핵분열 물질 없는 핵융합

오늘날의 핵융합 기술은 비싸고 건물 크기만한 점화 시설을 사용하거나 핵분열 물질을 사용함. 둘 다 없앨 방법이 있을까?

 

핵분열 물질이 필요없고, 궤도로 올릴 수 있을 정도로 가벼운 핵융합 장치는 가능하고, 실용성 있음. 그런 장치가 어떻게 작동하고 어떻게 응용할 수 있는지 알아보겠음.

 

궤도로 보내기엔 너무 무거움

사진: NIF의 레이저 핵융합 시설

 

요즘의 핵융합 연구는 중수소와 삼중수소를 레이저나 자기장, 입자빔으로 가두는 것에 있음. 핵융합 연료를 이런 수단으로 가두면, 태양의 중심부보다 더 높은 온도로 올라가고, 핵융합 연료가 점화됨. 그러나 이 과정에서 나오는 에너지는 많지 않음.

 

최근 NIF에서 한 실험에 따르면, 1.8MJ의 레이저 펄스를 작은 Hohlraum에 집중해서 150KJ가 핵융합 연료에 흡수되었고, 1.3MJ의 에너지가 방출되었다고 함. 투입한 전력의 8.6배 정도를 얻은 거임.

핵융합 반응으로 나온 에너지는 작은 트럭이 고속도로에서 달리는 정도의 운동 에너지나 50 mL의 가솔린이 연소될 때 나오는 에너지와 비슷함. 그러나 레이저를 발사하는 데 들어간 에너지는 422MJ이고 이 에너지는 중형 여객기가 이륙할 때의 운동 에너지나 MK82 폭탄(500파운드)이 터질 때 방출되는 에너지와 비슷함.

NIF는 짓는 데 35억 달러가 들었고, 길이만 300미터임. 무게는 수천 톤이 넘어감. 이게 다 150KJ의 에너지를 방출하는 중수소-삼중수소 캡슐에 집중됨. 더 효율적인 부품들이 쓰이면 효율이 개선되겠지만, 이 시설은 현재의 로켓으로 발사될 수 없음. 투입한 무게 대비 출력을 올려야 함.

 

작은 박스에 든 별

우주에서 핵융합을 하는 데는 쉬운 방법과 어려운 방법이 있음.

 

어려운 방법은 현재 기술을 발전시켜서 연료를 점화하는 기술을 더 가볍게 만들어서 질량 당 에너지 출력 비율을 높이는 거임. 예시로 Gradient field imploding liner를 들 수 있음.

이 방법은 20T의 자기장이 걸린 전자석에 리튬 펠렛을 10km/s 이상의 속력으로 발사해서(레일건이나 레이저 등등으로) 982배의 에너지를 회수함. 그러나 점화 장치와 발전 시설, 라디에이터 등등의 무게를 더하면 무게 당 에너지 효율은 10KW/kg 정도를 얻을 수 있음.

만약 스페이스 X 스타십이 현실화된다면, 100톤의 페이로드로 1GW 출력의 핵융합로를 발사할 수 있음.

 

그러나 이 방법은 오랜 시간이 걸릴 것임. 더 많은 연구와 투자가 필요함.

 

쉬운 방법은?

핵폭탄임.

핵폭탄은 1950년대부터 이미 작게 만들어지고 있음. 핵분열로 핵융합을 점화하면 충분히 작은 크기로 만들 수 있음.

텔러-울람 설계로 핵분열 과정에서 나온 방사선으로 핵융합을 점화하는 건 핵융합을 직접 점화하는 것보다는 훨씬 간편함.

 

실용적인 입장에서는 엄청남. 몇백 kg의 무게로 도시 전체를 평탄화 할 수 있음. W56 탄두는 272kg로 TNT 1.2메가톤과 같은 효과를 낼 수 있음.

열핵병기는 우주에서 테스트 된 적도 있음. 스타피시 프라임 핵실험은 1.4메가톤급 핵탄두를 400km 위에서 폭발하는 실험이었음.

 

그러나 핵탄두를 우주에서 터뜨리는 데에는 제한이 있음.

 

1. 핵탄두의 최소 크기임. 핵융합 반응을 일으키기 위해 들어가는 원자 폭탄의 핵물질은 임계 질량 이상의 질량이 필요하고 그 양은 몇 kg이고, 10톤의 TNT와 비슷하지만, 이 정도 에너지를 위해 쓰는 핵물질의 양이 지나치게 많음. 더 효율적인 핵폭탄은 비슷한 핵물질 무게로 1000톤급 TNT와 비슷하지만, 더 복잡한 압축 기술이 필요하고, 핵융합 에너지를 효율적으로 쓰려면 원자 폭탄의 10배 정도의 에너지를 방출해야 함. 결과적으로 아무리 작은 수소폭탄이라고 해도 TNT 수십 킬로톤 급의 출력이 나옴.(우주선에 그만큼의 출력을 받을 시설이 있어야 함.)

 

1. 핵물질의 생산도 문제임. 열핵폭탄을 만들 때 가장 큰 문제 중 하나임. 고농축 핵물질은 비싸고 무기화되기 쉽고 위험하기 때문에 정치적, 사회적으로 큰 문제가 있음. 이미 몇 개의 핵 추진 로켓 프로토타입들이 이 문제로 취소됨. 오리온 우주선의 경우 국제법적으로도 문제가 있음.

