.^[20]

실제 전극은 무한히 얇지 않아, 전선에서 산란되거나 전극 내에서 이온이 포획될 가능성은 높은 전도 손실을 야기한다. 이러한 손실은 핵융합 반응에서 방출되는 에너지보다 최소 5자리 수 이상 더 높을 수 있다.^[21] 다른 손실 메커니즘으로는 고에너지 이온과 저에너지 중성 입자 간의 전하 교환, 이온의 산란으로 인한 에너지 증가 및 탈출, 제동 복사에 의한 에너지 손실 등이 있다.^[20] 특히 제동 복사는 챔버에 남아있는 불순물에 의해 상당한 X선을 생성하여 연료에서 에너지를 빼앗는다.^[20] 이 효과는 입자 에너지와 함께 증가하므로 시스템이 핵융합 관련 작동 조건에 접근할수록 문제가 더 커진다.^[22]

이러한 손실 메커니즘의 결과로, 어떤 퓨저도 손익분기점 에너지 출력을 거의 달성하지 못했고, 결코 달성할 수 없을 것으로 보인다.^[20]^[22]

4. 퓨저의 종류

퓨저는 정전기력을 이용하여 이온을 가속, 핵융합 반응을 유도하는 장치이다. 퓨저 내에서 이온들은 높은 전압에 의해 가속되어 핵융합에 필요한 에너지를 얻는다.

퓨저의 종류는 다음과 같다.

판스워스-허쉬 퓨저 (Farnsworth-Hirsch Fusor): 입자 가속기 또는 챔버 내 희석된 가스를 이온화하여 이온을 생성하고, 두 개의 동심원 구형 전극을 사용하여 이온을 가속시킨다. 이온이 전극 사이 영역에 들어가면 중심을 향해 가속되어 융합 반응이 일어난다.
허쉬-믹스 퓨저 (Hirsch-Meeks Fusor): 두 개의 구형 전극을 겹쳐 배치하고, 안쪽은 희박한 연료 기체로 채운다. 바깥쪽 전극 주변의 코로나 방전을 이온원으로 사용하여 연료 가스가 이온화되면 안쪽 전극 방향으로 끌어당겨 융합 반응을 유도한다.
폴리웰 (Polywell): 퓨저와 유사한 설계로, 로버트 버사드는 발전기로서의 능력이 있다고 주장했다.

4. 1. 판스워스-허쉬 퓨저 (Farnsworth-Hirsch Fusor)

퓨저는 정전기력을 이용하여 이온을 가속, 융합 반응을 유도하는 장치군에 속한다. 퓨저 내에서 ±1 전하를 가진 이온은 1 볼트의 전압으로 가속될 때마다 1 전자볼트의 에너지를 얻는다. 융합에 필요한 ~10 keV 에너지를 얻기 위해서는 10 kV의 전압이 필요하다. 이는 일반적인 텔레비전 음극선관의 전자총 전압(3~6 kV)보다 약간 높은 수준으로, 장치의 복잡성은 비교적 낮다. 여러 이유로 약 15 keV 정도의 에너지가 사용되는데, 이는 약 1억 7400만 켈빈의 온도에 해당하며, 전형적인 자기 제한 융합 플라즈마 온도의 평균 운동 에너지와 같다.

충돌 빔 융합 방식의 일반적인 문제는 이온들이 정확하게 조준되더라도 서로 충돌할 확률이 낮다는 것이다. 작은 정렬 불량으로도 입자가 산란되어 융합에 실패한다. 산란 확률이 융합 속도보다 훨씬 높기 때문에, 이온에 공급된 에너지 대부분이 낭비된다. 에너지 긍정성을 확보하려면 융합 장치가 이온을 재활용하여 수천 번의 융합 기회를 제공하고, 이 기간 동안 최대한 많은 에너지를 유지해야 한다.

