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- 제대로 작동하는 원자로를 원한다면 삼중수소 균형이 올바른지 확인해야
- 한계를 넘으면 쇼 스토퍼(Showstopper)
- 이 "무지개"의 주요 원인은 붕소 자체가 아니라 흑연 벽의 탄소, 최소화 해야

핵융합로 내부
과학자들은 핵융합로 벽의 방사능 잠재력을 결정한다.

미래에는 이와 같은 도넛 모양의 용기가 원자핵을 융합시켜 에너지를 생성하는 데 사용될 것이다. 이는 태양 내부에서 일어나는 일과 유사하다. 이러한 비전이 현실이 되기까지는 아직 많은 연구가 필요하지만, 과학자들은 최근 적어도 핵융합로 벽에 얼마나 많은 방사성 물질이 저장되어 있는지를 발견했다. 

▲ 실험용 핵융합로의 내부 모습은 이렇다. © General Atomics /CC-by 4.0

풍력 발전과 태양광 발전 외에도 핵융합도 미래의 가능한 에너지원으로 여겨진다. 그러나 처음 두 가지와는 달리 핵융합은 상업적으로 이용될 준비가 되기에는 거리가 멀고 여전히 연구 단계에 있다. 장기적인 비전은 지구상에 원래의 태양과 똑같은 작은 태양을 만드는 것인데, 원자핵 융합으로부터 에너지를 생성한다. 핵융합이 일어나려면 핵융합 플라스마를 고온으로 가열하고 고압에 노출시켜야 하는데, 현재 이 부분에 대한 우리의 지식에는 몇 가지 차이가 ​​있다.

벽에 얼마나 많은 삼중수소가 남아 있나?

예를 들어 핵융합 발전소를 개발하려면 먼저 수백만 도의 고온을 지닌 핵융합 플라즈마가 주변 환경과 어떻게 상호 작용하는지 정확히 이해해야 한다. 예를 들어, 플라스마 내부의 난류로 인해 플라스마 입자는 핵융합 용기의 벽에 부딪혀서 그 안에 파묻히게 되는데, 이는 둘러싼 자기 케이지에 의한 문제다. 이것은 특히 두 개의 수소 동위 원소인 중수소와 삼중수소가 융합하여 헬륨 핵을 형성하는 시스템에서 특히 중요하다. 왜냐하면 삼중수소는 방사능이 있기 때문이다.

"장치에 한 번에 들어갈 수 있는 삼중수소의 양에는 매우 엄격한 제한이 있다. 이 제한을 초과하면 모든 것이 중단되고 라이센스가 취소된다"고 프린스턴 플라스마 물리학 연구소(PPPL)의 알레산드로 보르톨론이 설명했다. "그래서 제대로 작동하는 원자로를 원한다면 삼중수소 균형이 올바른지 확인해야 한다. 한계를 넘으면 쇼 스토퍼(Show stopper)가 된다."

자석 케이지를 이용한 도넛 테스트

보르톨론과 그의 동료는 핵융합로 벽에 얼마나 많은 삼중수소가 저장되어 있는지 알아내기 위해 실험로에서 다양한 테스트를 수행했는데, 이때 그들은 방사성 삼중수소 대신 중성자 하나 가볍고 방사성이 없는 중수소를 사용했다. 구체적으로 그들은 토카막의 붕소로 코팅된 흑연 벽에 얼마나 많은 중수나 삼중수소가 갇혀 있는지에 대한 의문을 살펴보았다.

토카막은 자기적 가두기 과정을 기반으로 하는 핵융합로의 두 가지 구성 원리 중 하나다. 현재 건설 중인 대형 원자로 ITER도 토카막이다. 이러한 반응기에서는 플라즈마가 여러 자기장의 조합으로 유지된다. 플라즈마 용기의 벽을 열과 플라즈마 폭발로부터 보호하기 위해 방열판, 소위 다이버터에 텅스텐, 흑연, 붕소와 같은 원소가 주입된다. 또한 이는 입자의 폭격으로 인해 벽 원자가 방출되어 핵융합 플라스마를 오염시키는 것을 방지하기 위한 것이다.

“탄소가 진짜 문제아”

보르톨론과 그의 팀은 붕소 코팅으로 인해 원자로 벽에 삼중수소가 더 많이 축적될 수 있다고 의심했다. 실제로 연구자들이 관찰한 바에 따르면 붕소로 코팅된 시험용 원자로에서는 상당량의 중수소가 벽에 축적되었다. 위의 이미지에서, 이러한 내재된 원자는 무지개색으로 볼 수 있다.

그러나 이 "무지개"의 주요 원인은 붕소 자체가 아니라 흑연 벽의 탄소였다. 공동 저자인 플로리안 에펜버그는 이렇게 설명했다. "탄소가 진짜 문제다. 최소화해야 한다." 이러한 목적을 위해 물리학자들은 앞으로 흑연 벽을 텅스텐 벽으로 교체하는 것을 포함한 여러 가지 계획을 세우고 있다.
(Nuclear Materials and Energy, 2025; doi: 10.1016/j.nme.2024.101855)
출처: DOE/Princeton Plasma Physics Laboratory

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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