 

1. 핵물질의 유통에도 문제가 있음. 지구에서는 물의 순환 때문에 200000ppm의 높은 집중도로 발견되는데 금성이나 세레스에서는 2ppm으로 골고루 분포하기 때문에 많은 양의 돌을 채굴해야 함.

사진: 달의 우라늄 분포 https://www.space.com/8644-moon-map-shows-uranium-short-supply.html

 

2ppm은 1세제곱미터 당 5그램이 있다는 것이고, 그 중에서 우라늄-235는 0.7%이므로 1세제곱미터 당 35밀리그램의 핵물질이 있음. 임계질량만큼 모으려면 57000m^3이 필요함. 매우 비효율적임.

그러나 핵융합 연료는 비교불가능할 정도로 많음. 중수소는 태양계의 물에 kg당 0.312그램이 있고, 67P/Churyumov-Gerasimenko에는 부피당 중수소가 지구보다 3배 많음. 전기분해로 중수소를 얻을 수 있음. 삼중수소는 좀 까다롭지만. 우주에서 흔한 원소인 리튬으로 만들 수 있음.

 

헬륨 3은 매우 귀하지만, 달이나 가스형 행성에서 채굴할 수 있음.

 

 순수 핵융합

해결 방법은 핵에너지가 아닌 에너지를 최대한 간단한 방법으로 집중시켜서 핵융합을 점화해서 더러운 부산물 없는 핵융합을 하는 것임.

 

이게 과학자들이 첫 번째 핵융합 반응이 일어난 이후로 원해왔던 것임. 1996년에 포괄적 핵실험 금지 조약 이후로 순수 핵융합은 관심을 받음. 몇몇 방식은 실제로 핵융합 반응을 일으키는 데 성공함.

https://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/reports/2007/R2212.pdf

https://www.osti.gov/biblio/460766

 

이런 연구가 있게 된 이유는 전통적인 점화 연구(토카막, 레이저) 등이 연구비를 못 받게 될 수 있을 상황을 대비해서였고, 더 많은 연구들이 있었지만, 핵융합 연구가 많은 연구비를 받게 되면서 사라졌음.

 

 

이 주제는 핵과학자들 사이에서는 까다로운 주제임. 순수 핵융합 장치는 핵폭탄과 많은 범위에서 비슷하고, 자세히 다루는 것은 기밀이기 때문임. 사실을 알고 있어도 말하지 못함.

 

순수 핵융합 무기 또한 핵 확산 문제에 포함될 수 있음

https://sgp.fas.org/othergov/doe/rdd-7.html#I49

https://ieer.org/resource/reports/dangerous-thermonuclear-quest/

 

핵 확산 통제(고농축 우라늄 통제)를 우회할 수 있는 핵무기는 국가 간 위협을 현실로 만들 수 있음.

사진: 우라늄 가스 원심분리기

 

천연 우라늄은 폭탄이 될 수 없고, 수백 톤이 운송되고 있음.  규제하는것은 불가능에 가까움. 원자로 등급 우라늄은 5% 농축우라늄이므로 핵폭탄으로 만들 수 없음. 무기급 우라늄을 만들려면 가스 원심분리기 같은 축구장급 시설과 메가와트급 전력이 필요함. 이런 기계들은 정밀하고 숙련된 인원이 필요함. 스턱스넷 같은 사이버 공격으로 기계가 망가질 수도 있음.

 

핵물질을 만드는 다른 방법은 특별한 원자로로 플루토늄 239를 만드는 거임.

 

순수 핵융합은 고농축 우라늄이 없어도 됨. 순수 핵융합 무기에 대한 논의가 있었고, 나중에 계산해보겠지만, 순수 핵융합 무기는 전술적 이점은 얻을 수 있지만, 전략적 이점을 얻기에는 파괴력이 부족함. 

 

미래에는 순수 핵융합 장치가 진지하게 개발될 수 있음. 군사적 목적이 아니더라도 추진이나 발전 등에 사용할 수 있음.

 

순수 핵융합 장치에는 두 가지 유형이 있음.

1. 폭발 구동 자속 발생기를 이용한 자화 표적 핵융합 장치
2. 폭발 구동 다단 압축 내파식 핵융합 장치

 

이 두 개를 기반으로 여러 변형들에 대해 알아보겠음. 

참고: https://en.wikipedia.org/wiki/Explosively_pumped_flux_compression_generator

 

폭발 구동 자속 발생기를 이용한 자화 표적 핵융합 장치

폭발 구동 자기력 발생 장치는 폭발물의 화학적 위치 에너지를 강력한 자기력 펄스로 바꿔줌. 

축전기로 도체판에 강력한 전류를 흘려서 얻는 방식과(Disk Explosive Magnetic Generator DEMG) 코일을 이용하는 (Helical Explosive Magnetic Generator HEMG) 방식이 있음. 고폭약이 터지면 코일과 판 같은 도체를 압축하고 (위 사진을 예시로 들자면, 코일의 면적이 폭발로 작아져서 코일 내부를 지나가는 자기력선속은 작아지는데 렌츠의 법칙에 따라 코일 외부의 자기력선이 코일에 유도기전력을 만드므로 코일의 전체 자속은 보존되고, 면적당 자기장 세기가 증가함.) 자기장을 최대 수백 테슬라까지 증폭함. 이 장치를 여러 단으로 만들어서 1차 압축과 2차 압축으로 만들어서 자기장을 더 증폭할수도 있음.

