헬리온 에너지의 핵융합 방식

헬리온 에너지는 미국 워싱턴주 시애틀에 위치한 핵융합 스타트업 회사로,  자기 관성 핵융합 방식으로  마이크로소프트와 전력 수급 계약 이행 약속하였는데 2028년에 핵융합 발전으로 50 메가와트 전력 공급을 하기로 체결하였다.
고무적인 뉴스이기는 하나, 이 전력양은 마이크로소프트 회사의 2022년  청정 에너지  총 구입량 중 0.04%에 만 해당함을 주의할 필요는 있다.

헬리온 에너지의 자기 관성 핵융합은 field reverse configuration 이용한  실린더 형태의 선형 장치로 모래 시계를 누워놓은 모양인데, 축 방향으로 형태이다. 여기서, field reverse라는 이름은, 플라즈마가 만드는 poloidal 자장의 방향이 외부 코일에서 만든 축 방향의 자장 방향과 다르다는 점에서 유래한 이름이다.

FRC 장치에서 핵융합 반응은  정상 상태가 아닌, pulsed operation으로, 초당 10번의 핵융합 플라즈마를 만들 계획이다. (현재 프로토타입 장치인, Trenta 장치에서 10분당 플라즈마를 만드는데, 물론 핵융합 상태의 온도와 플라즈마에 도달하지는 않는다.)

FRC 개념은 토카막과는 다르게, toroidal 자장이 없고, 플라즈마에 흐르는 전류로 poloidal 방향으로만 자장을 만들어, self-organized 플라즈마를 만든다. 이 장치에서 핵융합 발전은 다음 단계를 거친다. (1) FRC plasma 발생 이 단계에서, 핵융합 플라즈마는 아니다. (2) 두 개의 FRC 플라즈마를 반응로 중심으로 가속, 이 때 가속기 공학을 이용하여, 자기장을 이용한다. (3) 두 개의 플라즈마를 하나로 압축한다, 이 때 단열 압축방식으로 플라즈마의 압력이 올라가면서 핵융합 가능한 플라즈마 밀도와 온도를 만든다. (4) 플라즈마 열압력이 올라가면서 플라즈마가 단열 팽창을 시작한다. (4) 플라즈마가 팽창하면서, 플라즈마가 만들었던 poloidal 자장의 방향이 바뀌기 시작하는데, 이러한 자기장의 방향이 바뀌면 맥스웰-파라데이 법칙에 따라, 즉, 시간에 따른 자속이 바뀌면 전기장이 유도되는 현상을 이용하여, 전기 에너지를 축전지에 저장하는 방식이다.

헬리온 에너지는 이 반응을 다음 프로토타입 장치에서, 현재 초당 10번정도 일으킬 수 있는 정도의 물리적, 공학적 설계를 하는 것을 목표로 하고 있는 듯 하다. FRC 플라즈마는 물리학적으로 여러 이슈가 있는데, 첫째, 두 개의 frc 플라즈마를 합치는 것이 지난 40여년동안 연구되어 왔는데, 아직까지 완전하게 제어가 되지않는다. 이는 레일리-테일러 instability 문제와 크게 관련이 있으며, FRC 방식뿐 아니라 압축을 하여 핵융합 밀도와 온도를 만드는, 즉 관성 핵융합이 갖고 있는 근본적 문제가 된다. 예를 들어, 잉크 방울을 물에다 넣었을때 , 잉크가 무작위로 물에 퍼지는 것처럼, 플라즈마 압축이 등방성을 갖지 못하게 되는 것인데, 이러면 핵융합 밀도와 온도 상태에 도달하지 못하게 되는 것이다.

둘째로는 자기유체역학적으로 플라즈마와 자기장이 반응하여 생기는 불안정성이있다. 일반적으로 플라즈마 크기를 키우거나, 플라즈마를 축방향으로 늘리면 안정성이 올라간다고 알려져있다. 특히 플라즈마 크기를 키우면 플라즈마 난류발생으로 인한 에너지 손실또한 최소화 할 수 있다. FRC 플라즈마에서 플라즈마 난류를 얼마만큼 제어하여 얼마만큼 가둠 성질을 향상시킬 수 있는지, 또 고속 이온들의 가둠 성질이 거대 장치에 비해서는 좋지 않기 때문에 열 가둠 성질에 대한 충분히 이해가 필요할 것으로 보인다.

또한 중수소와 헬륨3를 이용한 핵융합 반응은, 비록 중성자가 나오지 않아 차폐 용기 설계에 유용하나, 그 반응률이 중수소와 삼중수소의 핵융합 경우보다 상대적으로 (10~100배정도) 낮아, 반응 온도를 더 올려야 하는 단점이 있다. 헬리온 에너지 정보에 따르면, 핵융합 반응시 10-20 keV정도만 유지하면, 소위 말하는 점화 상태에 도달하지 않는 핵융합반응을 지향한다고 한다. 이는 핵융합시 플라즈마 단열 팽창하는 성질을 이용하여, 전자기 현상으로 축전기를 저장하는 방식으로 에너지 변환을 꾀하고 있기 때문이다. 이는 두고 볼 일이다.

또한, 위에서 말한 플라즈마 불안정성 뿐만 아니라, 중수소와 중수소가 만나서 만나는 핵반응시에는 중성자가 나오기 때문에 ( 중수소-중수소 반응이 중수소-헬륨3 보다 반응률이 높다), 이에 대한 대책도 필요해 보인다.

현재 헬리온 에너지의 6번째 장치인 Trenta는 이온 온도가 9 keV까지 올라간다고 하는데, 앞으로 다음 장치인 polaris에서의 성능이 궁금하다.