핵융합력

핵융합 발전은 핵융합 반응의 열을 이용하여 전기를 생산하는 발전의 제안된 형태입니다.핵융합 과정에서, 에너지를 방출하면서 두 개의 가벼운 원자핵이 결합하여 더 무거운 핵을 형성합니다.이 에너지를 이용하도록 설계된 장치를 융합 원자로라고 합니다.핵융합로에 대한 연구는 1940년대에 시작되었지만 2023년 현재 순전력에 도달한 장치는 없습니다.^[1][2][3]

핵융합 공정은 핵융합이 일어날 수 있는 플라즈마를 만들기 위해 충분한 온도, 압력 및 구속 시간을 가진 연료 및 제한된 환경을 필요로 합니다.이 수치들의 조합이 전력 생산 시스템을 만들어내는 것은 로슨 기준으로 알려져 있습니다.별에서 가장 일반적인 연료는 수소이며, 중력은 핵융합 에너지 생산에 필요한 조건에 도달하는 매우 긴 구속 시간을 제공합니다.제안된 핵융합로는 일반적으로 프로튬(가장 일반적인 수소 동위원소)보다 더 쉽게 반응하는 중수소와 삼중수소(특히 둘의 혼합물)와 같은 무거운 수소 동위원소를 사용하여 덜 극단적인 조건으로 로슨 기준 요건에 도달할 수 있습니다.대부분의 디자인은 연료를 약 1억도까지 가열하는 것을 목표로 하고 있는데, 이는 성공적인 디자인을 만드는 데 큰 어려움을 초래합니다.

핵융합은 핵분열에 비해 잠재적인 이점이 많습니다.여기에는 작동 중인 방사능 감소, 고준위 핵폐기물의 양이 적고 연료 공급이 충분하며 안전성이 향상된 것이 포함됩니다.그러나 온도, 압력 및 지속 시간의 필요한 조합은 실용적이고 경제적인 방법으로 생산하기 어렵다는 것이 입증되었습니다.일반적인 반응에 영향을 미치는 두 번째 문제는 시간이 지남에 따라 반응 챔버 내에서 사용되는 많은 일반적인 물질을 분해하는 반응 동안 방출되는 중성자를 관리하는 것입니다.

핵융합 연구자들은 다양한 감금 개념들을 조사해왔습니다.초기에는 z-pinch, stellator, magnetic mirror의 세 가지 주요 시스템에 중점을 두었습니다.현재 선도적인 디자인은 레이저에 의한 토카막과 관성 구속(ICF)입니다.두 가지 디자인 모두 매우 큰 규모로 연구 중이며, 특히 프랑스의 ITER 토카막과 미국의 NIF(National Ignition Facility) 레이저가 대표적입니다.연구원들은 더 저렴한 접근 방법을 제공할 수 있는 다른 디자인들도 연구하고 있습니다.이러한 대안들 중에서, 자화된 표적 융합과 관성 정전 구속, 그리고 항성기의 새로운 변형에 대한 관심이 증가하고 있습니다.

배경

매커니즘

핵융합 반응은 둘 이상의 원자핵이 충분히 오랫동안 가까이 접근하여 핵을 서로 끌어당기는 힘이 정전기적 힘을 초과하여 더 무거운 핵으로 융합시킬 때 발생합니다.철-56보다 무거운 핵의 경우, 이 반응은 에너지를 투입해야 하는 흡열 반응입니다.^[4]철보다 더 큰 무거운 핵들은 더 많은 양성자들을 가지고 있어서 더 큰 반발력을 만들어냅니다.철-56보다 가벼운 핵의 경우, 반응은 발열성이며, 융합할 때 에너지를 방출합니다.수소는 핵 안에 단일 양성자를 가지고 있기 때문에, 핵융합을 이루기 위해 최소한의 노력이 필요하고, 가장 많은 순 에너지를 생산합니다.또한 전자가 하나이기 때문에 수소는 완전 이온화하기 가장 쉬운 연료입니다.