 

 

러시아의 VNIIEF의 실험에 따르면 고폭탄 에너지의 20%에서 25% 정도를 변환할 수 있었고 100MA의 전류가 200T의 자기장을 만듬. 이론상으로는 이것보다1.5배  더 효율적인 결과값이 나와서 대략 30~40%의 효율이 나와야 했고, 자기 확산이나 기계적 문제 등으로 효율성이 저하되었다고 함.(참고 1 , 참고 2) 다른 형태의 장치로 70%효율을 낼 수도 있다고 함.

 

1미터 넓이의 DEMG 3개 모듈은 100MJ의 에너지와 256MA의 전류를 생성함. 이렇게 모듈 25개를 쌓을 수 있음.

강력한 자기 펄스는 자화 표적 핵융합에(MTF) 사용할 수 있음.

 

자화 표적 핵융합 방식으로 핵융합을 점화할 때 연료는 플라즈마로 가열되고 내파하는 금속 껍질로 급격히 압축됨. 금속 껍질은 자속 발생기로 만든 자기 펄스로 구동하고, 이 때 속도는 핵융합 반응을 일으킬 수 있는 온도와 압력을 만들 수 있는 초속 수십 킬로미터 정도임. 그리고 대부분의 핵융합 에너지는 금속 껍질에 전달되고 핵융합 엔진의 추력으로, 발전기의 유체로 공급됨. 

 

MTF는 실제로 테스트해서 중성자가 검출된(D-T 반응의 결과로 헬륨 4와 중성자가 생성됨)방법임. MTF를 사용하는 가장 큰 프로젝트는 General Fusion임

 

MTF는 다른 핵융합 점화 방식과는 다르게 많은 장점이 있음. 다룰 수 있는 압력이 일정한 자기장을 사용하는 토카막보다 훨씬 높아서 입자가 융합하도록 도와줌. 내파 속도는 관성 가둠 방식의 수백 km/s보다 훨씬 낮아서 강력한 레이저로 냉동 연료 펠렛을 가열하는 것보다 에너지를 더 효율적으로 사용함. 

우리의 목표는 다음의 과정을 일으키는 것임:

고폭약->선속 발생기->금속 껍질->핵융합 반응->출력

 

각각의 변환 과정에서 어느 정도의 에너지 손실이 일어남. 에너지원은 고폭약이고 출력된 에너지는 대부분 핵융합에서 나옴. 전기적 손실이나 핵융합 연료의 가열 등의 KJ 단위의 작은 에너지 손실을 제외하면 에너지 변환은 MJ단위로 일어남. 최종 목표는 HE의 에너지보다 훨씬 더 많은 에너지를 핵융합 에너지로 출력하는 것임.

VNIIEF의 MAGO 프로젝트에서 실험한 결과 금속 껍질은 65MJ, 20km/s로 8.9밀리그램의 중수소-삼중수소 연료를 1백만K 까지 가열해서 1GJ의 핵융합 반응을 발생시킬 수 있는 정도임. 중수소-삼중수소 반응은 kg당 340TJ의 에너지를 방출함. 8.9밀리그램은 3.03GJ를 내놓고, 33% 정도의 연료가 반응을 한다는 뜻임. 투입 에너지의 16배를 얻음. 이 실험은 200MJ의 자속 발생기가 1000T의 자기장을 발생해서 25MJ를 금속 껍질에 전달했다는 실험 결과를 참고하였음.

 

만약 고폭약의 에너지 중 25%가 변환되고, 60%의 폭약이 5MJ/kg를 내주는 PBX9501같은 고성능 폭약이라면, 86.6kg의 폭약이 433MJ의 에너지를 입력하면, 108.25MJ가 자기력 에너지로 변환됨. 그리고 65MJ가 금속 껍질로 전달되고, 1GJ가 출력됨. 투입한 에너지의 2.3배를 얻을 수 있음.

다른 예측으로 이 문서에서는 다단 장치로 3400Kg의 장치 속에 있는 320Kg의 HE로 100MJ의 에너지를 금속 껍질로 전달할 수 있고, 30밀리그램의 DT연료를 압축할 수 있고, 핵융합 출력은 10GJ임. 선속 발생기의 효율은 비관적임. 1600MJ의 에너지 중에서 6%만이 전달됨. 따라서 투입한 에너지의 6.25배를 얻음. 대부분의 중량은 2000Kg의 DEMG가 차지함.  

 

자료가 거의 없지만, 여러 가지 데이터를 결합하면, 상식적인 수준의 MTF 디자인을 생각해볼 수 있음.

 

Early EMG-MTF

중량: 1600 kg

고푝약 중량: 100 kg

고폭약 에너지: 500 MJ

고폭약->자기력 변환율: 25%

자기력: 125 MJ

자기력->운동에너지: 60%

운동에너지: 75 MJ

DT 연료: 22.5 milligrams

DT 연소율: 33%

출력 에너지: 2.52 GJ

에너지 밀도: 1.57 MJ/kg

 

이 디자인은 그렇게 뛰어난 편은 아님. 2.52GJ는 많아 보이지만, 투입한 에너지의 5배밖에 안됨. 장치 전체의 에너지 밀도를  살펴보면 상황은 더 나쁨. 수소-산소 연료가 연소할 때에는 KG당 15MJ를 배출하므로, 이 핵융합 장치는 리튬이온전지와(265Wh = 1MJ/kg) 에너지 밀도가 비슷함.

