핵융합로 만들기와 토카막(Tokamak)

핵융합 장치를 만들려면 두 가지 기본재료가 필요하다. 첫째, 수백만℃로 뜨겁게 가열된 수소가 있어야 한다. 이런 초고온에서(실제 태양보다 뜨겁다) 수소를 비롯한 원자 대부분은 고체, 액체, 기체에 이어 '네 번째 상태'라 불리는 플라스마 상태로 존재한다. 플라스마는 온도가 너무 높아서 전자의 일부가 떨어져나간 기체인데, 우리 주변에서는 거의 찾아볼 수 없지만 별과 성간기체, 그리고 번개에서 가장 흔하게 발견되는 물질 형태이다.

둘째, 플라스마가 가열되는 동안 이것을 담아놓을 그릇이 필요하다. 별에서는 중력이 플라스마를 잡아당기기 때문에 별도의 그릇이 필요없지만, 지구의 중력은 턱없이 약하므로 전기장과 자기장이 그 역할을 대신하도록 세팅해야 한다. 핵융합로 중 가장 널리 알려진 것은 러시아에서 개발한 토카막(tokamak)인데, 제작법을 초간단 버전으로 줄이면 다음과 같다.

(1) 속이 빈 기다란 원통 주변을 전선으로 돌돌 감은 후(이것을 코일이라 한다), 원통을 구부려서 두 끝을 매끄럽게 연결하여 도넛 모양을 만든다.

(2) 도넛 내부에 수소 기체를 주입한 후, 엄청난 온도로 가열되어 플라스마 상태가 될 때까지 실린더를 통해 전류를 흘려보낸다.

(3) 도넛 안에서 흐르는 플라스마가 안쪽 벽에 닿으면 당장 녹아내릴 것이므로, (1)에서 감은 코일에 엄청난 전류를 흘려보내서 도넛 안에 강력한 자기장을 만든다. 바로 이 자기장이 플라스마를 담는 `그릇`으로, 도넛의 내벽에 플라스마가 닿는 것을 막아준다.

온도가 임계값에 도달하여 핵융합이 시작되면 수소 원자의 핵(양성자)이 결합하여 헬륨 원자의 핵을 형성하고, 이 과정에서 막대한 양의 에너지가 방출된다. 융합하는 방식에도 몇 가지 버전이 있는데, 그중 하나에서는 수소의 두 가지 동위원소인 중수소와 삼중수소가 융합하여 에너지와 헬륨, 그리고 중성자를 방출하고, 핵융합 에너지를 잔뜩 머금은 중성자가 외부로 탈출하여 토카막을 에워싼 물질에 충돌한다.

외부물질은 주로 베릴륨, 구리, 강철로 이루어져 있으며, 중성자가 날아와서 충돌하면 그 안에 설치된 파이프 속의 물이 끓기 시작한다. 여기서 생성된 증기로 터빈은 돌리면 거대한 자석이 함께 회전하면서 패러데이의 전자기 유도법칙에 의해 전류가 생성되고, 이 전류가 송전선을 타고 일반 가정집에 배달되어 냉장고와 TV, 컴퓨터 등 가전제품을 작동시킨다.

- 양자컴퓨터의 미래 중에서

인류의 차세대 미래에너지 `핵융합`

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