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핵융합로

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목차

1. 개요

핵융합로는 두 개 이상의 원자핵이 융합하여 에너지를 방출하는 현상을 이용하는 발전 기술이다. 핵융합 반응은 수소 원자핵 융합 시 가장 효율적이며, 플라스마 상태의 연료를 높은 온도와 압력에서 가두어 발생시킨다. 핵융합 발전은 온실가스 배출이 없고, 핵분열과 같은 연쇄 반응의 위험이 없으며, 해수에서 얻을 수 있는 중수소를 연료로 사용할 수 있다는 장점이 있다.

핵융합로의 종류에는 자기장 가둠 방식, 관성 가둠 방식 등이 있으며, 국제적으로 ITER(국제핵융합실험로) 건설과 KSTAR를 통한 연구가 진행되고 있다. 핵융합로 실용화를 위해서는 플라즈마를 안정적으로 유지하는 기술 개발이 중요하며, 고속 중성자에 의한 로벽 손상, 방사성 폐기물 처리, 삼중수소 관리 등의 과제가 남아있다.

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핵융합로
지도 정보
핵융합로
종류핵융합 반응을 이용하는 원자로
연구핵융합 에너지를 얻기 위해 개발 중
ITER와 같은 연구 프로젝트 진행 중
주요 구성 요소
플라스마고온의 이온화된 기체 상태
자기장플라스마를 가두고 제어하는 데 사용
토카막가장 일반적인 핵융합로 형태
도넛 모양의 진공 용기
작동 원리
핵융합 반응가벼운 원자핵이 융합하여 더 무거운 원자핵으로 변환
이때 방출되는 에너지 이용
연료일반적으로 중수소와 삼중수소 사용
고온 조건핵융합 반응을 일으키기 위해 매우 높은 온도 필요
장점
에너지 효율높은 에너지 생성 가능
상대적으로 적은 연료 필요
친환경성온실가스 배출량 적음
고준위 방사성 폐기물 발생량 적음
자원 가용성연료 자원이 풍부함
바닷물에서 중수소 추출 가능
단점
기술적 어려움플라스마 제어의 어려움
고온 유지 기술의 어려움
고에너지 중성자 문제
경제성높은 건설 비용
기술 개발 및 상용화에 오랜 시간이 걸림
연구 현황
실험 장치토카막 (ITER, KSTAR 등)
스텔라레이터 (W7-X 등)
관성 핵융합 장치 (NIF 등)
국제 협력ITER 프로젝트 등 국제적인 협력 활발
상용화아직 연구 개발 단계
21세기 중반 상용화 목표
추가 정보
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2. 핵융합 반응

핵융합 반응은 두 개 이상의 원자핵이 충분히 가까워질 때, 핵력이 정전기력을 극복하면서 더 무거운 원자핵으로 융합되는 현상이다.[9] 철-56보다 가벼운 원자핵은 융합 시 에너지를 방출하는 발열 반응을 일으키는 반면, 무거운 원자핵은 에너지를 흡수하는 흡열 반응을 보인다.[10]

핵융합을 일으키려면 연료 원자들이 서로 접근할 수 있도록 충분한 운동 에너지를 공급해야 한다. 이를 위해 원자를 매우 높은 온도로 가열하거나 입자 가속기로 가속한다. 원자가 이온화 에너지를 초과하여 가열되면 전자를 잃고 이온 상태가 되며, 이러한 이온과 자유 전자의 구름을 플라스마라고 한다.[11] 플라스마는 전기 전도성과 전하 분리 특성 덕분에 자기적으로 제어할 수 있어, 여러 핵융합 장치에서 고온 입자를 가두는 데 활용된다.

외부에서 가하는 에너지와 핵융합 반응으로 발생하는 에너지가 같아지는 조건을 "임계 플라스마 조건"이라고 한다.[12][13] 중수소와 삼중수소의 반응(D-T 반응)의 경우, 발전로 내에서 플라스마 온도 1억 ℃ 이상, 밀도 100조 개/cm3, 1초 이상 가두는 조건이 필요하다.[14] 2007년 10월 현재, JT-60 및 JET(유럽연합핵융합공동연구소)에서 이 조건을 달성했다고 알려져 있지만,[14] 발전로 실용화를 위한 자체 점화 조건[12] 달성은 여전히 도전 과제로 남아있다.