핵 사이의 반발 정전기 상호작용은 강한 힘보다 더 큰 거리에 걸쳐 작용하는데, 강한 힘의 범위는 대략 1펨토미터(양성자나 중성자의 지름)입니다.핵융합을 시작하기 위해서는 강한 힘이 정전기적 반발력을 극복할 수 있을 정도로 충분히 가까이 접근할 수 있는 충분한 운동 에너지가 연료 원자에 공급되어야 합니다."쿨롬 장벽"은 연료 원자를 충분히 가까이 이동시키는 데 필요한 운동 에너지의 양입니다.원자는 극도로 높은 온도로 가열되거나 입자 가속기에서 가속되어 에너지를 생성할 수 있습니다.

원자는 일단 이온화 에너지를 지나 가열되면 전자를 잃습니다.이온은 맨 핵의 이름입니다.이 이온화의 결과는 플라스마인데, 플라스마는 이온과 이전에 결합되어 있던 자유 전자의 가열된 구름입니다.플라즈마는 전하가 분리되어 있기 때문에 전기적으로 전도되고 자기적으로 제어됩니다.이것은 뜨거운 입자를 가두기 위해 여러 융합 장치에 의해 사용됩니다.

단면

반응의 횡단면인 σ은 핵융합 반응이 일어날 확률을 측정합니다.이것은 두 핵의 상대적인 속도에 달려있습니다.상대 속도가 높으면 일반적으로 확률이 높아지지만, 매우 높은 에너지에서는 확률이 다시 낮아지기 시작합니다.^[5]

플라즈마에서, 입자 속도는 확률 분포를 사용하여 특성화될 수 있습니다.플라즈마가 열화되면 분포는 가우스 곡선 또는 맥스웰-볼츠만 분포처럼 보입니다.이 경우 속도 분포에 걸친 평균 입자 단면을 사용하는 것이 유용합니다.이는 체적 융합 속도에 입력됩니다.^[6]

${\displaystyle P_{\text{fusion}}=n_{A}n_{B}\langle \sigma v_{A,B}\rangle E_{\text{fusion}}$

여기서:

• ${\displaystyle {\text{융합}}_{}}$ ${\$은(는) 시간당, 부피당 융합하여 생성된 에너지입니다.
• n은 부피에 있는 입자들의 종 A 또는 B의 수 밀도입니다.
• ${\displaystyle ⟨}$v A${\displaystyle ,}$ B ⟩ {\displaystyle \langle \sigma v_{A,B}\rangle }은 두 종의 모든 속도에 걸쳐 평균적인 반응의 단면입니다.
• ${\displaystyle {\text{융합}}_{}}$ ${\$는 해당 융합 반응에 의해 방출되는 에너지입니다$$.

로손 기준

로슨 기준은 핵융합 반응에서 생성된 에너지가 환경으로 손실되는 에너지 사이의 에너지 균형을 고려합니다.사용 가능한 에너지를 생성하기 위해, 시스템은 손실되는 에너지보다 더 많은 에너지를 생성해야 합니다.로슨은 아래와 같이 에너지 균형을 가정했습니다.^[6]

${\displaystyle P_{\text{out}}=\eta _{\text{capture}}\left(P_{\text{fusion}}-P_{\text{conduction}}-P_{\text{radiation}\right)}$

여기서:

• ${\displaystyle {\text{출력}}_{}}$ ${\$이(가) 융합의 순 전력입니다.
• $η$캡처 ${\$displaystyle \eta _{\${\displaystyle {\mathrm{text\{ca}}_{}}$pture}}은(는) 융합의 출력을 캡처하는 효율입니다.
• ${\displaystyle {\text{융합}}_{}}$ ${\$은 융합 반응에 의해 생성된 에너지의 비율입니다.
• ${\displaystyle {}_{}}$P ${\displaystyle {\text{전도}}_{}}$ ${\$는 에너지 질량이 플라즈마를 떠날 때 전도 손실입니다.
• ${\displaystyle {\text{방사선}}_{}}$ ${\$은 에너지가 빛을 떠날 때 발생하는 방사선 손실입니다$$.

융합 속도, 즉 P는_fusion 플라즈마의 온도와 밀도에 따라 달라집니다.플라즈마는 전도와 방사선을 통해 에너지를 잃습니다.^[6]전도는 이온, 전자 또는 중성자가 다른 물질, 일반적으로 장치의 표면에 영향을 미치고 그들의 운동 에너지의 일부를 다른 원자로 전달할 때 발생합니다.전도율 또한 온도와 밀도에 따라 결정됩니다.방사선은 구름을 빛으로 남기는 에너지입니다.방사선은 이온의 질량뿐만 아니라 온도에 따라서도 증가합니다.핵융합 발전 시스템은 손실보다 핵융합 속도가 높은 지역에서 작동해야 합니다.

