1억도의 플라즈마를 오래 유지하기 힘든 이유가 무엇인가요?
핵융합발전의 가장 큰 난제가 1억도의 플라즈마 단계를 만들 수 있지만 유지하기 힘들다고 들었습니다.
그렇다면 왜 1억도의 플라즈마단계를 오래 유지하기 힘든 이유가 무엇인지 알고 싶습니다
안녕하세요. 이충흔 과학전문가입니다.
핵융합 상용화를 위해서는 먼저 핵융합 반응이 일어나는 초고온의 플라즈마를 특정 공간에 충분한 시간 동안 가둘 수 있어야 합니다. 질량이 큰 태양은 자신의 중력만으로 고온의 플라즈마를 충분히 잡아가두며 그 자체가 하나의 거대한 플라즈마 덩어리를 이루고 중심부에서 끊임없이 일어나는 수소 핵융합 반응으로 우주공간에 엄청난 양의 에너지를 쏟아냅니다.
하지만 지구상에서 플라즈마를 가두는 것은 전혀 다른 차원의 문제입니다. 어떤 재료로도 섭씨 1억 도 이상의 플라즈마를 가둘 수가 없습니다. 현존하는 금속원소 중에 열에 가장 강하다는 텅스텐도 6000℃를 넘어가면 기체가 되어 증발해버립니다.
이를 해결하기 위해 과학자들은 자기장이나 충격파처럼 눈에 보이지 않는 힘을 이용하는 방법들을 고안해냈습니다. 대표적인 예가 KSTAR와 같은 ‘토카막’ 장치입니다. 도넛 형태로 진공 용기를 만들고 진공 용기를 맴돌 듯이 감아드는 강력한 자기장을 걸어 고온의 플라즈마가 쉽게 빠져나오지 못하도록 가두는 것이죠. 전기적 성질을 띠는 플라즈마는 자기장을 중심으로 나선을 그리듯 맴돌며 움직이는 원리를 사용하는 방법입니다.하지만 고온의 핵융합 플라즈마는 안쪽 부분과 바깥쪽 부분 사이에 생기는 큰 압력 차이와 자기장을 만들기 위해 발생시킨 대용량의 플라즈마 전류로 인해 상황에 따라 불안정하게 요동치는 현상이 발생하게 됩니다. 언제나 우주 만물은 자유 에너지를 방출함으로써 가장 고요한 상태를 찾아가려는 성질을 가지고 있습니다. 높은 에너지로 인해 이런 성질이 강하게 작용하는 고온의 핵융합 플라즈마를 한정된 공간에 감금하려면 외부에서 세심한 제어를 가해줘야 합니다.
그런데 아직은 이렇게 고온의 핵융합 플라즈마를 가두는 기술이 완전치 않아 1억도를 오래 유지하기 함든 것이지요.
안녕하세요! 손성민 과학전문가입니다.
핵융합발전의 가장 큰 난제 중 하나인 1억도의 플라즈마 단계를 오래 유지하기 힘든 이유에 대해 알려드리겠습니다.
1억도의 플라즈마를 오래 유지하기 어려운 이유는 주로 두 가지로 설명됩니다. 첫째, 플라즈마의 안정성 문제와 둘째, 열 손실 문제입니다.
첫째로, 플라즈마의 안정성 문제는 매우 높은 온도인 1억도에서 발생합니다. 플라즈마는 이상적인 온도와 밀도로 유지되어야 핵융합 반응이 일어날 수 있습니다. 그러나 1억도의 온도에서는 플라즈마가 불안정해지기 시작합니다. 이는 플라즈마 입자들이 서로 간에 상호작용하면서 플라즈마를 유지하는데 필요한 에너지를 상당량 소비하기 때문입니다.
둘째로, 열 손실 문제는 1억도의 플라즈마를 유지하는 동안 발생하는 열 손실을 의미합니다. 플라즈마는 고온 상태이기 때문에 주변 환경과의 열 전도, 복사, 대류 등을 통해 열 손실이 발생합니다. 이러한 열 손실은 플라즈마 온도를 유지하는 데 필요한 에너지를 빠르게 소모하게 됩니다.
따라서, 1억도의 플라즈마를 오래 유지하기 위해서는 이러한 안정성 문제와 열 손실 문제를 극복해야 합니다. 현재 핵융합 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 다양한 기술과 장치를 개발하고 있습니다. 예를 들어, 마그네틱 컨피네먼트를 사용하여 플라즈마를 안정적으로 유지하는 방법이 연구되고 있습니다.
이상으로, 1억도의 플라즈마를 오래 유지하기 어려운 이유에 대해 간단히 설명해드렸습니다. 추가적인 궁금한 점이 있으시면 언제든지 물어보세요!
안녕하세요. 강상우 과학전문가입니다.
1억도의 플라즈마를 오래 유지하기 힘든 이유는 다음과 같습니다.
플라즈마는 매우 높은 에너지를 가지고 있습니다. 플라즈마는 전기적으로 중성인 이온과 전자로 구성되어 있는데, 이들은 매우 빠른 속도로 움직이고 있습니다. 이러한 높은 에너지 때문에 플라즈마는 주변 물질과 충돌하여 열을 잃거나, 외부 장벽에 부딪혀 흩어지기 쉽습니다.
플라즈마는 매우 가볍습니다. 플라즈마의 밀도는 기체보다 약 1,000분의 1 정도로 매우 낮습니다. 따라서 플라즈마를 가두기 위해서는 강한 자기장을 이용해야 하는데, 이를 위해서는 많은 에너지가 필요합니다.
플라즈마는 매우 불안정합니다. 플라즈마는 전기적으로 중성이지만, 이온과 전자의 밀도가 일정하지 않습니다. 이러한 불균형은 플라즈마의 온도와 밀도를 변화시키고, 결국 플라즈마가 불안정해집니다.
이러한 이유로 1억도의 플라즈마를 오래 유지하기 위해서는 매우 높은 수준의 기술이 필요합니다. 현재까지 가장 성공적인 플라즈마 장치로는 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)가 있습니다. ITER는 2025년부터 본격적인 운전을 시작할 예정이며, 1억도의 플라즈마를 500초 이상 유지하는 것을 목표로 하고 있습니다.