핵융합로에서는 주로 D-D 반응, D-T 반응, D + 3He 반응, p + 11B 반응이 검토된다. (D는 중수소, T는 삼중수소(트리튬), p는 양성자, n은 중성자, He는 헬륨)

2. 1. 핵융합 조건

핵융합 반응은 두 개 이상의 원자핵이 충분히 가까워졌을 때 일어나는 현상으로, 원자핵을 끌어당기는 핵력이 원자핵을 밀어내는 정전기력을 극복할 때 더 무거운 원자핵으로 융합된다.[9] 철-56보다 무거운 원자핵의 경우, 반응은 흡열 반응이며, 에너지 투입이 필요하다.[10] 철보다 무거운 원자핵은 양성자 수가 많아 반발력이 크다. 철-56보다 가벼운 원자핵의 경우, 반응은 발열 반응이며, 융합 시 에너지를 방출한다. 수소는 원자핵에 양성자 하나만 가지고 있기 때문에 핵융합에 필요한 에너지가 가장 적고, 순 에너지 출력이 가장 크다. 또한 수소는 전자를 하나만 가지고 있어 완전히 이온화하기 가장 쉬운 연료이다.

원자핵 사이의 정전기적 상호작용에 의한 반발은 양성자나 중성자의 지름인 약 1펨토미터 범위에서만 작용하는 강한 핵력[9]보다 더 먼 거리에서 작용한다. 핵융합을 일으키려면, 강한 핵력이 정전기력에 의한 반발을 극복할 수 있을 만큼 충분한 운동 에너지를 공급하여 연료 원자가 서로 접근해야 한다. “쿨롱 장벽”이란 연료 원자를 충분히 가까이 접근시키는 데 필요한 운동 에너지의 양을 말한다.[9] 이 에너지를 생성하기 위해 원자를 매우 높은 온도로 가열하거나 입자 가속기로 가속해야 한다.

원자는 이온화 에너지를 초과하여 가열되면 전자를 잃는다. 그 결과 원자핵이 드러나게 되는데, 이를 이온이라고 부른다. 이러한 이온화의 결과가 플라스마이며, 플라스마는 가열된 이온과 그에 결합되어 있던 자유 전자의 구름이다.[11] 플라스마는 전기 전도성이 있으며, 전하가 분리되어 있기 때문에 자기적으로 제어할 수 있다. 이러한 성질은 고온의 입자를 가두는 데 여러 핵융합 장치에서 사용되고 있다.

플라스마의 온도를 높이기 위해 외부에서 가한 에너지와 핵융합 반응으로 발생한 에너지가 같아지는 조건을 “임계 플라스마 조건”이라고 하며,[12][13] 중수소와 삼중수소의 반응(D-T 반응)의 경우에는 “발전로 내에서 플라스마 온도 1억 ℃ 이상, 밀도 100조 개/cm3로 하고, 또한 1초 이상 가두는 것이 조건”이 된다.[14] 2007년 10월 현재, 이 조건 자체는 JT-60 및 JET(유럽연합핵융합공동연구소)에서 달성했다고 알려져 있지만,[14] 발전로로 사용할 수 있을 만큼의 지속 시간 등에는 어려움이 많아, 원자로로서 실용 가능한 자체 점화 조건이라고 하는 조건[12]을 목표로 도전이 계속되고 있다.

2. 2. 주요 핵융합 반응

핵융합 반응은 두 개 이상의 원자핵이 충분히 가까워져 핵력이 정전기력을 극복하고 더 무거운 원자핵으로 융합되는 현상이다.[9] 철]-56보다 가벼운 원자핵은

3. 핵융합로의 종류

핵융합로의 종류는 크게 자기장 가둠 방식, 관성 가둠 방식, 그리고 기타 방식으로 나눌 수 있다.

자기장 가둠 방식은 플라스마를 자기장을 이용하여 가두는 방식이며, 관성 가둠 방식은 관성을 이용하여 플라스마를 가두는 방식이다. 자기 절연 방식 관성 핵융합(MICF)은 자기장 가둠 방식과 관성 가둠 방식의 혼합형이다.

이 외에도 초전 핵융합, 뮤온 촉매 핵융합, 자화 표적 핵융합 등의 방식이 있다.