3중 제품 : 밀도, 온도, 시간

로슨 기준은 열화된 준중성 플라즈마를 보유한 기계가 에너지 손실을 극복하기 위해 충분한 에너지를 생성해야 한다고 주장합니다.주어진 부피에서 방출되는 에너지의 양은 온도의 함수이고, 따라서 입자 단위의 반응 속도, 그 부피 내의 입자 밀도, 그리고 마지막으로 에너지가 부피 내에 머무르는 시간인 구속 시간의 함수입니다.^[6][8]이것은 "3중 제품"이라고 알려져 있습니다: 플라즈마 밀도, 온도, 그리고 구속 시간.^[9]

자기 구속 상태에서는 밀도가 낮으며, "좋은 진공" 상태입니다.예를 들어, ITER 장치에서 연료 밀도는 약 1.0 × 10m이며¹⁹⁻³, 이는 대기 밀도의 약 100만분의 1에 해당합니다.^[10]이는 온도 및/또는 구속 시간이 증가해야 함을 의미합니다.핵융합 관련 온도는 1970년대 초에 개발된 다양한 가열 방법을 사용하여 달성되었습니다.현대 기계에서 2019년^[update] 현재 남아있는 주요 이슈는 감금 시간이었습니다.강한 자기장 속의 플라즈마는 여러 가지 고유한 불안정성을 받게 되며, 이는 유용한 기간에 도달하기 위해 억제되어야 합니다.이를 위한 한 가지 방법은 단순히 원자로 부피를 크게 하는 것이며, 이는 고전적 확산에 의한 누설률을 감소시키는 것입니다.이것이 ITER가 큰 이유입니다.

이와 대조적으로 관성 구속 시스템은 높은 밀도를 통해 유용한 삼중 제품 값에 접근하며, 구속 간격이 짧습니다.NIF에서 초기 냉동 수소 연료 부하는 납 밀도의 약 100배까지 증가하는 물보다 밀도가 작습니다.이러한 조건에서는 핵융합 속도가 매우 높아 반응에 의해 생성된 열이 연료를 분해하는 데 마이크로초 단위로 연료가 융합됩니다.NIF는 크기도 크지만, 이는 융합 프로세스에 고유한 것이 아니라 "드라이버" 디자인의 기능입니다.

에너지 포착

융합이 생성하는 에너지를 포착하기 위한 여러 가지 접근법이 제안되었습니다.가장 간단한 것은 유체를 가열하는 것입니다.일반적으로 표적이 되는 D-T 반응은 에너지의 대부분을 빠르게 움직이는 중성자로 방출합니다.중성자는 전기적으로 중성이므로 구속 방식에 영향을 받지 않습니다.대부분의 설계에서 원자로 노심을 둘러싸고 있는 리튬의 두꺼운 "이불"에 포획됩니다.고에너지 중성자에 부딪히면 담요가 뜨거워집니다.그런 다음 터빈을 구동하여 동력을 생산하는 작동 유체로 능동적으로 냉각됩니다.

또 다른 설계는 핵분열-융합 하이브리드로 알려진 개념인 핵폐기물 덩어리에서 핵분열 연료를 생산하기 위해 중성자를 사용하는 것을 제안했습니다.이러한 시스템에서, 출력은 핵분열 사건에 의해 향상되고, 전력은 기존의 핵분열 원자로와 같은 시스템을 사용하여 추출됩니다.^[11]

다른 연료를 사용하는 설계, 특히 양성자-붕소 전자 융합 반응은 하전 입자의 형태로 훨씬 더 많은 에너지를 방출합니다.이러한 경우, 이러한 전하의 이동에 기초한 전력 추출 시스템이 가능합니다.직접 에너지 변환은 1980년대에 LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)에서 융합 반응 생성물을 사용하여 직접 전압을 유지하는 방법으로 개발되었습니다.이를 통해 48%의 에너지 캡처 효율성을 입증했습니다.^[12]

플라즈마 거동

플라즈마는 전기를 전도하는 이온화된 가스입니다.^[13]일반적으로, 그것은 나비에를 조합한 자기 유체 역학을 사용하여 모델링됩니다.–^[14] 유체를 지배하는 스토크 방정식과 자기장과 전기장이 어떻게 작용하는지를 지배하는 맥스웰 방정식퓨전은 다음과 같은 몇 가지 플라즈마 특성을 이용합니다.