기술은 발전함. 1998년에 비하면 많이 발전했음. 더 강한 재료, 구리선 대신 알루미늄 또는 초전도체, 더 나은 폭발물, 70% 효율을 내는 자속 발생기 등등으로 무게를 줄일 수 있음. 이 장치들이 폭발물 무게의 2배 이하로 떨어지는 것은 HE가 효율적으로 운동 에너지를 전달해야 하기 때문에 어렵지만(폭발이 장치의 자속 발생기에 에너지를 전달하는 대신 폭발력으로 추진하게 되는 상황 방지) 전체 무게를 5배에서 10배 줄이는 것은 가능함.

오늘날 MTF는 더 높은 에너지 효율을 얻는 것을 목표로 함. 플라즈마를 Field reversed configuration으로 가둬서 플라즈마 스스로 갇히게 해서 금속 껍데기를 너무 일찍 건드려서 열을 잃는 것을 방지한다던가 하는 방법이 고안됨.

(*field reversed configuration: 원통형 플라즈마에 수직으로 자기장을 가해주고 도넛형 전류를 가해주면 자기장 방향에 반대인 자기장을 만듬. 자기장이 플라즈마를 도넛형으로 감싸면서 플라즈마는 스스로 갇힘)

 

General Fusion사의 Acoustic MTF는 플라즈마를 압축하는 피스톤으로 플라즈마에 14MJ를 전달함. 이 에너지는 704MJ의 핵융합 에너지를 얻을 수 있고 투입한 에너지의 50배를 얻을 수 있음. 이 장치를 사용하면 매번 10mg의 연료를 연소할 수 있고 핵융합 연료의 20%가 연소함.

John Slough의 Fusion-Driven Rocket은 2.8MJ에너지의 리튬 껍질을 사용하는 자화 표적 핵융합 방식인데 이 방식으로는 투입한 에너지의 200배를 얻음. 위에 나온 모든 방법을 뛰어넘는 양임. 연소파를 생성하여 훨씬 더 많은 양의 연료를 수천 배의 이득으로 태우는 방법이 있지만, 너무 낙관적인 방법이므로 다루지는 않겠음.

 

더 낙관적으로 예측한 MTF 장치

 

중량: 500 kg

고폭약 중량: 100 kg

고폭약 에너지: 500 MJ

고폭약->자기력 변환율: 70%

자기력: 350 MJ

자기력->운동에너지: 60%

운동에너지: 210 MJ

DT 연료: 150 milligrams

DT 연소율: 33%

출력 에너지: 16.8 GJ

에너지 밀도: 33.66 MJ/kg

 

투입한 HE보다 6.7배 높은 에너지를 얻을 수 있고, 모든 화학 반응에서 나오는 에너지보다 훨씬 많은 에너지를 얻음. 그러나 이것도 전통적인 텔러-울람 설계의 10000000MJ/kg보다는 부족함.

 

다단 고폭약 내파식 핵융합 장치

이 방법은 별도의 자속 발생기 없이 고폭약만으로 핵융합 반응을 일으킴. 고폭약이 금속 구를 때려서 핵융합 연료를 내파함.

 

일반적으로는 이 방법은 불가능함. HE는 폭속이 7~10km/s 이지만, Gurney 식에 따르면 철판을 밀어내는 속도는 2.3~3.3km/s 에 불과함.

그러나 몇몇 점화 방법들은 고폭탄의 충격파를 어떻게든 모을 수 있음. Voitenko 압축기를 사용하면  충격파를 DT 연료가 차있는 반구형 공간에 집중할 수 있고 중성자가 성공적으로 검출되었음.

핵반응을 일으키는 구형 장치

 

더 효과적인 방법은 1미터 지름의 구를 폭발물로 0.1cm까지 압축하는 것임. 부피가 1000^3배 감소하면 내부 기체의 속력을 수천km/s까지 올릴 수 있고, 압력은 수천만 배까지 올라가서 핵융합을 점화하기에 충분함.

 

1MJ 규모의 폭발 테스트에서 20cm 지름의 구를 사용해서 핵융합을 일으키는 데 성공했다고 함. 그러나 이 방법에도 단점은 있음.

 

구에서 미세한 오차가 있다면, 구의 모양이 틀어질 것이고 압축이 잘못될 수 있음. Rayleigh-Taylor instability현상은 매끈한 철 구에 난류를 만들 것이고 이 때문에 연료를 압축하는 데 어려움이 생김. 이를 해결하기 위해서는 구의 지름을 늘려서 난류를 완화해야 하는데 그건 너무 비효율적임.

 

대신, 더 적절한 내파를 먼저 수행한 뒤에, 다른 형태의 에너지로 핵융합 연료를 압축하는 게 더 효율적일 것임.

 

두 가지 방법을 소개하겠음.

가장 복잡한 방법은 자기력 부스터를 사용하는 것임. 고폭탄이 내파할 금속 구에 자기장을 형성하고, 구 내부에는 저밀도 핵융합 연료를 넣음. 그리고 중앙에는 특별한 장치가 있음.

