핵융합 반응을 일으키려면 극단적인 조건을 만들어야 함. 항성 내부의 온도와 높은 압력, 순식간에 많은 에너지 방출 등이 필요함.
여기서는 낮은 가격, 낮은 에너지로 핵융합을 할 수 있는 방법에 대해 알아보겠음.(물론 저온 핵융합이 아님.)
핵융합 점화의 어려운 점.
핵융합은 두 개의 원자핵을 합쳐서 질량이 약간 줄어든 부산물을 만듦. 줄어든 질량은 에너지로 변환됨.
원자에 있는 원자핵과 전자는 전하를 띠기 때문에 두 원자핵을 결합하려 하면 서로 간에 반발력이 작용함. 두 원자핵의 반발력을 무시하고 결합하게 하려면 많은 에너지가 필요함.
이 힘은 원자 단위의 크기에서는 전자볼트(eV) 로 측정됨. 두 원자핵을 융합하는 데 드는 에너지는 메가 전자볼트(MeV) 단위임.
이 힘을 온도로 계산하면 중수소-삼중수소 핵융합에 필요한 온도는 4000만K 정도임.
현재 핵융합 방법들과 우주선에서의 응용
핵융합을 점화시키는 데는 많은 방법이 있지만, 가장 많이 연구되고 있는 자기 가둠 또는 관성 가둠 방식들은 크고 비쌈.
자기 가둠 방식은 강한 자석으로 이온화된 핵융합 연료 플라즈마를플라스마를 용기에 가둠. 플라스마를 가열하면 기체를 가열한 것처럼 압력이 증가하고 자기력에 의해 부피가 제한되므로 용기 내부의 온도를 올릴수록 압력도 올라감. 이 접근법을 사용하는 핵융합 용기에는 토카막과 스텔러레이터가 있음.
관성 가둠 방식은 아주 짧은 시간 동안만 작동해서 플라즈마 가둠 용기를 단순화해도 됨. 많은 양의 에너지가 레이저나 이온 빔으로 순식간에 핵융합 연료 펠렛에 전달되고 핵융합 연료 펠렛이 증발하면서 내부로 팽창함. 제대로 된다면 내부의 핵융합 연료는 핵융합을 일으킬 수 있는 정도가 되고, 핵융합 반응이 일어남.
어쨌거나 이 글은 핵융합 추진과 관련 있으므로 일단 다양한 핵융합 추진 방식을 살펴봐야 함.
우주선을 추진할 때 핵융합은 화학 연료들보다 훨씬 강력하고, 특이한 연료들을 사용하지 않고 연료가 방사성 폐기물을 배출하지도 않아서 최고의 선택임. 그러나 핵융합 로켓, 발전 방식도 많은 단점이 있음.
자기 가둠 핵융합 로켓은 커다란 전자석과 라디에이터, 연속적이고 강력한 에너지원(원자로)과 핵융합 엔진 모두 필요함. 그리고 원자로에서 에너지를 뽑아내서 핵융합 연료를 가열하는 방법도 따로 생각해야 됨.
관성 가둠 로켓은 우주선을 추진하는 데에는 더 적합함. 하지만, 핵융합 연료를 점화시키려면 페타와트 레이저나 입자가속기가 필요함. 제한된 무게를 고려하면, 레이저나 입자가속기는 축전기로 가동돼야 하는데 축전기의 에너지 저장 밀도가 심각하게 낮음. 다른 문제는 우주선의 가속, 방향 전환 여부와 관계없이 연료 펠렛에 정확하게 에너지를 전달하는 거임.
정리하자면, 핵융합 로켓을 가동하려면 많은 질량을 엔진과 연료를 점화하는 데 필요한 전력원에 분배해야 함.
충격 핵융합
여기서 제안하는 건 간단하고 전력 소모가 적고 검증된 방식으로 연료를 점화하는 거임.
https://www.google.com/patents/US20110075783
두 개의 레일건이 각각 특수한 포탄을 발사함. 서로의 포탄을 겨냥하여 발사되고 포탄 내부의 핵융합 연료가 점화됨.
충격 핵융합 점화에는 5단계가 있음.
1. 발사
포탄은 금으로 된 얇은 막, 중수소, 삼중수소 용기, 단단한 끝부분으로 되어 있음. 레일건은 이 포탄을 20~100km/s로 발사함.
2. 충돌
충돌 시 금 박막이 운동에너지가 열 에너지로 전환되면서 증발하고(10% 효율) 열 에너지는 핵융합 연료(포탄 무게의 1%)를 3백만 K 까지 올림.
3. 압축
포탄의 양 끝 부분이 핵융합 연료를 대기압의 8천만배 정도로 압축시킴. 온도가 5천만 K까지 올라가고 핵융합 연료가 점화됨.
4. 추진
핵융합 점화는 폴리에틸렌 또는 다른 추진체의 뒤쪽에서 이루어짐. 핵융합 연료가 추진체를 가열해서 플라스마로 만듦. 추진체의 운동량은 자기 노즐로 반사되어서 밖으로 분출함.