• 자기조직화 플라즈마는 전기장과 자기장을 전도합니다.그것의 움직임은 차례로 그것을 포함할 수 있는 필드를 생성합니다.^[15]
• 반자성 플라즈마는 자체적으로 내부 자기장을 발생시킬 수 있습니다.이는 외부에서 인가되는 자기장을 거부하여 반자성으로 만들 수 있습니다.^[16]
• 자기 거울은 플라즈마가 낮은 밀도에서 높은 밀도의 장으로 이동할 때 반사할 수 있습니다.^[17]:24

방법들

자기구속

• 토카막: 가장 잘 개발되고 자금이 잘 지원되는 접근법.이 방법은 내부 전류와 함께 자기적으로 제한된 회음부 안에서 뜨거운 플라즈마를 구동합니다.완성되면 ITER는 세계 최대 토카막이 됩니다.2018년 9월 기준으로 전 세계적으로 226개의 실험이 계획, 해체 또는 운영되고 있습니다(50개).^[18]
• 구면 토카막: 구면 토러스라고도 알려져 있습니다.구 모양의 토카막 변형.
• 스텔라레이터:뜨거운 플라즈마의 꼬인 고리.스텔라레이터는 외부 자석을 이용하여 자연적으로 꼬인 플라즈마 경로를 만들려고 시도합니다.1950년 라이먼 스피처가 개발한 항성계는 다음과 같은 네 가지 디자인으로 진화했습니다.토사트론, 헬리오트론, 헬리오트론, 헬리아스.한 예로 독일의 장치인 Wendelstein 7-X가 있습니다.그것은 세계에서 가장 큰 항성입니다.^[19]
• 내부 링:스텔라레이터는 외부 자석을 이용해 꼬인 플라즈마를 만드는 반면 토카막은 플라즈마에 유도된 전류를 이용해 플라즈마를 만듭니다.여러 등급의 설계는 플라즈마 내부의 도체를 사용하여 이러한 꼬임을 제공합니다.초기 계산에 따르면 플라즈마와 전도체 지지부 사이의 충돌은 핵융합 반응이 에너지를 대체할 수 있는 것보다 에너지를 더 빨리 제거할 것입니다.LDX(Livitated Dipole Experiment)를 포함한 현대적인 변형은 원자로 챔버 내부에서 자기적으로 부상되는 고체 초전도 토러스를 사용합니다.^[20]
• 자기 거울: Richard F가 개발하였습니다. 1960년대 LLNL의 포스트와 팀.^[21]자기 거울은 플라즈마를 일렬로 앞뒤로 반사합니다.탠덤 미러, 마그네틱 ^[22]보틀 및 바이코닉 커스프가 변형되었습니다.일련의 거울 기계들은 주로 LLNL에서 1970년대와 1980년대에 미국 정부에 의해 만들어졌습니다.^[23]그러나 1970년대의 계산은 이것들이 상업적으로 유용할 것 같지는 않다고 추정했습니다.
• 울퉁불퉁한 토러스: 다수의 자기 미러가 토로이드 링 안에서 끝에서 끝으로 배열됩니다.연료 이온 중 하나에서 누출된 연료 이온은 주변 미러에 가둬져 플라즈마 압력을 손실 없이 임의로 높게 올릴 수 있습니다.실험 시설인 ELMO 울퉁불퉁 토러스 또는 EBT는 1970년대에 ORNL(Oak Ridge National Laboratory)에서 만들어졌고 테스트되었습니다.
• 필드 반전 구성:이 장치는 플라즈마를 자체적으로 조직된 준안정 구조로 가둡니다. 여기서 입자 운동이 내부 자기장을 만들어 스스로를 가둡니다.^[24]
• 스페로막:필드 반전(field-reversed) 구성과 유사하게, 플라즈마의 자체 생성 자기장을 이용하여 제조된 반안정 플라즈마 구조체.구면에는 토로이달 필드와 폴로이달 필드가 모두 있는 반면, 필드 반전 구성에는 토로이달 필드가 없습니다.^[25]
• 다이노막(Dynomak)은 지속적인 자속 주입을 사용하여 형성되고 유지되는 구형 막입니다.^[26][27][28]
• 역방향 필드 핀치:여기서 플라즈마는 고리 안에서 움직입니다.그것은 내부 자기장을 가지고 있습니다.이 고리의 중심에서 벗어나면 자기장은 방향을 반대로 바꿉니다.