퓨저는 가속 그리드 시스템의 구형 배열을 통해 이러한 요구를 충족시킨다. 융합에 실패한 이온은 장치 중앙을 통과하여 반대편 가속기로 다시 들어가 중앙으로 가속된다. 이 과정에서 에너지 손실은 없으며, 이론적으로 무한히 얇은 그리드 와이어를 가정하면 이온은 추가 에너지 없이 영원히 순환할 수 있다. 산란된 이온도 새로운 궤적을 통해 그리드를 빠져나가 다시 중앙으로 가속되면서 결국 융합이 일어날 수 있다.^[20]

원래 퓨저 설계는 여러 개의 작은 입자 가속기(TV 튜브와 유사)를 사용하여 낮은 전압으로 진공 챔버에 이온을 주입한다. 허쉬 버전에서는 챔버 내 희석된 가스를 이온화하여 이온을 생성한다. 두 버전 모두 두 개의 동심원 구형 전극을 사용하며, 내부 전극은 외부 전극에 대해 음전하(약 80kV)를 띤다. 이온이 전극 사이 영역에 들어가면 중심을 향해 가속된다.

퓨저에서 이온은 전극에 의해 수 keV까지 가속되므로, 이온이 에너지를 잃기 전에 융합된다면 가열 자체가 필요하지 않다. 45 메가켈빈은 매우 높은 온도이지만, 해당 전압은 4 kV에 불과하며, 이는 네온 사인 등에서 흔히 발견되는 수준이다. 이온이 초기 에너지를 유지한다면, 반응 유효 단면적의 피크를 활용하거나 불리한 반응을 피하도록 에너지를 조정할 수 있다.

마그네트론 유형 장치(전자레인지의 전원) 등을 사용하여 중수소 이온화율을 높이는 시도가 있었다. 이러한 장치는 고전압 전자기장을 사용하여 이온 형성을 향상시킬 수 있다. 이온 평균 자유 경로를 유지하는 한도 내에서 이온 밀도 또는 에너지를 증가시키는 모든 방법은 융합 수율을 향상시킬 것으로 예상된다.

이온 에너지 증가는 "고온" 융합 반응에 유용하다. 예를 들어 양성자-붕소 융합은 연료가 풍부하고, 방사성 삼중수소가 필요 없으며, 주 반응에서 중성자를 생성하지 않는다.

파언스워스형의 원형적인 퓨저 설계는 원통형으로 배열된 전극을 기본으로 하며, 멀티팩터 효과의 원형에 기초한다. 우선, 전극을 양의 전하로 하고, 연료를 양의 전하로 이온화하여 전극 바깥쪽의 작은 가속기에서 전극에 설치된 구멍을 통해 쏘아 보낸다. 일단 구멍을 통과하면 연료는 높은 속도로 안쪽의 반응부로 가속된다. 양의 전하를 가진 전극으로부터의 정전기력은 연료를 챔버 벽에서 떨어지도록 유지하며, 새로운 이온의 충돌에 의해 중심부에 고온의 플라즈마가 생성된다. 그는 이것을 '''관성 정전장 가둠'''으로 칭했으며, 이 용어는 오늘날까지 사용되고 있다.

1960년대에는 다양한 형태의 퓨저가 조립되었다. 이 모델들은 원래의 개념과는 달리, 구형의 반응부를 이용하고 있지만, 그 외의 점에서는 유사하다. 파언스워스는 연구 운영을 공개했고, 몇몇 연구실은 자체적인 퓨저 설계를 만들었다. 이들은 일반적으로 성공했지만, 이 형식은 가속기에서 공급되는 연료의 양이 스케일 업에 문제가 되어, 연료 부족이 반응이 급격히 손실되는 이유가 되었다.

4. 2. 허쉬-믹스 퓨저 (Hirsch-Meeks Fusor)

로베르토 히르시는 이온 가속기나 멀티팩터 효과에 의존하지 않는 새로운 퓨저 설계를 제안했다. 이 설계는 두 개의 구형 전극을 겹쳐 배치하고, 안쪽은 희박한 연료 기체로 채우는 구조였다. 바깥쪽 전극 주변의 코로나 방전을 이온원으로 사용하여, 연료 가스가 이온화되면 음전하를 띤 안쪽 전극 방향으로 끌어당긴다. 이 가스는 전극을 통과하여 중앙 반응부로 들어간다.