 

첫 번째 내파는 5~8km/s로 압축함. 구의 크기에 따라 끝부분에서는 20km/s 이상의 속도로 압축됨. 내부의 온도를 수백만 K까지 올릴 수 있음. 점화에는 충분하지 않지만, 특별한 장치가 일하기에는 적절한 수준임. 그리고 내파는 자속 발생기에서 설명했지만, 구에 걸려있는 자기장을 더 세게 강화해줌.

특별한 장치는 자기력 부스터와 연료 펠렛임. 자기력 부스터는 Z-Pinch 장치로 몇 개의 축전기에 연결되어 있는 코일이 전도성 튜브를 둘러싸는 구조임

회로가 열려 있다가 내파가 진행된 후에 회로가 닫히게 되고 코일에 작은 자기장을 만듬. 이 장치 자체만으로는 아무것도 하지 않지만, 주위의 아주 강력한 자기장과 반응함. 그러면 많은 전류가 도체 관에 흐르게 되고 Z-Pinch효과가 일어나서 생긴 압력이 관에 압력을 가하고, 관이 붕괴함.

(*Z-Pinch: 자기장 속을 지나는 전류가 흐르는 플라즈마는 로렌츠 힘에 의해 서로 끌어당김)

 

그러면 관의 잔해가 자외선이나 X선 등을 방출하고 방사선은 연료 펠렛을 가열하고 펠렛이 기화하면서 압력이 높아지고 핵융합 점화 조건이 완성됨.

 

텔러-울람 설계를 잘 안다면 알겠지만, 이 자기 부스터 디자인과 텔러-울람 핵폭탄은 비슷한 점이 있는데 핵융합을 점화하기 위해 핵분열/Z-Pinch 등을 이용해서 X선을 발생한다는 것임.

 

작은 연료가 연소하면 금속 구 안의 온도는 더 올라가고 더 큰 핵융합 반응이 일어남.

 

Winterburg는 이 핵융합 장치의 대략적인 크기를 예상했음. 20cm지름, 밀리미터 두께의 금속 구는 40kg 정도이고, 10cm의 HE가 싸고 있음. 폭발물은 옥톨이고(1700kg/m^3, 5.3MJ/kg), 10cm 두께의 철로(800kg) 둘러싸여 있음.(70MJ의 폭발력을 견뎌서 내파를 더 효율적으로 진행할 수 있음.)

 

전체 무게는 853kg, 한 개의 폭탄이 1000kg 정도임. 핵융합 반응이 400GJ의 에너지를 방출함. 대부분은 중성자이고 철로 된 구는 이 중성자들을 매우 효율적으로 흡수함. 

 

지금까지 예측한 것을 기반으로 요약해 보자면:

 

중량: 1000kg

탬퍼 질량: 800kg

HE 질량: 53kg

HE 에너지: 70MJ

DT 연료: 2.53g

DT 연소율: 50%

출력: 400GJ

에너지 밀도: 400MJ/kg

 

상당한 발전이 있음. 이전에 보았던 발전된 EMG-MTF와는 비교도 안됨. 무거운 자속 발생기를 제거하고, 더 많은 연료를 널었기에 이 정도 수치를 얻을 수 있었음. 그러나 아직 전통적인 핵무기를 따라잡으려면 멀었음.

또 다른 자료

 

Winterberg의  원래 계획은 복잡한 자기력 부스터 필요 없이도 강력한 X선을 만들어서 연료를 점화하는 거였음. 단계를 간략화해서 정밀한 구나 내파의 정밀도를 희생해서라도 가격을 최대한 낮추는 거였음.

 

더 현대적인 기술과 Winterberg의 방법을 결합한 개선된 기술도 있음.

 

Finn van Donkelaar는 내파하는 구나 무거운 금속 탬퍼 없이도 가능하다고 주장함. 그의 주장은 이 주제를 엄격하게 다루고 있지는 않지만 생각할 거리를 던져줌. 총 4단계로 이루어져 있음: 1. 금속 판의 가속 2. 피스톤으로 압축되는 DT연료 3. 구형 내파 4. 연료 펠렛의 연소 

HE가 폭발하면 금속 판을 3km/s로 밀고 이 금속 판은 다음 단계의 HE와 충돌해서 충격파를 만들고 다음 단에 있는 HE를 가속함.  로켓처럼 1단만 있을 때보다 속도를 2배 가속할 수 있음.

 

충격파는 다른 효과도 있는데, 압축된 물질은 밀도가 높아서 음속이 더 빠르고, 압축으로 HE를 폭발시킬 수 있음.  다음 단계에서는 1단보다 더 세게 압축해서 음속이 더 증가하므로 더 높은 속도에 도달할 수 있음.

(음속이 증가하면 그만큼 폭약의 연소 속도가 빨라진다는 말 같음)

이것을 과구동된 폭발 속도라고 하고 일반적인 폭발 속도보다 더 빠름.

 

이 효과와 다단폭발을 합치면 최종적으로 10~12km/s 를 얻음.

 

마지막의 금속 판은 컵 모양으로 에너지를 집중하는데 컵은 관 속에서 그릇 모양의 구조물이 나올 때까지 이동함. 이 때 온도가 9500K까지 올라감. 컵과 그릇이 만나면서 핵융합 연료의 부피가 수천 배 줄어들고 온도가 수백만 도까지 올라가서 X선이 방출되고, 연료 펠렛을 가열하면서 펠렛 내부의 연료가 점화하고 나머지 연료들의 핵융합 반응이 일어남.