관성 구속

• 간접 구동: 레이저는 홀라움(Hohlraum)이라고 알려진 구조물을 가열하여 엑스레이 빛을 내기 시작합니다.이 엑스레이는 연료 알갱이를 가열하여 내부로 붕괴시켜 연료를 압축시킵니다.이 방법을 사용하는 가장 큰 시스템은 국가 점화 시설이며, 레이저 메가줄이 그 뒤를 이룹니다.^[29]
• 직접 구동: 레이저는 연료 펠릿을 직접 가열합니다.레이저 에너지 연구소(LLE)와 GEKKO XII 시설에서 주목할 만한 직접 구동 실험이 수행되었습니다.좋은 내란은 고밀도 플라즈마를 생성하는 대칭적인 내측 충격파를 생성하기 위해 완벽한 형상에 가까운 연료 펠릿이 필요합니다.^{[citation needed]}
• 빠른 점화:이 방법은 두 개의 레이저 블라스팅을 사용합니다.첫 번째 폭발은 핵융합 연료를 압축하는 반면 두 번째 폭발은 핵융합 연료를 점화시킵니다.2019년부터^[update] 이 기술은 에너지 생산에 대한 인기를 잃게 되었습니다.^[30]
• 자기 관성 융합 또는 자기 라이너 관성 융합:이것은 레이저 펄스와 자기 핀치를 결합합니다.핀치 커뮤니티는 자기 라이너 관성 융합이라고 부르고 ICF 커뮤니티는 자기 관성 융합이라고 부릅니다.^[31]
• 이온 빔:이온 빔은 연료를 가열하기 위해 레이저 빔을 대체합니다.^[32]주요 차이점은 빔이 질량에 의해 운동량을 가지고 있는 반면 레이저는 그렇지 않다는 것입니다.2019년 현재 이온 빔이 공간적으로 그리고 시간적으로 충분히 초점을 맞출 수 있는 가능성은 거의 없는 것으로 보입니다.
• Z-기계:얇은 텅스텐 와이어를 통해 전류를 보내 엑스레이를 생성할 수 있도록 충분히 가열합니다.간접 구동 방식과 마찬가지로, 이러한 X선은 연료 캡슐을 압축합니다.

자석 또는 전기 핀치

• Z-핀치: 전류가 플라즈마를 통해 z 방향으로 이동합니다.전류는 플라즈마를 압축하는 자기장을 발생시킵니다.핀치는 인간이 만든 통제된 융합을 위한 최초의 방법이었습니다.^[33][34]z-핀치는 압축과 가열을 실제적인 융합을 하기에는 너무 낮은 값으로 제한하는 고유한 불안정성을 가지고 있습니다.가장 큰 기계인 영국의 ZETA는 이러한 종류의 마지막 주요 실험이었습니다.z-pinch의 문제점들이 토카막 디자인으로 이어졌습니다.밀도가 높은 플라즈마 초점은 아마도 더 우수한 변화일 것입니다.
• 세타핀치: 플라즈마 기둥의 바깥쪽, 세타 방향으로 전류가 원을 돕니다.이것은 플라즈마 주위와 반대로 중심을 따라 흐르는 자기장을 유도합니다.초기의 세타핀치 장치 실라는 핵융합을 결정적으로 입증한 최초의 장치였지만, 이후의 연구는 그것이 전력 생산에 흥미를 끌지 못하게 하는 본질적인 한계를 가지고 있다는 것을 증명했습니다.
• 전단 유동 안정화된 Z-핀치: Uri Shumlak의 지도하에 있는 Washington 대학의 연구는 Z-핀치 원자로의 불안정성을 완화하기 위한 전단 유동 안정화의 사용을 조사했습니다.여기에는 핀치의 축을 따라 중성 가스를 가속하는 작업이 포함됩니다.실험 기계에는 FuZE와 Zap Flow Z-Pinch 실험용 원자로가 포함되었습니다.^[35]2017년, 영국의 기술 투자자이자 기업가인 벤저민 콘웨이는 물리학자인 브라이언 넬슨, 우리 슘락과 함께 전력 생산을 위한 기술을 상업화하기 위해 Zap Energy를 공동 설립했습니다.^[36][37][38]
• 나사 핀치:이 방법은 안정성 향상을 위해 세타와 z-핀치를 결합합니다.^[39]