이 시스템은 개념적으로 파언스워스식 원형 퓨저 설계의 유형이지만, 반응에 사용하는 전극이 안쪽에 설치되어 있다는 차이점이 있다. 이온은 안쪽 전극 근처에 모여 양전하 껍질을 구성하고, 껍질 바깥쪽에서 공급된 새로운 이온은 그 속도로 인해 껍질을 관통한다. 이온이 껍질 안으로 들어가면 중심부로 압력을 받고, 냉각기도 껍질 안으로 들어가 함께 모여 중앙부에서 플라즈마를 발생시킨다. 이 디자인은 공식적으로 허쉬-믹스 퓨저라고 불리며, 오늘날까지 연구가 계속되고 있다.

4. 3. 폴리웰 (Polywell)

로버트 버사드는 2006년부터 2007년 사망할 때까지 퓨저와 유사한 설계인 Polywell(:en:Polywell)에 대해 언급하며, 이는 발전기로서의 능력이 있다고 주장했다.^[1]

5. 퓨저의 응용 분야

퓨저는 에너지원으로 사용 가능 여부와는 별개로, 비파괴 검사나 의료용 동위원소 제조 등에 사용 가능한 중성자원으로 활용될 수 있다.^[35] 발생하는 중성자속은 원자로나 입자 가속기만큼 높지는 않지만, 여러 분야에 활용하기에 충분하다. 특히 탁상에 설치 가능하고 쉽게 작동 및 정지가 가능하다는 장점이 있다.

다임러 크라이슬러 에어로스페이스는 1996년부터 2001년까지 우주 인프라 용도로 상업용 퓨저를 개발했다.^[35] 이후 해당 계획 책임자는 NSD-퓨전사를 설립했다.^[36] 일본에서는 대인 지뢰 탐색을 위한 개발도 진행되었다.^[37]

5. 1. 중성자 발생 장치

퓨저는 실행 가능한 중성자원으로 입증되었다. 일반적인 퓨저는 원자로나 입자 가속기와 같은 소스만큼 높은 중성자속을 달성할 수 없지만, 많은 용도에 충분하다. 중요하게도, 중성자 발생기는 쉽게 책상 위에 설치할 수 있으며, 스위치 조작으로 끌 수 있다. 상업용 퓨저는 1996년에서 2001년 초 사이에 다임러크라이슬러 항공우주 - 브레멘 우주 인프라 내에서 비핵심 사업으로 개발되었다.^[32] 프로젝트가 사실상 종료된 후, 전 프로젝트 매니저는 NSD-Fusion이라는 회사를 설립했다.^[11] 현재까지 퓨저와 유사한 장치에서 달성된 최고 중성자 플럭스는 중수소-중수소 핵융합 반응을 통해 초당 3 × 10¹¹ 중성자였다.^[9]

퓨저는 비파괴 검사, 의료용 동위원소 제조, 대인 지뢰 탐색^[37] 등에 이용 가능한 중성자원으로 사용될 수 있다.

5. 2. 의료용 동위원소 생산

스타트업들은 퓨저에서 생성된 중성자 플럭스를 사용하여 의료용으로 사용되는 테크네튬-99m의 전구체인 Mo-99을 생산했다.^[9]^[10] 퓨저는 비파괴 검사나 의료용 동위원소 제조에 이용 가능한 중성자원으로 사용될 수 있다는 것이 증명되었다. 발생하는 중성자속은 원자로나 입자 가속기에서 얻을 수 있는 양만큼 높지는 않지만, 많은 이용에 충분한 양이다. 이 중성자 발생 장치는 탁상에 설치 가능하며, 쉽게 시동 및 정지가 가능하다는 장점이 있다. 상업적인 퓨저는 비핵심 사업으로 우주 인프라 용도로 다임러 크라이슬러 에어로스페이스가 1996년부터 2001년에 걸쳐 개발했었다.^[35] 계획 완료 후, 이전 계획 부장은 NSD-퓨전사를 설립했다.^[36]

