양성자

미국과 일본의 물리학자들은 처음으로 자기적으로 갇힌 플라즈마에서 양성자와 붕소-11 원자 사이의 핵융합을 관찰했습니다. 그들은 이번 결과가 풍부하고 경제적인 에너지원으로서 양성자-붕소 핵융합의 잠재력을 보여준다고 말합니다. 그러나 다른 사람들은 그러한 에너지원에 대한 과학적 기반이 아직 대부분 입증되지 않았으며 상업용 발전소를 가로막는 거대한 기술적 장애물이 있다고 경고합니다.

모든 형태의 핵융합은 핵분열을 괴롭히는 용해 및 오래 지속되는 폐기물 문제 없이 거의 무한하고 깨끗한 기본 부하 에너지를 약속합니다. 그러나 양성자-붕소(p11B) 융합은 수소 동위원소인 중수소와 삼중수소를 포함하는 보다 주류인 반응에 비해 몇 가지 추가 장점을 제공합니다.

붕소는 쉽게 채굴할 수 있는 반면, 삼중수소는 지구상에서 드물고 인위적으로 생산하기 어렵습니다. 또한 양성자-붕소 반응은 3개의 헬륨 원자(알파 입자)를 생성합니다. 이 원자의 에너지는 원칙적으로 직접 전기로 변환될 수 있으며 중성자는 생성되지 않으므로 원자로 구성 요소의 방사성 오염이 크게 줄어듭니다.

그러나 이러한 장점에는 대가가 따릅니다. 중수소-삼중수소 핵융합 자체는 핵의 상호 반발을 극복하기 위해 엄청난 온도(약 1억 켈빈)가 필요합니다. 그러나 양성자-붕소 반응에는 훨씬 더 극단적인 조건, 즉 약 15억 켈빈이 필요합니다.

최신 연구의 저자가 Nature Communications에 발표한 논문에서 설명했듯이 플라즈마 온도가 높을수록 일반적으로 싱크로트론 및 브레름스트론 방사선의 형태로 더 많은 에너지가 방출됩니다. 이는 원자로에 전력을 공급하는 데 필요한 것보다 더 많은 에너지를 핵융합 반응을 통해 생성하기 어렵게 만든다고 그들은 지적합니다. 이는 발전의 비효율성을 극복하기 위해 상업용 발전소에서 최소 50의 에너지 이득이 필요할 때 중요한 문제입니다. 프로세스.

새로운 연구는 캘리포니아 핵융합 회사인 TAE Technologies의 Richard Magee와 동료들이 일본 토키에 있는 국립 핵융합 과학 연구소의 과학자들과 함께 수행했습니다. 연구원들은 필요한 핵융합 연료가 이미 장착되어 있는 별모양 장치인 연구소의 LHD(Large Helical Device)에 대한 실험을 수행했습니다. 양성자는 고에너지 중성 빔으로 발사되고 붕소 분말은 불순물을 줄이는 데 도움이 되도록 플라즈마에 주입됩니다.

TAE는 알파 입자에 부딪힐 때 전류를 생성하는 부분적으로 고갈된 실리콘 반도체에 의존하는 검출기를 제공했습니다. 이는 X선 및 기타 플라즈마 방사선의 신호를 코어 플라즈마에서 멀어지게 하고 LHD의 큰 자기장에 의해 전하를 띤 알파 입자를 조종함으로써 신호가 잘못 기록되는 것을 방지하기 위해 만들어졌습니다.

연구진은 지난해 2월 수십 차례의 실험을 실시했다. 그들은 중성빔을 켜기 전과 후의 검출기 신호를 비교하고 붕소 분말 없이 몇 번의 샷을 수행하여 핵융합 반응을 관찰했습니다. 중성 빔과 붕소 분말이 모두 있을 때만 출력이 급증했습니다. 정확한 값은 초당 약 1012개의 핵융합 반응을 생성하고 있음을 알려주었으며 이는 컴퓨터 시뮬레이션과 일치했습니다.

이것은 양성자-붕소 융합의 첫 번째 시연이 아닙니다. 과학자들은 이전에 입자 가속기와 강력한 레이저를 사용하여 이를 관찰했습니다. 그러나 미국과 일본의 협력은 궁극적으로 활용될 반응, 즉 자기적으로 제한된 열핵 플라즈마 내부에서 반응을 연구하는 것이 중요하다고 주장합니다. 연구원들은 훨씬 더 많은 연구가 필요하다는 점을 인정하지만 TAE가 장치 중 하나에서 에너지 이득을 달성할 것이라고 확신합니다.

실제로 TAE는 상업적인 핵융합 에너지로 나아가고 있다고 주장합니다. 이 회사는 플라즈마 펄스를 챔버에 발사하고 회전시켜 자기적으로 제자리에 고정시키는 현장 역구성 융합을 탐구하기 위해 점점 더 정교해지는 일련의 원자로를 구축했습니다. 현재까지 수소 플라즈마를 사용하는 현재의 "노먼(Norman)" 원자로인 양성자-붕소 융합을 시연한 장치는 없지만 회사는 2030년대 초까지 시험 양성자-붕소 발전소에서 전력망으로 전기를 보낼 계획이라고 밝혔습니다.