관성 정전 구속

• 퓨저(Fusor): 전기장이 핵융합 상태에 열을 가합니다.이 기계는 일반적으로 진공 안에 양극 내부의 음극인 두 개의 구형 케이지를 사용합니다.이 기계들은 높은 전도 및 방사선 손실 때문에 순 전력에 대한 실행 가능한 접근법으로 간주되지 않습니다.^[40]그것들은 아마추어들이 그것들을 사용하여 융합된 원자를 가지고 있다는 것을 만들 수 있을 만큼 충분히 간단합니다.^[41]
• 폴리웰:케이지에서 발생하는 전도 손실을 방지하기 위해 자기 구속과 정전기장을 결합합니다.^[42]

다른.

• 자화된 타겟 핵융합:자기장을 이용하여 뜨거운 플라즈마를 가두고 관성을 이용하여 압착합니다.LANL FRX-L 기계,^[43] General Fusion(액체 금속 라이너로 피스톤 압축), HyperJet Fusion(플라즈마 라이너로 플라즈마 제트 압축) 등이 그 예입니다.^[44][45]
• 제어되지 않음:인간은 핵융합을 자극하기 위해 통제되지 않는 핵분열 폭발을 사용하여 핵융합을 시작했습니다.핵융합을 위한 초기 제안에는 반응을 시작하기 위해 폭탄을 사용하는 것이 포함되었습니다.프로젝트 PACER를 참조하십시오.
• 빔 융합:다른 빔이나 표적을 향해 발사된 고에너지 입자 빔은 융합을 시작할 수 있습니다.이것은 1970년대와 1980년대에 핵융합 반응의 단면을 연구하기 위해 사용되었습니다.^[5]그러나 빔 코히어런트를 유지하는 것은 융합에서 오는 것보다 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 빔 시스템은 전력에 사용될 수 없습니다.
• 뮤온 촉매 핵융합:이 접근법은 수소 동위원소의 이원자 분자에 있는 전자를 뮤온으로 대체합니다. 같은 전하를 가진 더 무거운 입자입니다.그들의 더 큰 질량은 핵을 충분히 압축해서 강한 상호작용이 핵융합을 일으킬 수 있습니다.^[46]2007년 현재 뮤온을 생산하는 것은 뮤온 촉매 융합에서 얻을 수 있는 것보다 더 많은 에너지를 필요로 합니다.^[47]

공용공구

융합 가열, 측정 및 전력 생산을 해결하기 위해 여러 프로젝트에 걸쳐 많은 방법, 장치 및 메커니즘이 사용됩니다.^[48]

신경망

토카막 기반 원자로 제어를 위해 심층 강화 학습 시스템이 사용되었습니다.인공지능은 플라즈마를 관리하기 위해 자기 코일을 조작할 수 있었습니다.시스템은 적절한 동작(단계 기반 시스템보다 복잡함)을 유지하기 위해 지속적으로 조정할 수 있었습니다.2014년에 Google은 캘리포니아에 기반을 둔 융합 회사인 TAE Technologies와 협력하여 공동 유럽 토러스(JET)를 제어하여 플라즈마 동작을 예측하기 시작했습니다.^[49]DeepMind는 TCV와 함께 제어 체계도 개발했습니다.^[50]