5. 3. 기타 응용 분야

일리노이 대학교의 조지 H. 마일리는 퓨저를 재검토하고 이 분야에 다시 도입했다. 그 이후로 퓨저에 대한 낮은 수준이지만 꾸준한 관심이 지속되었다. 중요한 발전은 퓨저 기반의 중성자 발생기의 상업적 성공적인 도입이었다.^[24]

에너지원으로 사용할 수 있는지 여부와는 별개로, 퓨저는 이미 비파괴 검사나 의료용 동위원소의 제조에 이용 가능한 중성자원으로 사용될 수 있다는 것이 증명되었다. 발생하는 중성자속은 원자로나 입자 가속기에서 얻을 수 있는 양만큼 높지는 않지만, 많은 이용에 충분한 양이다. 중요한 것은 이 중성자 발생 장치는 탁상에 설치 가능하며, 쉽게 시동 및 정지가 가능하다는 점이다. 상업적인 퓨저는 비핵심 사업으로 우주 인프라 용도로 다임러 크라이슬러 에어로스페이스(DaimlerChrysler Aerospace)가 1996년부터 2001년에 걸쳐 개발했었다.^[35] 계획의 원만한 종료 후, 이전 계획 부장은 NSD-퓨전사를 설립했다.^[36]

일본에서도 대인 지뢰 탐색을 목적으로 개발이 진행되었다.^[37]

6. 안전성

퓨저를 제작하고 작동할 때는 몇 가지 중요한 안전 문제를 고려해야 한다.

'''고전압''': 퓨저는 작동 시 높은 전압을 사용한다. 일반적인 고전압 전원으로는 ZVS 플라이백 HV 소스, 네온사인 변압기, 정전기 입자 가속기 등이 있다.^[31]
'''방사선''': 퓨저 내부의 이온과 전자는 움직이면서 가속 또는 감속하며, 이 과정에서 속도 변화로 인해 빛의 형태로 에너지를 방출한다. 퓨저에서 발생하는 방사선은 가시광선, 자외선, X선 스펙트럼에 존재할 수 있다.^[31] 특히, 입자 간의 정전기적 상호 작용으로 발생하는 '''제동 복사''' 방사선은 퓨저에서 흔히 발생한다.^[31]
'''X선''': 퓨저 내부에 남아있는 불순물, 특히 이온의 산란은 상당한 제동 복사를 일으켜 X선을 생성하며, 이는 시스템이 핵융합 관련 작동 조건에 가까워질수록 더 큰 문제가 된다.^[20]^[22]
'''기타''': 지역 및 규제 당국과의 홍보 및 잘못된 정보와 관련된 문제도 고려해야 한다.

7. 아마추어 퓨저 제작

소규모 전시용 퓨저는 아마추어도 제작할 수 있으며, 고등학생의 과학 실험 등에 사용된다.^[38]^[39]

퓨저 전극은 스폿 용접된 전극과 스테인리스강으로 제작된 링을 앵글로 연결하여 만들 수 있는데, 엄밀하게 배치하지 않아도 된다. 외부 전극은 비치볼 크기로 하고, 내부는 탁구공에서 야구공 크기로 한다. 네온사인이나 X선 장치에 사용되는 고압 트랜스 및 고압 증폭기를 사용하며, 자동차의 스파크 플러그용 전선으로 전기를 보낸다. 스파크 플러그 또는 유사한 애자로 진공 용기와 전선을 절연한다.

중수소는 핵물질로 규제되지 않는 물질을 통해 입수할 수 있다. 중성자는 알루미늄, 은, 인듐 박막 또는 플라스틱 중성자 검출기와 광 검출기로 측정할 수 있다. 전압은 2만 V로 위험하다. 중성자 방출은 전압을 40kV 상승시킨다. X선 방출 또한 위험하므로 관측창은 차폐할 필요가 있다.

참조

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