3. 1. 자기장 가둠 방식

자기장 가둠 방식은 플라스마를 자기장을 이용하여 가두는 방식이다. 자기장 가둠 방식에는 다음과 같은 종류가 있다.

종류내용
토카막형
구형 토카막2022년 3월 10일 영국의 토카막 에너지가 플라스마 온도 1억 ℃를 달성했다. 2030년대 초 핵융합 파일럿 플랜트 운전 개시를 목표로 하고 있다.[60] 투자 금액은 약 76억엔이다.
헬리컬형일본의 헬리컬 퓨전은 핵융합과학연구소 연구자들에 의한 스타트업이다.[67]
자기 거울형
역자장 핀치형
역전 자장 배치형미국의 TAE 테크놀로지는 역장 배치형으로 2030년까지 프로토타입로 가동을 목표로 하고 있다.[65]
스페로막형
고베타 핵융합로



기업명국가종류내용
코먼웰스 퓨전 시스템즈미국토카막형소형 토카막형 실증 장치를 2025년을 목표로 건설 중이며,[62] 2030년대 초까지 상용화를 목표로 하고 있다.[61]
제너럴 퓨전캐나다자기 표적 핵융합실증 플랜트를 2025년 가동 예정이다.[63]
헬리온 에너지미국2021년 7월 상용 핵융합로 착공하였다.[64]


3. 2. 관성 가둠 방식

자기장 가둠 방식과 관성 가둠 방식의 혼합형에는 자기 절연 방식 관성 핵융합(Magnetically Isolated Inertial Confinement Fusion, MICF)이 있다. 미행 핫 전자(플라즈마를 구성하는 전자 중 플라즈마 내 다른 입자와 충돌하여 에너지를 잃기보다 빠르게 에너지를 가지고 유출되는 전자)는 자기장을 만들어내지만, 이 자기장은 열전도에 대한 절연 효과를 갖고 있다. 따라서 MICF는 매우 고효율의 레이저를 이용하여 두 가지 아이디어, 즉 열 절연과 관성 가둠을 동시에 실현하려는 것이다. AT&T벨 연구소 연구원이었던 하세가와 아키라(2010년 당시 오사카 대학 명예교수)가 이론을 제창했다.[60]

관성 가둠 방식에는 다음과 같은 것들이 있다.

3. 3. 기타 방식


  • 2022년 3월 10일, 영국의 토카막 에너지는 구형 토카막형 핵융합로에서 플라스마 온도 1억 ℃를 달성했다. 2030년대 초 핵융합 파일럿 플랜트 운전 개시를 목표로 하고 있으며, 투자 금액은 약 76억엔이다.[60]
  • 코먼웰스 퓨전 시스템즈(미국)는 2030년대 초까지 상용화를 목표로 하고 있다.[61] 소형 토카막형 실증 장치를 2025년까지 건설할 예정이다.[62]
  • 제너럴 퓨전(캐나다)은 자기 표적 핵융합로를 개발하고 있으며, 실증 플랜트를 2025년에 가동할 예정이다.[63]
  • 헬리온 에너지(미국)는 2021년 7월 상용 핵융합로 건설을 시작했다.[64]
  • TAE 테크놀로지(미국)는 역장 배치형 핵융합로를 개발하고 있으며, 2030년까지 프로토타입로 가동을 목표로 하고 있다.[65]
  • 헬리컬 퓨전(일본)은 핵융합과학연구소 연구자들이 설립한 스타트업으로, 헬리컬형 핵융합로[66]를 개발하고 있다.[67]
  • 초전 핵융합
  • 뮤온 촉매 핵융합
  • 자화 표적 핵융합

4. 핵융합 발전의 장단점

핵융합 발전은 다음과 같은 장점들을 가진다.


  • 핵분열을 이용한 원자력발전과 마찬가지로, 온실가스인 이산화탄소를 배출하지 않는다.[6]
  • 핵분열 반응과 같은 연쇄 반응이 없어, 폭주가 원리적으로 발생하지 않는다.
  • 해수 중 1/7000의 비율로 존재하는[15] 중수소를 이용할 수 있다.
  • 원자력발전에서 문제가 되는 고준위 방사성 폐기물이 발생하지 않는다. (정기적으로 교체되는 다이버터나 블랭킷과 같은 플라즈마 대향 장치는 고베타·감마 폐기물이라고 불리며, 높은 방사능을 갖게 된다.[16] 그러나 개발이 진행되고 있는 저방사화 재료를 노벽에 이용함으로써 방사성 폐기물의 천매토지 처분이나 재활용이 가능해진다.)
  • 기존 원자로에서의 운전 정지 중의 잔열 제거 계통의 에너지 손실이나, 그 기능 상실 시의 노심 용융 위험이 없다.