난방

• 정전기 가열: 전기장은 하전된 이온이나 전자를 가열하는 일을 할 수 있습니다.^[51]
• 중성 빔 주입: 수소가 전기장에 의해 이온화되고 가속되어 중성 수소 가스의 공급원을 통해 플라즈마를 향해 빛나는 하전된 빔을 형성합니다. 플라즈마는 자기장에 의해 이온화되고 포함됩니다.중간 수소 가스의 일부는 중성을 유지하면서 대전된 빔과 충돌하여 플라즈마 쪽으로 가속됩니다. 따라서 이 중성 빔은 자기장에 영향을 받지 않으므로 플라즈마에 도달합니다.일단 플라즈마 안에 들어가면 중성 빔은 충돌에 의해 에너지를 플라즈마로 전달하고, 이것이 이온화되어 자기장에 의해 억제되도록 함으로써 한 번의 작동으로 원자로를 가열하고 연료를 주입합니다.하전된 빔의 나머지 부분은 자기장에 의해 냉각된 빔 덤프로 전환됩니다.^[52]
• 무선 주파수 가열: 전파가 플라즈마를 진동시킵니다(즉, 전자레인지).이것은 또한 전자 사이클로트론 공명 가열이라고도 하며, 예를 들어 자이로트론을 사용하거나 유전체 가열이라고도 합니다.^[53]
• 자기 재연결 : 플라즈마가 조밀해지면, 전자기적 특성이 변할 수 있고, 이것은 자기 재연결로 이어질 수 있습니다.재결합은 플라즈마에 에너지를 즉시 쏟아 부어 빠르게 가열하기 때문에 융합을 돕습니다.자기장 에너지의 최대 45%가 이온을 가열할 수 있습니다.^[54][55]
• 자기 진동: 다양한 전류가 자기 벽 내에 국한된 플라즈마를 가열하는 자기 코일에 공급될 수 있습니다.^[56]
• 반양성자 소멸: 핵융합 연료 덩어리에 주입된 반양성자는 열핵 반응을 유도할 수 있습니다.반물질 촉매 핵펄스 추진으로 알려진 우주선 추진 방법으로서 이러한 가능성은 펜실베니아 주립대학에서 제안된 AIMStar 프로젝트와 관련하여 조사되었습니다.^{[citation needed]}

측정.

핵융합 과학 원자로의 진단은 매우 복잡하고 다양합니다.^[57]핵융합형 원자로에 필요한 진단은 다양하지만 과학용 원자로에 비해 덜 복잡한 진단이 상용화 시점까지 많은 실시간 피드백과 제어 진단이 완벽하게 이루어질 것입니다.그러나, 지속적인 운전은 더 높은 플라즈마 온도와 더 높은 수준의 중성자 조사를 수반할 수 있기 때문에, 상업적인 핵융합로의 운전 환경은 과학적인 원자로보다 진단 시스템에 더 가혹할 것입니다.제안된 많은 접근법에서 상용화를 위해서는 헬륨 및 불순물과 같은 전환기 가스를 측정 및 분리하고 삼중수소 사육 액체 리튬 라이너의 상태와 같은 연료 사육을 모니터링할 수 있는 추가적인 능력이 필요합니다.^[58]다음은 몇 가지 기본적인 기술입니다.

• 플럭스 루프(flux loop): 철사 고리가 자기장 안에 삽입됩니다.필드가 루프를 통과하면 전류가 생성됩니다.전류는 해당 루프를 통해 총 자속을 측정합니다.이것은 National Compact Starrator Experiment, Polywell, ^[59][60]LDX 기계에 사용되었습니다.Langmuir 프로브는 플라즈마에 금속으로 된 물체로 사용할 수 있습니다.전위가 인가되어 주변 플라즈마에 대한 전압을 제공합니다.금속은 대전된 입자를 모아 전류를 끌어냅니다.전압이 변하면 전류도 변합니다.IV 곡선을 만듭니다.IV-곡선은 국소 플라즈마 밀도, 전위 및 온도를 결정하는 데 사용할 수 있습니다.^[61]
• 톰슨 산란(Thomson scattering): 플라즈마의 "빛 산란"은 밀도와 온도를 포함한 플라즈마 거동을 재구성하는 데 사용될 수 있습니다.관성 감금 융합,^[62] 토카막스,^[63] 퓨저에서 흔히 볼 수 있습니다.ICF 시스템에서 두 번째 빔을 표적에 인접한 금박에 발사하면 플라즈마를 통과하는 X선이 생성됩니다.토카막에서, 이것은 빛을 반사하기 위해 거울과 감지기를 사용할 수 있습니다.
• 중성자 검출기: 여러 종류의 중성자 검출기는 중성자가 생성되는 속도를 기록할 수 있습니다.^[64][65]
• X선 디텍터 가시광선, IR, UV 및 X선은 입자가 속도를 변경할 때마다 방출됩니다.^[66]자기장에 의한 편향이 원인이라면 저속의 경우에는 사이클로트론 복사, 고속의 경우에는 싱크로트론 복사가 원인입니다.이유가 다른 입자에 의한 편향일 경우, 플라즈마는 X선을 방출하는데, 이를 브렘스스트랄룽 방사선이라고 합니다.^[67]

