핵융합 열 관리 – 1억 5천만 °C의 플라즈마를 유용한 전기로 전환

소개

우리가 밤하늘의 별을 바라볼 때, 우리가 보는 빛과 열은 본질적으로 별 내부에서 끊임없이 일어나는 핵융합 반응의 결과입니다. 인류에게 깨끗하고 무한한 에너지를 제공하기 위해 이 과정을 모방하는 것은 수십 년 동안 과학계의 끊임없는 연구 과제였습니다. 지구에서 "태양을 재현하는 것"은 핵융합 반응을 일으키는 것 이상의 공학적 난제를 안고 있습니다. 반응에서 발생하는 엄청난 열을 안전하고 지속적이며 효율적으로 관리하는 것이 가장 큰 과제 중 하나입니다.

핵융합 반응 개요

핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 결합하여 더 무거운 원자핵을 형성하고 엄청난 에너지를 방출하는 과정입니다. 태양을 비롯한 모든 별의 에너지는 이 과정에서 비롯됩니다. 태양의 핵에서는 중력에 의해 핵융합이 약 1500만 도의 고온과 극심한 압력 하에서 지속적으로 일어날 수 있습니다.

지구에서는 태양계의 중력에 의존할 수 없습니다. 제어된 핵융합을 달성하기 위해서는 반응 조건을 만들고 유지하기 위해 다른 방법들이 사용됩니다. 주요 기술로는 자기 밀폐 방식(토카막 장치 등)과 관성 밀폐 방식(레이저 핵융합 등)이 있습니다.

어떤 접근 방식을 사용하든 효과적인 순 에너지 이득을 얻으려면 핵융합 플라즈마가 로슨 기준을 만족해야 합니다. 즉, 온도, 밀도, 에너지 가둠 시간의 곱이 임계값에 도달해야 합니다. 핵융합으로 방출되는 에너지, 특히 하전 입자에 의해 전달되는 에너지가 플라즈마 자체를 충분히 가열하면 반응이 자가 유지될 수 있습니다.

열 발생의 본질과 분포

중수소-삼중수소(DT) 핵융합 반응은 가까운 시일 내에 상용화될 가능성이 가장 높은 반응으로, 각 반응에서 약 17.6 MeV의 에너지가 방출됩니다. 이 에너지는 균일하게 방출되는 것이 아니라 주로 중성자(약 14.1 MeV)와 알파 입자(약 3.5 MeV)라는 두 가지 생성물에 의해 전달됩니다.

중성자는 전하를 띠지 않기 때문에 자기장과 거의 상호작용하지 않고 플라즈마에서 곧장 빠져나와 주변 블랭킷 구조를 통과합니다. 블랭킷 구조 내에서 중성자는 블랭킷 재료(리튬, 납, 베릴륨 등)와의 핵반응을 통해 속도가 줄어들고 운동 에너지를 방출하는데, 이 에너지 대부분이 열에너지로 변환됩니다. 이 열에너지는 전체 핵융합 에너지 방출량의 약 80%를 차지하며, 사용 가능한 핵융합 에너지의 주요 출력입니다.

대전된 알파 입자는 자기장에 의해 갇혀 대부분의 에너지를 플라즈마 내부에 전달하여 자체 발열에 사용되므로 외부 가열 전력의 필요성이 줄어듭니다. 또한 플라즈마는 복사를 통해 에너지를 일부 손실하는데, 이 복사는 가장 안쪽의 제1벽에 직접 충돌합니다.

따라서 핵융합 에너지의 효율적인 활용은 블랭킷에 축적된 중성자 열과 제1벽에 작용하는 방사선/입자 열을 견고한 열 전달 및 변환 시스템을 통해 안정적이고 효율적으로 전기로 변환하는 데 달려 있습니다.

열 전달의 주요 연결 고리

고온의 냉각수는 열을 운반하며, 이 열은 후속 에너지 변환 시스템으로 전달되어야 하므로, 이러한 간극을 메우기 위해 열교환기가 필요합니다.

열교환기의 역할

핵융합 에너지 변환 시스템에서 열교환기는 고온의 냉각재에서 작동 유체(일반적으로 물 또는 기타 적합한 유체)로 열을 전달합니다. 작동 유체는 열을 흡수하여 액체에서 고온·고압의 증기로 상변화를 일으킵니다.

핵분열 발전소의 가압수형 원자로와 유사하게, 1차 루프의 고온 냉각수는 2차 루프의 물과 열을 교환하여 물을 기화시키고 하류의 발전 공정에 필요한 증기를 생산합니다.

고급 사이클: 초임계 CO₂ 브레이턴 사이클

최근 몇 년 동안 초임계 이산화탄소(sCO₂) 브레이턴 사이클이 매력적인 대안으로 떠오르고 있습니다. 고온에서 CO₂는 기존 증기 사이클보다 높은 열 사이클 효율(잠재적으로 40% 이상)을 달성하며, 장비 또한 더욱 소형화할 수 있습니다.

핵융합 열 관리의 목표와 과제

핵융합 열 관리의 목표는 중성자와 방사선에 의해 발생하는 열에너지를 안전하고 효율적으로 유용한 전기 및 열 자원으로 변환하는 것입니다. 이를 달성하기 위해서는 고온 및 방사선 내성 소재의 획기적인 발전, 효율적이고 신뢰할 수 있는 냉각 솔루션, 첨단 열 사이클의 통합, 그리고 시스템 안전성 및 유지보수성의 전반적인 개선이 필수적입니다.

현재 국제적인 노력의 일환으로 국제 열핵실험로(ITER)와 국가 핵융합 공학 시험로(예: 중국의 CFETR) 등이 이러한 방향으로 광범위한 실험과 검증을 진행하고 있습니다.

센시 소개

2005년에 설립된 항저우 선시 에너지 절약 기술 유한회사(SHENSHI) 는 에너지 효율적인 열 전달 및 미세 반응 기술을 전문으로 하는 하이테크 기업입니다. 저탄소 열 관리 분야의 선두주자인 선시는 에너지, 해양 및 해상 엔지니어링, 수소, 제약, 첨단 제조 등 다양한 산업 분야에 고성능 열교환기 및 미세 반응기를 설계 및 제조하여 공급하고 있습니다.

40개국 이상에 솔루션을 공급해 온 션시는 까다로운 산업 분야에 필요한 안정적이고 효율적이며 지속 가능한 열 기술을 제공하기 위해 최선을 다하고 있습니다.