핵융합 발전에는 다음과 같은 단점도 존재한다.

  • 초고온 및 초고진공이라는 물리적 조건으로 인해, 실험 단계부터 실용 단계에 이르기까지 모든 과정에 거대한 시설이 필요하므로 막대한 예산이 소요된다.
  • 로벽 등의 방사화 문제 해결이 요구된다.

4. 1. 장점


  • 핵분열을 이용한 원자력발전과 마찬가지로, 온실가스인 이산화탄소를 배출하지 않는다.[6]
  • 핵분열 반응과 같은 연쇄 반응이 없어, 폭주가 원리적으로 발생하지 않는다.
  • 해수 중 1/7000의 비율로 존재하는[15] 중수소를 이용할 수 있다.
  • 원자력발전에서 문제가 되는 고준위 방사성 폐기물이 발생하지 않는다. (정기적으로 교체되는 다이버터나 블랭킷과 같은 플라즈마 대향 장치는 고베타·감마 폐기물이라고 불리며, 높은 방사능을 갖게 된다.[16] 그러나 개발이 진행되고 있는 저방사화 재료를 노벽에 이용함으로써 방사성 폐기물의 천매토지 처분이나 재활용이 가능해진다.)
  • 기존 원자로에서의 운전 정지 중의 잔열 제거 계통의 에너지 손실이나, 그 기능 상실 시의 노심 용융 위험이 없다.

4. 2. 단점

핵융합로는 초고온 및 초고진공이라는 물리적 조건 때문에 실험 단계부터 실용 단계까지 모든 과정에 거대한 시설이 필요하므로 막대한 예산이 소요된다. 또한, 로벽 등의 방사화 문제 해결이 필요하다.[46]

핵융합 시 발생하는 중성자가 로벽 등을 손상시켜 구성 재료의 내구성이 문제가 된다. 특히 ITER에서는 D-T 반응을 사용할 계획인데, 이 반응에서는 고속 중성자가 발생한다. 이 고속 중성자는 재료 내부에 "원자 공공"과 "격자간 원자"를 발생시키고, 연결된 "격자 결함"을 만들어 재료의 항복 강도를 낮추고 취성을 증가시킨다. 헬륨 가스가 발생하여 재료 내부에 공동을 형성하고 팽창하는 문제(스웰링)도 발생한다. 이러한 열화가 진행되면 재료를 교체해야 한다. 재료가 방사화되어 저준위 방사성 폐기물이 생성되는 문제도 있지만, 저방사화 페라이트강을 사용하여 해결책이 마련되었다.[47]

플라스마 이온이 로벽에 충돌하면 "물리 스퍼터링"이라는 현상이 발생하여 로벽 재료 원자가 튀어나간다. 로벽면에 탄소 소재를 사용하면, 수소 동위원소의 입사로 메탄이나 에틸렌과 같은 탄화수소가 발생하여 로벽이 손상되는 "화학 스퍼터링" 현상도 발생한다.

에너지로 이용 가능한 정도의 압력 플라즈마를 유지하는 것은 어렵다. JT-60에서 고압력 플라즈마 유지 시간은 30초 정도이다. 유지를 위해 투입하는 에너지에 비해 반응으로 얻을 수 있는 에너지는 아직 작고(에너지 증배율(Q값) - 1.25), 세계 각종 장치에서 핵융합 이득 1을 약간 넘는 정도이다. ITER에서 이러한 과제에 대한 연구가 진행될 예정이다 (ITER의 목표값은 Q값 - 10).[48]

5. 핵융합 발전의 안전성 및 위험성

핵융합 발전은 사고 가능성과 환경에 미치는 영향 때문에 사회적 수용성, 즉 소셜 라이선스를 얻는 것이 매우 중요하다.[18] 핵융합 발전의 안전성과 관련하여 다음과 같은 문제들이 제기되고 있다.