 

지금까지 나온 작동 방식들로 성능을 대충 정리해보겠음. 전체 무게 1600kg, 크기 2.5m X 0.4m, 에너지 8368000MJ이고 에너지 밀도는 5230MJ/kg임. 연료 소모량은 50~100g임. 일단은 이 장치를 Staged Overdriven Accelerator Fusion Device라고 부르기로 하자.

 

SOAF 장치

중량: 1600kg

DT 연료: 50g

DT 연소율: 50%

출력된 에너지: 8.37TJ

에너지 밀도: 5.23GJ/kg

 

이 수치는 아주 높고, 핵융합 기술의 진짜 잠재력을 보여주지만, 이건 아직도 열핵탄두들보다 1900배 비효율적임.

점화에 사용할 수 있는 다른 방법들

핵분열 물질이나 무거운 장치 없이도 핵융합을 점화할 수 있는 여러 방법이 있음. 그러나, 그런 방법들은 검증되지 않았음.

사진: 니오븀-주석 합금 초전도 에너지 저장 시스템

 

그 중 하나는 초전도 자기 에너지 저장장치(SMES)임. SMES는 물질을 인장 강도 한계까지 잡아당겨서 엄청난 양의 에너지를 저장할 수 있음. 물질을 한계까지 늘렸다가 푸는 과정에서 저장된 에너지를 거의 즉시 방출할 수 있음. 현대의 대량 생산중인 재료(ex 도레이 T1100G 탄소섬유 7GPa, 1790kg/m^3)를 사용하면 kg당 3.9MJ까지 저장할 수 있음.

 

RDX의 에너지 밀도인 5MJ/kg와 비교하면 큰 편은 아니지만, SMES는 에너지 변환 과정 없이 즉시 전기 에너지를 내놓으며 에너지 효율이 거의 100%임. 또, 많은 전류를 통과할 수 있게 해주는 두껍고 무거운 구리선 대신 얇은 선으로도 많은 전류를 저항 없이 통과시키는 초전도체를 사용할 수도 있음. 따라서 1kg의 Toray T1100G 로 강화된 SMES는 HE 1.4~3.1kg와 비교할 만함. 또한, SMES는 폭발하지도 않고, 반작용에 필요한 무게추가 필요하지도 않음. 그래서 더 많은 무게를 절약할 수 있음. 만약 탄소나노튜브 같은 더 발전된 물질을 사용한다면, HE에 비해 매우 높은 에너지 변환 효율과 50MJ/kg를 넘는 에너지를 저장할 수 있음. 폭발성 자속 발생기의 다른 부분에도 이와 같은 업그레이드를 할 수 있음.

 

SMES-EMG-MTF

총중량: 200kg

SMES 중량: 100kg

SMES 에너지: 5000MJ

SMES 에너지 변환 효율: 99%

자기력 에너지: 4950MJ

자기력->운동에너지 변환 효율: 80%

운동 에너지: 3960MJ

DT 연료: 2.83g

DT 연소율: 33%

핵융합 출력: 320GJ

에너지 밀도: 1.6GJ/kg

 

SOAF 장치와 같이 사용한다면, 더 높은 성능을 얻을 수 있음.

 

사진: shear flow stabilized z-pinch 시뮬레이션, 가장 유망한 접근법 중 하나임.

 

큰 폭발 에너지를 사용하는 방법은 더 많음. 자속 발생기는 수백 메가 암페어를 생산할 수 있다는 장점을 살려서 Z-Pinch 장치를 구동할 수 있음. HOPE 우주선처럼 금속 연료 펠렛을 직접 압축하는 방법도 쓸 수 있음(MTF 버전도 있음) 그 디자인에서는 333MJ가 연료 펠렛에 도달하고, 1GJ의 핵융합 에너지가 방출됨. 3배 정도의 에너지를 얻는 것은 그닥 좋은 방식은 아니지만, 발전된 기술을 사용한다면 더 나아질 것임.

사진: 폭발 구동 레일건

 

큰 전류를 이용해서 짧지만 높은 가속력의 레일건을 발사할 수도 있음. 레일건은 폭발 장치와는 충분히 먼 거리에 있어서 레일을 파괴하지 않음. 코일건이든 레일건이든, 발사체는 전류가 끊기기 전에 20km/s 에 도달할 수 있음. 이 정도 속도는 다단 압축 충격 핵융합을 점화시키기 충분한 속도임. 만약 SMES를 사용한다면, 더 쉬워지겠지만, 방전된 SMES를 버리거나 충전 장치를 설치해야 하는 등의 문제가 있음.

 

오리온 업그레이드

 

순수 핵융합 장치의 가장 큰 활용은 아마 우주 추진 분야일 것임.

 

오리온 우주선처럼 순수 핵융합으로 나온 플라즈마를 자기 노즐이나 두꺼운 판으로 추진력으로 전환할 수 있음. 

 

성능을 예측하기 위해서 다음과 같은 공식을 사용할 것임:

플라즈마 RMS 속력 = (2 * 에너지 밀도)^0.5

 

플라즈마 RMS 속력 : m/s

에너지 밀도 : J/kg

 

이 수치를 배기 속력으로 바꿔 보겠음

배기 속력 = 노즐 효율성 * 플라즈마 RMS 속도

 

배기 속력: m/s

노즐 효율성: 90%

 

에너지 밀도는 장치 전체의 에너지 효율성인데, 우리가 핵융합에서 나오는 여러 부산물(하전입자, 중성자, X선)들이 열에너지로 전환되었다고 가정하여 100%로 잡음

 

초기형 EMG-MTF는 1570000J/kg 이므로 배기 속력은 1594m/s ISP는 162초임. 이 수치는 압축 기체 추력기와 비슷함. 어떤 우주선도 이 장치는 쓰려 하지 않을것임.

