초전도체를 이용한 토카막 구조 핵융합 발전 (간단 정리)

출처 - 한국핵융합에너지연구원

초전도체를 이용한 토카막 구조 핵융합 발전소란

핵융합 반응을 관리하고 안정화하기 위해 초전도 재료와 자기장을 활용하는 발전소이다.

이 방식은 토카막 구조와 초전도 기술을 결합하여 핵융합 반응을 제어하고 높은 온도와 압력에서 안정적으로 플라즈마를 유지하는데 사용된다.

 토카막(Tokamak) :  핵융합 반응을 연구하고 제어하기 위해 개발된 장치로, 원형 또는 타원형의 자기장으로 둘러싸인 플라즈마를 안정적으로 유지하고 제어하는 용도로 설계된 장치이다.



 초전도체(superconductor) : 특정 온도에서 전기 저항이 없는 물질을 의미한다.

 
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2023.08.12 - [꿀팁] - 반자성체 초전도체란
 

이러한 초전도체 재료는 낮은 온도에서 특정한 상태로 전기적으로 특별한 속성을 나타내며, 강력한 자기장을 생성할 수 있다.

초전도체를 이용한 토카막 구조 핵융합 발전소의 기본 작동 원리 :

① 자기장 생성: 초전도체 재료를 냉각하여 초전도 상태로 만들면 전기 저항이 사라지고 강력한 자기장을 생성할 수 있다.  이 자기장은 플라즈마를 안정적으로 유지하고 제어하기 위해 사용된다.

② 플라즈마 유지: 플라즈마를 토카막 구조 내에 가두기 위해 생성된 강력한 자기장을 사용한다.  자기장은 플라즈마를 감싸며 분산되거나 파열되지 않도록 유지한다.

③ 온도와 압력 관리: 초전도체는 주로 매우 낮은 온도에서 동작하므로, 초전도체로 만들어진 토카막 장치는 케이블 또는 코일을 냉각하는 시스템을 필요로 한다.   이를 통해 초전도체의 특성을 유지하면서 플라즈마를 안정화시킬 수 있다.

④ 핵융합 반응 관리: 안정된 플라즈마 내에서 수소 원자핵 간의 핵융합 반응이 일어나도록 조건을 조절하고 제어한다.   초전도체를 통해 생성된 강력한 자기장은 핵융합 반응을 제어하고 필요한 온도와 압력을 유지할 수 있도록 돕는다.

 

초전도체 이용한 핵융합 발전의 장점:

•무한한 에너지 공급: 핵융합은 수소를 연료로 사용하며, 연료 공급에 거의 제한이 없다. 이로써 에너지 공급에 대한 걱정이 줄어들며 지구의 에너지 요구를 만족시키는데 큰 기여를 할 수 있다.

•환경 친화적: 핵융합은 핵분열과는 달리 방사성 폐기물을 생성하지 않는다. 또한, 온실 가스 배출도 거의 없어 기후 변화에 대한 긍정적인 영향을 미칠 수 있다.

•안전성: 핵융합 반응은 핵분열보다 훨씬 안전하다. 붕괴나 중대한 방사선 누출의 위험이 적기 때문에 핵안전성 측면에서 이점이 있다.

•연료 용이성: 연료로 사용되는 수소는 폭발 위험이 거의 없고 연료 공급이 안정적이다.
 

초전도체 이용한 핵융합 발전의 단점:

•기술적 어려움: 핵융합 반응을 일어나게 하는 것은 매우 높은 온도와 압력을 필요로 하며, 이를 유지하고 제어하는 것은 현재로서는 어려운 과제이다.

•미숙한 기술: 아직 핵융합 발전은 실험적 단계에서 벗어나지 못했다. 연구 및 개발이 진행 중이지만 상업화까지 오랜 시간과 노력이 필요하다.

•높은 초기 비용: 초전도체 및 플라즈마 제어 장비의 개발 및 구축에는 상당한 비용이 소요된다.

 
 
 

[요약]

토카막 구조와 초전도 기술을 결합하여 강력한 자기장을 생성해 안정된 플라즈마 내에서 수소 핵융합 반응이 일어나게 한다.