  • 삼중수소의 핵무기 전용: 삼중수소는 초기 핵융합 무기 실험에 사용되었지만, 현재는 고체 중수소화 리튬을 원료로 사용하는 텔러-울람형수소폭탄이 주로 사용된다.[26] 핵융합 폭탄은 원자폭탄을 기폭제로 사용해야 하므로, 기존 핵 보유국 외에는 제조하기 어렵다. 그러나 중수소-삼중수소(D-T) 반응을 이용한 증강형 핵분열 무기나 중성자 폭탄의 원료, 또는 삼중수소를 이용한 더티 밤으로 전용될 가능성이 있다. 다만, 삼중수소는 에너지가 낮아 피부를 관통하지 못하므로, 다른 재료를 사용한 더티 밤에 비해 실질적인 피해는 적을 것으로 예상된다.

5. 1. 사고 가능성

핵융합로는 극심한 멜트다운을 일으키지 않는다.[20] 순에너지를 생성하기 위해서는 온도, 압력, 자기장 매개변수를 정확하게 제어해야 하며, 필요한 제어가 손상되거나 상실되면 반응은 즉시 중단된다.[19] 핵융합로는 수 초에서 수 마이크로초의 연료로 운전된다. 적극적으로 연료를 보급하지 않으면 반응은 곧 중단된다.[20] 플라스마의 부피는 1,000m3 이상으로 예상되지만, 플라스마에 포함된 연료는 일반적으로 수 그램 정도이다.[20] 반면, 원자로에는 일반적으로 수개월에서 수년 치의 연료가 장착되어 있으며, 반응을 계속하기 위해 연료를 추가할 필요가 없다. 이러한 대량의 연료 공급이 바로 멜트다운 가능성을 가져온다.[21]

5. 2. 방사성 폐기물

핵융합 반응에서 발생하는 중성자는 핵융합로 벽과 건물을 방사화시킨다. 방사화된 핵융합로 주변의 기계 장치와 건물이 안전하게 본래의 기능을 발휘할 수 있도록 설계해야 한다. 예를 들어 ITER의 경우, 폐로 직후 방사성 폐기물량은 3만 9천 톤이며, 100년 후에는 대부분이 허용 수준 이하가 되지만, 최종적으로 1만 2천 톤이 방사성 폐기물로 남는다.[22] 로 내부 장비에는 트리튬을 포함하는 것도 있어, 충분한 제거가 필요하다. 트리튬 이외의 방사성 핵종은 구조물 내에 안정적으로 존재하므로, 폐기물 관리 중 확산은 없을 것으로 생각된다.[22]

핵융합로가 실현되어도 고준위 폐기물은 발생하지 않지만, 플라스마 대향 장치인 블랭킷, 차폐재는 고베타·감마 폐기물로 분류되어 중심부 매립이 필요하다. 그 외 대부분은 저준위 폐기물로서, 지표면 근처(핏 또는 트렌치) 매립된다.[22][23] 허용 폐기물이 재활용될 수 있다고 가정하면, 100년 후 방사성 폐기물은 저준위 폐기물이 1000톤, 고베타·감마 폐기물이 4500톤 정도가 된다.[24] 이는 원자로와 비교해 결코 적은 양이 아니고, 오히려 많다. 그럼에도 고준위 폐기물 처분이 없기 때문에, 처리 비용 측면에서 원자로에 비해 유리하다.[24]

5. 3. 삼중수소의 영향

삼중수소(트리튬)는 방사성 물질이므로 정확하게 관리해야 하며, 특히 환경으로 누출되지 않도록 막는 것이 중요하다.[25] 삼중수소는 일반 수소와 쉽게 치환되기 때문에 누출될 경우 삼중수소수나 유기물이 자연계에서 발생하며, 생물 체내에 쉽게 흡수된다.[25] 삼중수소수는 생물에게 흡수되어도 일반적인 물과 화학적으로 거의 차이가 없어 특정 장기에 축적되거나 농축되지 않고, 일반적인 물처럼 배출된다.[25] 생물이 삼중수소수를 흡수한 후 절반이 배출될 때까지 걸리는 시간(생물학적 반감기)은 7일에서 18일 정도로 알려져 있다.[25]

