해머로 쳐서 핵융합을 일으키는 방법

우리 미래 에너지는 핵융합에 달려있다고 Michel Laberage는 말합니다. 이 플라즈마 물리학자는 깨끗하고 저렴한 핵발전소를 만들기 위해 번뜩이는 아이디어를 가지고 회사를 운영하고 있습니다. 그의 비밀 제조법은 뭘까요? 바로 빠른 속도, 뜨거운 온도 그리고 엄청난 압력입니다, 이 강연에서는 핵융합 실현이 얼마나 가까이 다가와있는지 설명합니다.

와우 정말 밝네요.

에너지를 많이 사용했을게 분명해요.

여기있는 여러분 모두를
비행기로 데려오는데도

에너지가 많이 쓰였음에 분명해요.

그래요 지구는
많은 에너지가 필요합니다,

지금까지 우리는
화석연료의 기반으로 운영했죠.

천연가스를 태워왔습니다.

그동안은 잘 해왔습니다.

그렇게 하는게 우리를 현재로 이끌었지만,
우리는 멈춰야 합니다.

우리는 그렇게 할 수 없어요.

그래서 우리는 다른 종류의 에너지,

대체 에너지를 시도하고 있지만

석유, 가스, 석탄만큼

편리하고 경제성을 갖춘 대체에너지를

찾는 것은 어렵다는 것이
증명이 되었습니다.

저는 개인적으로 핵에너지를 좋아합니다.

핵은 에너지 밀도가 굉장히 높을 뿐아니라

확실하고 안정적인 힘을 만들어 내고,

이산화탄소도 배출하지 않죠.

자, 핵에너지를 만드는 데는
2가지 방법이 있어요:

바로 핵분열과 핵융합이죠.

우선 분열은 하나의 원자덩어리를

둘로 쪼개서

많은 에너지를 만들고,

이것이 오늘날 원자로가
작동하는 원리입니다.

아주 괜찮은 방식입니다.

다음은 핵융합입니다.

전 융합이 좋습니다.
융합이 훨씬 나야요.

그래서 두개의
작은 원자를 취해서 합치면,

헬륨이 만들어지고,

그건 꽤 멋지죠.

융합은 많은 에너지를 만들어 냅니다.

이것이 에너지를 생산하는
자연계의 방식입니다.

태양과 우주의 모든 별들은

이 핵융합으로 작동합니다.

자, 핵융합 발전소는

비용측면에서 굉장히 효율적이고

매우 안전합니다.

단주기의 방사성 폐기물만을 만들고

원전사고의 위험도 없습니다.

핵융합의 원료는 바다에서 나옵니다.

바다에서, 시간당 1키로와트를

0.001센트 비용으로 추출할 수 있어서,

그건 아주 아주 싼이라 할 수 있죠.

만약 전세계가 핵융합으로 운영되면,

바다에서 연료를 추출할 수 있죠

그건 수십억년은
운영할 수 있을겁니다.

이제, 융합이 이렇게 대단하다면,
우리에겐 그게 왜 없는거죠?

어디에 있나요?

음, 항상 몇가지 문제가 있습니다.

핵융합은 만들기가 대단히 어렵습니다.

문제는 이 두가지 핵인데

둘다 양(+)전하로 차있어서

합쳐지려 하지 않죠.

여기로, 저기로 같은 방향으로 가죠.

따라서 이 핵을 합치려면,

각 핵을 엄청난 속도로
상대의 핵으로 던져서,

그리고 충분한 속도에 이르면

이 둘은 척력을 극복해서

닿고, 에너지를
만들어 낼 겁니다.

이제, 입자의 속도란

온도로 측정됩니다.

그래서 핵 융합에 필요한 온도는

섭씨 1500억도입니다.

조금 뜨겁다 할 수 있고,

이게 바로 융합이 어려운 이유죠.

이제, 제가 융합의 바이러스에 걸린건,

이곳 브리티시 컬럼비아 대학교에서
박사를 할 때였고,

그 이후 레이저 프린터분야에서
좋은 직장을 잡았고

인쇄 산업에 종사했죠.

전 거기서 10년동안 일했고

조금 따분해졌고,

40살이 되었들 때,
중년의 위기를 맞았어요,

평범한거죠 뭐:

내가 누구지? 내가 뭘 해야하지?

내가 뭘 해야하지?
내가 뭘 할 수 있지? 같은 것들이요.

그다음에
저의 좋은 일을 돌이켜 보았는데,

제가 하는 일은,
브리티시 콜럼비아주에서

숲에서 열심히 나무를 잘라내고

여러분 모두를
수백만 톤의 쓰레기 우편물로

파묻고 있었습니다.