 

발전된 EMG-MTF는  33.66MJ/kg이고 배기 속력은 7384m/s ISP는 752초임. 모든 화학 엔진을 능가하는 수치이고, 고체 코어 열핵 로켓과 비슷함.

 

Winterberg MTF는 400MJ/kg 이고 배기 속력은 25455m/s ISP는 2600초임. 가스 코어 핵로켓이나 이온 엔진과 비슷함.

 

에너지 밀도가 GJ/kg가 되면 다른 수준을 볼 수 있음. SMES-EMG-MTF는 5200초의 ISP, SOAF는 9400초를 얻음. 가장 발전된 전기추진 장치도 이 값에는 도달하지 못함.

 

높은 비추력만이 장점이 아님. 다른 핵 펄스 로켓처럼 순수 핵융합 장치를 터뜨리면 큰 추진력을 얻음. 단순히 많은 장치를 같은 시간에 터뜨리는 것만으로도 더 높은 추력을 얻음. 초마다 1GJ를 폭발시키면 1GW 추진기지만 10개를 폭발하면 10GW 추진기임. 이 정도가 오리온 우주선의 원안과 가장 비슷하고, 우주 조약에 걸리는 크기의 핵 장치임.

발전된 EMG-MTF는 1개/1초 단위로 폭발할 때마다 16.8GW를 얻고 4.1메가뉴턴의 추력을 얻음.

 

이 장치는 태양 에너지와 화학 에너지보다 성능이 훨씬 뛰어나면서도 핵물질이 필요없는 우주 추진을 가능하게 해줌. 핵융합 연료는 핵분열 물질과는 다르게 얼음 조각과 거대 가스 행성에서 얻을 수 있고, 고폭탄은 질소 탄소 수소로 구성됨.

 

암모니아나 이산화탄소 등은 혜성이나 위성에서 쉽게 볼 수 있고, 그것이 어떻게 자연적으로 만들어졌는지는 더 많은 연구가 필요하지만, H2N2O2 니트로아미드로 만들어서 C3H6N6O6으로 만드는 것은 생명 유지 장치에서 일어나는 과정보다는 훨씬 단순함. 예상되는 가장 큰 난점은 코일을 만들 때 필요한 구리같은 금속인데, 구리는 태양계에서 25번째로 흔한 광물임.

16 프시케나 21 루테티아 같은 소행성은 10^18~10^19kg의 철을 갖고 있으므로 대략 10^14~10^15kg의 구리를 갖고 있을 것임. 화성과 달에도 비슷한 양이 있을거임.

금속 3D 프린팅과 HE의 레이저 커팅 기술을 사용하면 핵융합 연료를 내파할 수 있는 구조물을 만들 수 있음. 태양전지판을 만드는 것과 비슷한 난이도 정도임. NASA는 이미 이런 생산 방법에 대해 충분히 연구하고 있음. 순수 핵융합 장치는 화학 로켓의 연료를 물에서 바로 생산하는 것처럼 현장 생산 재급유를 가능하게 함.

 

그러면 이런 장치들이 있는 우주선은 어떻게 생겼을까?

 

일단 두 가지 디자인을 고려해보자. 첫 번째로 화성 순환 우주선은 지구와 화성을 왕복하는 것을 목표로 함. 두 번째 토성 순환 우주선은 외행성계들을 순환하는 우주선임.

 

화성 순환 우주선은 발전된 EMG-MTF를 사용함. 100톤의 우주선에 발전기, 라디에이터, 거주 공간 등이 있고, 100톤의 탑재물 공간이 있음. 그 뒤에는 핵융합 카트리지들이 있음. 35톤의 카트리지 수납 공간에 총 5064개의 250kg 핵융합 장치가 있고 총 중량은 1266톤임. 비추력은 753초이고. 추진 장치 중량은 108톤임.

추진 장치는 푸셔 플레이트와 서스펜션과 구조물들로 되어 있고 1회당 2MN의 추력을 견딜 수 있음. 이 수치는 10m USAF 오리온 우주선의 추진 체계와 완전히 동일함.(현대 기술로 훨씬 더 좋게 만들 수는 있음.) 0.8초마다 1개의 폭탄을 떨어뜨리고 추력은 2.5MN임.

 

화성 순환 우주선

페이로드: 100톤

공중량: 243톤

추진체 중량: 1266톤

전체 중량: 1609톤

deltaV: 11.4km/s

가속력: 0.16g ~ 0.74g

 

이 우주선은 화성까지 직선거리로 도달할 정도의 능력은 없지만, 화성까지 120일만에 갈 수 있음. 지구 저궤도에서 출발해서 화성까지 에어로브레이킹 없이 갈 수 있음. 핵융합 반응에서 나오는 중성자는 대부분 장치에 흡수되어 열로 바뀌어서 방사능 위험으로부터 자유로움. 다른 우주선처럼 평범하게 다른 우주선/정거장과 접근할 수 있고, 위성들로부터 재급유받을 수 있음. 1266톤의 연료 속에 핵융합 연료는 37.8g 밖에 없음.