삼중수소수를 흡수하면 약 5~6%가 유기 결합형 트리튬으로 전환된다.[25] 유기 결합형 트리튬의 생물학적 반감기는 40일 정도(단반감기 성분) 또는 1년 정도(장반감기 성분)이다.[25] 현재까지의 동물 실험과 역학 연구에서는 트리튬이 다른 방사선이나 핵종에 비해 특별히 더 큰 영향을 준다는 사실은 밝혀지지 않았다.[25] 따라서 생체 영향은 다른 핵종과 마찬가지로 피폭 선량 및 선량률에 따라 결정된다.[25]

5. 4. 운전 중 방사선

핵융합로 운전 중에는 플라스마에서 강력한 중성자선이 방출되므로, 다양한 방호 조치를 취해도 어느 정도 누출될 것으로 예상된다. 현재 ITER에서 예상되는 운전 중 방사선은 부지 경계에서 1년에 약 0.1밀리시버트 이하로, 자연 방사선의 10분의 1에 해당하는 양이다.[27]

5. 5. 자석 퀀치

자석 퀀치는 초전도 코일의 일부가 초전도 상태에서 벗어나 상전도 상태가 될 때 발생하는 자석 작동의 이상 현상이다. 이는 자석 내부의 자기장이 너무 크거나, 자기장의 변화율이 너무 커서 와전류가 발생하고 그 결과 구리 모재가 가열되거나, 또는 이 두 가지 요인이 복합적으로 작용하여 발생한다. 드물게는 자석의 결함이 퀀치를 유발하기도 한다. 퀀치가 발생하면, 해당 지점에 급격한 줄 열이 발생하여 온도가 상승한다. 이로 인해 주변도 상전도 상태로 전이되는 연쇄 반응이 일어나 가열이 확산된다. 초전도 코일의 크기에 따라 다르지만, 자석 전체는 수 초에 걸쳐 급속히 상전도 상태가 된다. 전류의 급격한 감소는 킬로볼트 단위의 유도 전압 스파이크와 아크 방전을 일으킬 수 있다.[28] 자석이 영구적으로 손상되는 경우는 드물지만, 국부적인 가열, 고전압, 큰 기계적인 힘에 의해 부품이 손상될 수 있다.

6. 국제 협력 및 대한민국 현황

국제 협력으로는 대형 핵융합 장치인 실험로 국제핵융합실험로(ITER)가 건설 중이다. ITER을 보완하는 폭넓은 접근 방식 활동으로 건설된 실험 장치인 JT-60SA[7]는 2023년 10월 23일에 최초 플라즈마 발생에 성공했다.[8] 대한민국은 국제핵융합실험로(ITER) 건설에 참여하고 있다.[7][8]

6. 1. 국제 협력

대형 핵융합 장치로서, 실험로인 ITER(국제핵융합실험로)가 건설 중이다. 또한 ITER을 보완하는 폭넓은 접근 방식 활동으로 건설된 실험 장치인 JT-60SA가 2023년 10월 23일에 최초 플라즈마 발생에 성공했다.[7][8]

6. 2. 대한민국 현황

대한민국은 국제핵융합실험로(ITER) 건설에 참여하고 있다.[7][8]

7. 실용화를 위한 노력

핵융합로 연구는 1940년대부터 시작되었다.

1998년 8월 7일, 일본 원자력 연구소(현재 양자과학기술연구개발기구)의 JT-60은 중수소 플라즈마 실험에서 중수소×삼중수소 환산으로 에너지 증배율 Q=1.25의 출력을 확인했다.[49]

2013년, 고베타 핵융합로에 대한 소식이 발표되었다. 2014년 10월 16일, 미국의 록히드 마틴사는 10년 이내에 트럭에 실을 수 있는 크기의 100메가와트급 상용 소형 핵융합로를 개발하겠다고 발표했다.[50]

2015년, 규슈대학과 핵융합과학연구소는 플라즈마의 흐름이 자기장의 흐트러짐에 의해 취약해지는 현상을 관측했다.[51]

2016년 3월 18일, 일본경제신문은 문부과학성이 미쓰비시중공업, 도시바(도시바 에너지 시스템즈)와 공동으로 ITER 이후의 차세대 핵융합로를 연구하여 2035년경 건설을 목표로 한다고 보도했다.[52]