자, 그다지 만족스럽지는 않았죠.

어떤 사람들은 포르쉐를 삽니다.

어떤 사람들은 정부를 얻죠.

하지만 제 작은 역할을
지구온난화를 해결하고

융합을 실현시키는 것으로
하자고 결심했습니다.

제가 첫번째로 한 것은

서적을 뒤져서

'어떻게 융합을 가능케 할까?'를
조사하는 것이었죠.

물리학자들은 융합을 어느정도 연구했고

그 중 하나의 방법은

토카막이라고 하는 것입니다.

이건 초전도 자기코일로 이루어진

큰 링이어서,

이렇게 생긴 그 링에서,

그 링은 자기장을 만들어 내고,

그 중심에는

플라즈마라고 하는
뜨거운 가스가 차있죠.

그 입자들은 계속해서
둥글게 둥글게

원형의 벽을 따라 움직입니다.

그리곤 융합점까지 가열 하기 위해

그 안에서 엄청난 열을 가합니다.

그래서 이것이 그 도우넛모양 장치의
내부모습이고,

오른쪽에 융합 플라즈마가

그 안에 있는 것을 볼 수 있죠.

자, 이렇게 하는 두번째 방법은

레이저를 사용한 융합입니다.

레이저 융합에서는,
작은 탁구공을 가지고

융합연료를 중앙에 집중시키고,

그리고 순간적으로
레이저 다발을 주변에 쏩니다.

이 레이저는 아주 강력해서

이 공을 순식간에 압축시켜버립니다.

만약 여러분이
뭔가를 충분히 압축시키면,

그것은 점점 뜨거워 지고,

그리고 그게 정말 정말 빨라져서,

그게 10억분의 1초만로 빨라지면,

융합에 필요한

충분한 에너지와 열을 만들어 냅니다.

이건 이 기계의 내부 모습입니다.

중심에 레이저 빔과

작은 원을 볼 수 있습니다.

사람들은 융합이 더 이상
발전하지 않고 있다고 생각합니다.

물리학자들이 연구실에 틀어박혀

열심히 일하고 있지만
아무것도 일어나지 않는다고 하죠.

그건 사실이 아닙니다.

이것은 지난 30년간 계속되어온

융합연구의 성과 그래프입니다.

그리고 여러분은
연구를 시작했을 당시와 비교해서

1만배 강한 핵융합을 하고있다는 것을

보실수 있을겁니다.

아주 괜찮은 성과죠.

실상, 이 발전은

칩에 넣을수 있는 정보의 양을 정의한

유명한 무어의 법칙에
버금갈 정도로 빠릅니다.

(Moore's law:칩에 들어가는 정보의 양이
18개월에 2배씩 증가한다는 법칙)

자 여기 JET라 부르는 작은 점이 있습니다.

Joint European Torus의 약어를 것이죠.

유럽에 있는 대형 토카막 발전기입니다.

그리고 이 기계는 1997년에

16메가와트의 융합에너지와

17메가와트의 열을 생산했죠.

자, 여러분은 말하겠죠.
'그렇게 쓸모가 있진 않겠네.'

하지만
우리가 시작 당시보다 약 만배 더

강한 에너지를
얻었다는 것을 생각했을 때

상당히 근접했다고 볼수 있습니다.

두번째 점은 NIF 입니다.

이 것은 국립점화시설
(National Ignition Facility)의 약어죠.

미국에 있는 아주 큰 레이저 장치이며,

NIF에서는 지난달

소란을 일으키며

탁구볼 중앙에 투입한 에너지보다

융합에서 더 많은 융합에너지를

만들어내는데
성공했다고 발표를 했습니다.

자, 실제론 에너지 투입을 위해

사용된 레이저가 더 에너지를
소모했기 때문에

충분하지는 않지만,

그래도 괜찮은 편이죠.

이제 ITER입니다.

프랑스어로 EE-tairh라고 하죠.

이건 다양한 국가간 대형
공동연구로

지금 프랑스의 남부에서

도우넛모양의 대형 자기발전기를
건설하고 있는 것이고,

완성이 되면 이 기계는

500메가와트의
융합에너지를 생산하면서

단 50메가와트만 소모하게 됩니다.

이 기계는 절대 진짜인 것이죠.

분명 작동할겁니다.

에너지를 생산하는 장치가 될겁니다.

이제 여러분이 그래프를 본다면

이 두점(NIF, ITER)이 곡선에서
오른쪽으로 벗어나 있는걸

알아챌수 있을 겁니다.

우리가 발전이 뒤쳐진 것이죠.

사실, 그 기계를 만들
과학기술력은

그게 곡선인 동안
융합을 생산하기에

충분했습니다.

