핵융합 완벽 정리

핵융합의 기본 원리

핵융합이란 두 개의 가벼운 원자핵이 충돌하여 하나의 무거운 원자핵으로 합쳐지는 과정에서 에너질르 방출하는 현상이다. 이 반응이 자연적으로 발생하기 위해서는 쿨롱 장벽을 극복해야 한다. 고전 역학에서는 극복을 위해 수십억 도에 달하는 온도가 필요하다.

다만 현실에서는 낮은 수억 도의 온도에서 발생한다. 이는 양자 터널링 효과 덕분이다. (입자는 파동의 성질도 지니기 때문에 일정 확률도 장벽을 통과 할 수 있기 때문.)

핵융합 반응 종류(ai 이용)

1. 중수소-삼중수소 (D-T) 반응: D + T → 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) + 17.6 MeV  

• 이 반응은 약 1억 도(10 keV)의 비교적 낮은 온도에서 가장 높은 반응 단면적을 가지므로 현재 핵융합 연구의 주된 목표 반응입니다. 방출되는 에너지의 약 80%가 고에너지 중성자(14.1 MeV) 형태로 방출됩니다. 이 중성자 에너지는 핵융합로의 블랭킷에서 열에너지로 변환되어 전기를 생산하고, 삼중수소를 증식하는 데 활용됩니다.  

  
  

2. 중수소-중수소 (D-D) 반응: (두 가지 경로가 거의 동일한 확률로 발생) D + D → 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) + 3.27 MeV  

D + D → T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) + 4.04 MeV  

• D-D 반응은 평균 약 3.6 MeV의 에너지를 방출하며, D-T 반응보다 더 높은 온도(약 10억 도, 100 keV)를 요구합니다. 하지만 중수소는 바닷물에 풍부하게 존재하여 연료 공급 측면에서 장기적인 이점을 가집니다.  

  
  

3. 중수소-헬륨-3 (D-3He) 반응: D + 3He → 4He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV) + 18.3 MeV  

• 이 반응은 중성자를 거의 발생시키지 않는 비중성자(aneutronic) 핵융합 반응으로, 중성자 손상 및 방사화 문제가 적다는 큰 장점이 있습니다. 그러나 헬륨-3은 지구상에 매우 희귀하며(달에 풍부), D-D 반응보다 훨씬 높은 온도(약 10억 도 이상)를 요구합니다.  

D-T 반응이 현재 연구되고 있는 핵융합 방식이다 -> 필요 온도가 가장 낮아 효율이 제일 좋기 때문

플라즈마 상태의 필요조건

핵융합 반응을 효율적으로 일으키기 위해서는 연료 물질이 핵융합이 가능한 플라즈마 상태를 유지해야 한다. 플라즈마를 핵융합에 도달시키기 위해서는 온도, 밀도 그리고 구속시간이 중요하다.

1. 온도 : 원자핵들이 쿨룽 장벽을 극복하고 핵력에 접근 할 수 있게 충분한 위치 에너지를 갖고 있어야 한다.

2. 밀도 : 플라즈마 입자의 밀도가 높을수록 핵들 간의 충돌 빈도가 증가한다

3. 구속시간 : 초고온 플라즈마는 일반적인 물질 용기로는 가둘수 없어서 자기장이나 관성 등을 이용해 구속해야 한다. 플라즈마가 충분한 시간 동안 구속되어야 ...