2017년 8월 9일, 기후현 도키시에 있는 핵융합과학연구소는 대형 헬리컬 장치(LHD)를 이용한 실험에서 세계 최초로 플라즈마 중 이온 온도를 핵융합 발전에 필요한 1억 2000만 ℃까지 달성했다고 발표했다. 지속적으로 플라즈마 온도를 1억 2000만 ℃까지 높일 수 있다는 것도 확인했다. 21세기 중반에 핵융합 발전을 실현하고자 한다.[53][54][55]

2018년 3월 9일, 미국 매사추세츠 공과대학교(MIT)는 기업과 협력하여 발전 가능한 핵융합로를 15년 이내에 건설하는 계획을 발표했다.[56]

2021년 12월 30일, 중국과학원 합비물질과학연구원 플라즈마물리연구소는 플라즈마 유지 시간 1056초의 세계 최장 기록을 달성했다고 주장했다.[57]

2022년에는 여러 성과가 있었다.


  • 2월 9일, 유럽 토러스 공동 연구 시설(JET, 토카막)은 5초간 59메가줄(MJ)의 에너지를 D-T 반응으로 발생시켰다. 에너지 증배율(Q값)은 0.33이다.[58]
  • 12월 5일, 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소의 국립 점화 시설에서 192개의 자외선 레이저로 2.05메가줄(MJ)의 에너지를 공급하여 3.15MJ의 핵융합 에너지 출력을 얻었다.[59]
  • 3월 10일, 토카막 에너지(영국)는 구형 토카막형 핵융합로에서 플라즈마 온도 1억 ℃를 달성했다. 2030년대 초 핵융합 파일럿 플랜트 운전 개시를 목표로 하며, 투자 금액은 약 760억엔이다.[60]


여러 기업들이 핵융합로 개발에 참여하고 있다.

기업명국가종류진행 상황 및 목표
코먼웰스 퓨전 시스템즈미국토카막형소형 실증 장치 2025년 목표 건설 중, 2030년대 초 상용화 목표[61][62]
제너럴 퓨전캐나다자기 표적 핵융합실증 플랜트 2025년 가동 예정[63]
헬리온 에너지미국2021년 7월 상용 핵융합로 착공[64]
TAE 테크놀로지미국역장 배치형2030년까지 프로토타입로 가동 목표[65]
헬리컬 퓨전일본헬리컬형핵융합과학연구소 연구자들의 스타트업[66][67]


8. 에너지 회수 방법

핵융합으로 생성되는 에너지를 회수하기 위해 여러 방법이 제안되었다. 가장 간단한 방법은 유체를 가열하는 것이다. 주로 목표로 하는 D-T 반응은 에너지 대부분을 고속 중성자로 방출한다. 전기적으로 중성인 중성자는 자기장 가둠의 영향을 받지 않는다. 중성자는 로심 플라스마를 둘러싼 리튬을 포함하는 두꺼운 "블랭킷(blanket)"에 포획된다. 고에너지 중성자가 블랭킷에 부딪히면 블랭킷이 발열하고, 거기에 냉각재를 통과시켜 열을 외부로 배출할 수 있다. 최종적으로 물을 가열하여 터빈을 돌려 발전한다.

다른 연료를 사용하는 설계, 특히 양성자-붕소 핵융합 반응은 하전 입자 형태로 더 많은 에너지를 방출한다. 이러한 경우, 전하의 움직임에 따른 전력 변환 시스템이 가능하다. 직접 에너지 변환은 핵융합 반응 생성물을 직접 이용하여 전압을 유지하는 방법으로, 1980년대 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)에서 개발되었다. 이는 48%의 에너지 회수 효율을 입증하였다.[41]

일본의 역장배치(FRC) 방식을 기반으로 하는 D-3He|헬륨-3영어 개념 설계로 알테미스(ARTEMIS)[42] 개발에서는, 선형 가속기의 역과정을 이용하여 하전 입자를 감속시켜 발전에 이용하는 진행파형 직접 에너지 변환기(TWDEC)가 제안되었고, 현재도 연구가 진행되고 있다.[43]

스타트업 기업인 헬리온 에너지(Helion Energy)와 TAE 테크놀로지(TAE Technologies)가 제안하는 발전로는 하전 입자에 의한 직접 발전을 전제로 개발되고 있지만, 자세한 내용은 불명확하다.[44][45]

참조

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[4] 뉴스 1億度で100秒 中国の「人工太陽」、新たな高みへ https://www.afpbb.co[...] AFPBB 2021-05-13
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