하지만 약간의
정치란 것이 작용을 하고 있었고,

핵융합에 대한 의지가 없었고,

따라서 점이 오른쪽으로 흘러간겁니다.

실상, 예를 들자면,
ITER는 2000년이나 2005년에

건설될 수 있었을 거였지만,

그건 국제적 공조였고

정치가 개입해서
그 건설이 약간 지연됐습니다.

예를 들어, 그들은
건설할 곳을 결정하는데

3년이란 시간을 허비했습니다.

자, 융합은 비용이 너무 많이 든다고

비난을 받습니다.

맞습니다. 비용이 들죠,

이 개발을 하는 데
년간 10억 달러 또는

20억 달러가 듭니다.

하지만 무어의 법칙을 만드는 데
드는 비용과

비교를 해볼 필요가 있습니다.

그건 융합보다
훨씬 비용이 많이 듭니다.

무어의 법칙의 결과는

바로 제 주머니 안의 핸드폰입니다.

핸드폰과 인터넷의 뒷배경에는,

약 1조달러의 비용이 듭니다.

그냥 저는 이걸로 셀카를 찍고

페이스북에다 올립니다.

그 다음 제 아버지가 그걸 봤을 때,

그는 정말 자랑스럽게 생각할겁니다.

또 우리는 석유와 가스와
재생가능 에너지에

년간 6천500억달러를

소비하고 있습니다.

현재 우리는 이 비용의 0.5%를
핵융합개발에 쓰고있습니다.

개인적으로 전 그렇게 비싸지 않다고 생각합니다.

그게 향후 수십억년간
모든 에너지 문제를

깔끔하게 해결할 수 있다는

점을 생각해보면 오히려
부당한 대우를 받은 셈이죠.

제가 좀 편향적일 수는 있습니다.

왜냐하면 전 핵융합회사를 개설했고

페이스북 계정도 없으니까요.

2002년에 융합회사를 시작했을 당시

전 저보다 훨씬 많은 자원을 가진

큰 연구소들과
싸울수 없다고 생각했습니다.

그래서 전 더 싸고 더 빠른 방법을

찾기로 결심했습니다.

자기과 레이저 융합은

아주 훌륭한 방식입니다.

기술의 집약체이고 멋진 장치이죠.

그래서 그것들이
융합이 가능하다는 걸

보여주었습니다.

하지만 발전소로써는

그것들이 좋다고는 생각하지 않아요.

지나치게 크고, 지나치게 복잡하고,

지나치게 비싸고,

또한, 그렇게 많은 융합 에너지를

처리하지도 못합니다.

융합을 하면,
중성자로 에너지가 생성됩니다.

빠른 중성자가
플라즈마에서 나오는 거죠.

그 중성자들은 기계의 벽을 때려서

손상을 입힙니다.

그리고 또한 중성자에서 나온 열을 모아서

터빈의 어딘가와

그 기계들을 돌리려면
스팀을 가동시켜야 하죠.

그건 모두 나중에서야
생각해낸 것이었습니다.

그래서 전 그렇게 하기에 분명
더 나은 방법이 있으리라고 작정했죠.

그래서 문헌조사를 했고

융합에 대한 것들을 전부 읽었죠.

제 관심을 끈 특정한 방법은,

자기화표적융합 (Magnetized
Target Fusion)이라는 것인데,

줄여서 MTF라고 합니다.

이제 MTF에서 여러분이 할일은

대형 용기에다

액체금속을 채우고

그 액체 금속을 회전시켜서서

중심에서 와류가 일어나게 합니다.

여러분의 싱크처럼 말이죠.

싱크대 뚜껑을 열면,
소용돌이가 치죠.

그러면 외부에 압력을 가해서

피스톤을 가동시키고,

이것은 플라즈마 주변의

액체금속을 압축시키고,

그러면, 레이저처럼 온도가 올라가고,

그 다음에 융합이 일어나게 됩니다.

그 장치는 일종의

자기융합과

레이저융합의
혼합버젼이라고 할 수 있습니다.

그 장치들은 몇가지
훌륭한 장점을 가지고 있습니다.

액체 금속이 모든 중성자를 흡수해서

어떤 중성자들도 벽을 때리지도 못하고

그렇기때문에
기계는 손상을 입지도 않죠.

이 액체금속의 뜨거워지면

열교환기에 열을 펌프질해서,

스팀을 만들어
터빈을 돌릴수 있습니다.

그 과정의 이부분을 진행하는데 아주

편리한 처리방식이죠.

마지막으로, 융합이 발생하는 데
필요한 모든 에너지는

증기구동 피스톤에서 나오며,

그 방식은 레이저나

초전도 코일보다 훨씬 쌉니다.