충격 점화는 다른 핵융합 점화 방식들과는 다른 명확한 장점이 있음.
레일건은 초전도 전자석이나 페타와트 레이저 + 축전기보다는 간단하지만, 연료 펠렛에 공급되는 에너지 양은 관성 가둠 방식 핵융합보다 훨씬 많음. 레일건은 입자가속기나 토카막보다 가볍고, 레이저보다 효율적임. 레일건은 더 가벼운 방법으로 대체할 수 있음.
예시
페이로드 질량이 100톤, 목적지는 화성까지 12일 안에 가는 거라고 가정함.
연구 결과에 따르면 D-T 핵융합에서 20%는 X선으로 방출되고 나머지는 14 MeV 중성자로 방출됨. 중성자의 에너지를 최대한 잡는 게 중요함. 이런 점을 고려하면 폴리에틸렌이 가장 적합함. 폴리에틸렌은 가볍고 4cm 두께의 폴리에틸렌은 98%의 중성자를 흡수함. 4cm 반지름 폴리에틸렌 반구는 부피 134cm^3이고 질량 128g임.
10g 포탄으로 0.1g의 D-T 연료(3g/cm^3)를 점화하면 6.6%의 연료를 태울 수 있고, 4.5GJ를 한 번의 충돌로 얻을 수 있음.
핵융합 부산물은 구 모양으로 퍼지므로 50%가 폴리에틸렌에 닿고 중성자 98%, X선 100%가 흡수됨.
폴리에틸렌은 2.3GJ의 에너지를 받음. 폴리에틸렌의 비열은 1.25J/g/K이므로 1400만 K까지 올라감. 분자 평균 운동에너지 계산기를 사용하면 111.7km/s가 나옴. 자기 노즐의 효율이 85%라 하면 35kN의 추력을 얻음.
10g 포탄을 20km/s로 가속하려면 2MJ가 필요하고, 에너지 효율을 16%로 가정하면 10MJ가 필요함.
우주선이 엔진 에너지의 20%를 자기 유체역학 발전으로 뽑아내면, 레일건을 충분히 가동할 수 있는 정도의 에너지인 460MJ를 한 번의 펄스로 얻을 수 있음. 더 간단한 열전기 발전기를 사용한다면, 출력의 5%인 115MJ를 얻을 수 있고, 열전기 발전기는 레일건의 방사선 차폐막으로 응용할 수 있음.
400MJ는 4개의 슈퍼캐패시터로 저장할 수 있음. 현재 개발된 64MJ 레일건이 67톤이므로 10MJ레일건은 20톤 정도라고 예상할 수 있음.
ICAN-II 우주선은(원문 링크 없어짐, projectrho에서 볼 수 있음.) 27톤의 엔진으로 11.7GW의 출력을 내므로 2.3GW 출력의 엔진은(레일건을 제외한 자기 노즐 등의 엔진 부품들) 대략 5.3톤이라고 예측할 수 있음.
폴리에틸렌 추진체 배출 장치 무게는 많은 무게를 차지하지 않고 엔진 구조 무게(노즐 서스펜션)는 우주선 공중량의 10%라 하면 12.9톤 정도 됨.
최종 우주선 질량비는:
페이로드 100톤
엔진 시스템 20톤(레일건) + 5.3톤(자기 노즐 등) + 4톤(발전기)
엔진 서스펜션 등등 구조 무게 12.9톤
엔진 출력 2.3GW(핵융합), 1.96GW(노즐)
배기 속력 111km/s
추력 35kN
초당 질량 흐름 148g/sec
delta V 100km/s, 추진체, 연료 양 = 54톤
전체 무게 196톤
개선 사항
충격 점화 핵융합 방식으로 핵융합 연료를 점화하려면 최소 100km/s에서 1000km/s 이상(고정된 벽면에 부딪힐 경우)이 필요함. 충격 점화에 필요한 속도를 다단 압축형 포탄으로 낮출 수 있음.
각각의 단이 앞 단의 연료를 압축함. 충분한 수의 단을 구성하면 20km/s의 속도로 핵융합을 일으킬 수 있음.
다른 방법은 다양한 가속 기술을 사용하는 거임. 2단 light gas gun에 3단을 추가하면 이론상으로는 20km/s를 달성할 수도 있음.
Ablative propulsion을 이용할 수도 있음. 레이저나 이온 빔이 포탄의 끝부분을 가열해서 가속함. 충돌하기 전 까지 포탄을 가속할 수 있음. 그러나 가속하려면 포탄까지 시야가 유지돼야 하고 레이저가 포탄을 정확히 추진할 수 있을 정도로 정확해야 함.
포탄을 전자기력으로 조종하는 방법도 있음. 포탄의 끝부분을 강자성체로 만들어서 궤적을 전자기력으로 수정하면 됨.
번역:
https://toughsf.blogspot.com/2016/06/gun-fusion-two-barrels-to-stars.html
본문 외 참고 논문:
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