 

토성 순환 우주선은 더 크고 빠른 항해를 위해 SMES-EMG-MTF를 사용함. 500톤의 거주 공간, 자동화 생산 시설, 라디에이터, 발전기 등등과 100톤의 페이로드를 탑재할 수 있음. 10MJ/kg를 저장할 수 있는 초전도 코일 때문에 100kg의 순수 핵융합 장치 내부에는 0.566g의 연료가 63.5GJ의 에너지를 낼 수 있음. 각각의 장치는 3632초의 비추력과 3.56MN의 추력을 냄. 핵융합 장치에서 발생한 플라즈마 온도는 평균적으로 600000K 이상임.

높은 플라즈마 온도 때문에 자기 노즐로 우주선을 추진할 수 있음. 40톤의 추진 장치(Mini-Mag Orion에서 사용된 것)는 1초에 한번씩 20000개를 터뜨림.

 

토성 순환 우주선

페이로드: 100톤

공중량: 560톤

추진체 중량: 2000톤

전체 중량: 2660톤

deltaV: 49.6km/s

가속력: 0.14g ~ 0.55g

 

이 우주선은 지구 저궤도에서 화성까지 38일만에 갈 수 있고, 목성까지는 6개월, 토성까지 1년밖에 안걸림. 이 정도 기술력에서 사용할 수 있는 가장 빠른 우주선은 아니지만, 어떤 다른 기반 시설이나 지원 없이 다른 행성 사이를 연결할 수 있는 가장 빠른 방법임. 이 우주선의 가장 긴 여행조차 연료인 삼중수소의 반감기(12년)를 고려하지 않아도 될 정도로 짧음. 전체 연료 양은 겨우 11.3kg밖에 되지 않으므로 여분을 들고 다녀도 큰 문제는 없음.

 

3632초의 ISP와 거의 무제한의 추력은 군사적으로도 충분한 효용이 있음.

현장 재보급과 고성능은 방랑하는 함대나 해적 등을 가능하게 하고, 추진을 위해 대형 핵융합/분열 반응 장치를 점화할 필요가 없으므로 스텔스 또한 가능하게 함.

 

고성능 폭탄

순수 핵융합 장치는 무기로서의 잠재력 또한 뛰어남.

 

그러나 지금까지 얻은 숫자들로는 순수 핵융합 폭탄은 재래식 핵폭탄에 비할 정도로 강력하지는 않음.

300kt의 파괴력을 내는 B61 핵폭탄은 324kg 정도의 무게로 항공기로 쉽게 운반 가능함. SOAF장치가 이 성능을 내려면, 235톤의 질량이 되어야 함. AN-225로도 겨우 가능한 수준임.

순수 핵융합 장치가 불필요하다는 것은 아님. 에너지 밀도가 30MJ/kg인 핵 장치는 HE보다 6배 더 강력함. 실제 폭탄은 약 40~60%가 고폭탄으로 채워져 있기 때문에 에너지 밀도로만 따지자면 12배 증가함. 907kg(2000lb) 폭탄의 효과가 75kg(165lb) 순수 핵융합 장치의 효과와 비슷할 수도 있다는 뜻임.

 

현대전은 정밀 유도 시스템의 도입으로 폭탄의 효율성이 중요해짐. 340kg(750lbs) 폭탄 66개로 채워진 베트남 전쟁 때의 B-52D는 30년만에 227kg의 JDAM이 장착된 GBU-12로(1000lbs) 대체됨.

순수 핵융합 폭탄은 또 다른 변화를 일으킬 것임. F/A-18E/F는 장거리 공격 임무때 3600kg의 폭탄과 1800kg의 연료를 탑재할 수 있음. 장거리 공격 임무 수행 시 공대공 임무는 다른 항공기에 의존하고 Litening 포드와 같은 유도 장비 또한 다른 항공기의 것을 빌림. 30 MJ/kg 폭탄을 사용하면 360kg의 폭탄, 1800kg의 연료 및 3240kg의 미사일, 전자전 장비, 표적 포드 또는 더 많은 연료를 선택지로 고를 수 있음. 한 개의 전투기는 전체 편대를 대체할 수 있음.

아니면 비싼 전투기를 드론으로 대체할 수도 있음 몇백 kg밖에 안되는 무게 때문에 소형 드론으로도 충분히 운반 가능함.

순수 핵융합 장치의 부작용은 중성자 폭탄임. 중성자로 방출되는 에너지의 양을 최대화하기 위해 중성자를 흡수하지 않고 방출하는 무기임.단순히 폭발로 일으킬 수 있는 범위보다 더 먼 범위에 효과를 줄 수 있음.

 

2.52 GJ 출력을 가진 초기 EMG-MTF 장치의 폭발 반경은 36미터이고 16.8GJ의 출력인 발전된 EMG-MTF는 68m임. 이것들이 중성자 폭탄으로 변환된다면 각각 272미터와 512미터까지 치사량의 방사선을 방출할 수 있음.

 

결론

순수 핵융합 장치는 아직은 미래의 것임. 그러나 그 잠재력은 지금부터 생각해봐야 함. 제대로 사용된다면 태양계 탐사에서 다른 장치들과 독립적으로 움직일 수 있는 좋은 수단이 될 수도 있음.

 

번역 출처:

http://toughsf.blogspot.com/2022/03/fusion-without-fissiles-superbombs-and.html