이 방식은 아주 훌륭했습니다.

작동이 잘 안된다는 점만 빼면 말이죠.

(웃음)

항상 문제가 있죠.

압축을 하면 플라즈마의 온도가

압축속도보다 더 빨리

떨어집니다.

따라서 여러분이 압축을 시도하면

플라즈마는 온도는 계속해서
내려가고 내려가고 내려가고,

그런다음에는 아무것도 일어나지 않죠.

이걸 보고 재가 말했죠,
'음, 이건 정말 부끄러운 일인걸,

왜냐하면 그건 정말 좋은 방법이니까.

희망하건대,
내가 이걸 개선할 수 있기를 바란다.'

그래서 잠시동안 생각을 했고

말했죠, "좋아, 어떻게 해야
우리가 그걸 더 잘 작동되게 할 수 있을까?"

그런다음 충격에 대해서 생각했죠.

'만약 큰 망치를 가지고

휘둘러서 이렇게 못을 박는 거지,

못위에 망치를 놓고 눌러

꾸역꾸역 들어가게 하는 것을
대신해서? 그 방식은 통하지 않을거야.'

그래서 생각해낸 아이디어는

충격의 아이디어를 이용하는 거지요.

우리는 증기로 피스톤을 가속시킵니다.

그렇게 하는 데 약간 시간차를 두고나서,

그다음에 꽝! 피스톤을 때립니다.

그러면, 빵! 하고
에너지가 즉각 형성되고,

액체로 즉각 전달됩니다.

그래서 그게 플라즈마를
훨씬 빨리 압축시킵니다.

그래서, 전 결정했죠.
좋아, 이건 좋은데. 그걸 만들자.

우리는 기계를
이 창고에서 만들었습니다.

작은 기계를 하나 만들어

그것으로 소량의 중성자를

쥐어 짜는 데 성공했고,

그것들이 제 홍보용 중성자인 셈이죠.

그래서 그 홍보용 중성자로,

5천만 달러를 지원받았고,

65명의 직원을 고용했습니다.
이분들이 저의 팀원들입니다.

그리고 이것이 바로
우리가 만들고자 하는 것입니다.

대략 직경 3미터의

큰 기계가 될것인데,

액체는 주변을 돌며

중앙에 큰 소용돌이가 일어나서,

아래와 위에서 플라즈마를 놓아,

피스톤이 양쪽을 치고,

빵! 그게 그걸 압축을 시키면,

그럼 약간의 에너지를 생성할 겁니다.

그리고 그 중성자는
액체 금속에서 생성될 것이고,

증기엔진으로 간 다음 터빈을 만들것이고,

그리고 증기의 일부는

다시 피스톤을 때리는데 이용될 겁니다.

우리는 대략
초당 한번씩 가동할 할것이고,

그 기계는 100메가와트의 전기를
생산하게 될 겁니다.

좋아요, 우리는 이 주입기도 만들었는데,

이 주입기는 우선 첫째로
플라즈마를 생성합니다.

이건 섭씨 300백만도 정도의

미적지근한 온도에서
플라즈마를 만듭니다.

불행하게도, 이것의 에너지는
충분히 지속되지 않아서,

우리는 플라즈마의 지속시간을
좀 더 늘릴 필요가 있습니다.

하지만 지난달 훨씬 더 개선되었고

이제 플라즈마
압축하는 것을 알았습니다.

그 다음 우리는 그 주위에
피스톤 14개가 달린

이정도 크기의,
작은 구(球)를 만들었고,

이것은 그 액체를 압축할 겁니다.

그러나,
플라즈마는 압축하기 힘들죠.

압축을 하면,

이렇게 변형되는 향이 있어서,

그래서 당신은 피스톤의 시간이

아주 중요합니다.

그리고 우리가
사용하는 몇몇 제어시스템은

1970년대에는 불가능하였지만

지금은 멋진 신 전자장비들로

인해 가능합니다.

이제, 마지막으로
대부분의 사람들은 융합이

먼 미래의 일이고 실현되지
못할 것이라고 생각합니다.

하지만 사실 핵융합은
아주 가까워지고 있습니다.

우리는 거기에 거의 도달했습니다.

대형 연구소들에서는
융합이 가능하다는 것을 보여주었고

그리고 지금 작은 회사들이
그것을 실현시키려하죠.

이들은 말합니다.
실현이 불가능한 것은 아니다.

하지만 문제는
어떻게 비용을 줄이느냐 입니다.

General Fusion은
작은 회사 중 하나입니다.

그리고 희망컨데 조만간 누군가

융합을 실현시킬겁니다.

아마도 그건 General Fusion이 될겁니다.

고맙습니다.

(박수)