전력생산

중성자 담요는 중성자를 흡수하여 담요를 가열합니다.다음과 같은 방법으로 블랭킷에서 전력을 추출할 수 있습니다.

• 증기 터빈은 열이 증기로 변하는 작동 유체로 전달되어 전기 발전기를 구동함으로써 구동될 수 있습니다.^[68]
• 중성자 담요:이 중성자들은 사용후 핵분열 연료를 재생시킬 수 있습니다.^[69]삼중수소는 액체 리튬으로 된 브리더 블랭킷 또는 리튬을 함유한 세라믹 조약돌로 만들어진 헬륨 냉각 조약돌층을 사용하여 생산될 수 있습니다.^[70]
• 직접 변환:입자의 운동 에너지는 전압으로 변환될 수 있습니다.^[21]그것은 Richard F에 의해 처음 제안되었습니다. 1960년대 후반, 자기 거울과 함께 게시물.필드 반전 구성(Field-Reversed Configuration) 및 밀집 플라즈마 포커스(Dense Plasma Focus) 장치에 대해 제안되었습니다.이 과정은 핵융합 생성물의 무작위 에너지의 큰 부분을 방향 운동으로 변환합니다.그런 다음 입자는 다양한 큰 전위의 전극에 모이게 됩니다.이 방법은 48%의 실험 효율성을 입증했습니다.^[71]
• 진행파관은 대전된 헬륨 원자를 수 메가볼트로 통과시키고 외부 주위에 철사 코일이 있는 관을 통해 핵융합 반응으로부터 막 빠져나옵니다.고전압에서 통과하는 이 전하는 전선을 통해 전기를 끌어 당깁니다.

감금

가둠이란 플라즈마가 핵융합을 겪을 수 있을 정도로 밀도가 높고 뜨거운 상태를 유지하는 데 필요한 모든 조건을 말합니다.일반 원칙:

• 평형:플라즈마에 작용하는 힘이 균형을 이루어야 합니다.한 가지 예외는 관성 구속인데, 이 경우 핵융합이 분산 시간보다 더 빨리 발생해야 합니다.
• 안정성:교란이 발생하여 플라즈마가 분산되지 않도록 플라즈마를 구성해야 합니다.
• 운반 또는 전도:재료의 손실이 충분히 느려야 합니다.^[6]플라즈마는 에너지를 방출하기 때문에 물질의 급격한 손실은 핵융합을 방해할 것입니다.물질은 다른 지역으로 운반되거나 고체 또는 액체를 통해 전도됨으로써 손실될 수 있습니다.

자생적인 핵융합을 생성하기 위해서는 반응에 의해 방출되는 에너지의 일부가 새로운 반응물을 가열하고 핵융합을 위한 조건을 유지하는 데 사용되어야 합니다.

자기구속

마그네틱 미러

자기 미러 효과.입자가 필드 라인을 따라 더 높은 필드 강도의 영역에 들어가면 입자가 반사될 수 있습니다.여러 장치가 이 효과를 적용합니다.가장 유명한 것은 1960년대부터 1980년대까지 LLN에서 만들어진 일련의 장치인 자기 거울 기계였습니다.^[72]다른 예로는 자석 병과 바이코닉 커스프가 있습니다.^[73]거울 기계들이 직선이었기 때문에, 그것들은 고리 모양의 디자인들에 비해 몇 가지 장점들을 가지고 있었습니다.미러는 구성 및 유지보수가 더 쉬웠고 직접 변환 에너지 캡처는 구현이 더 쉬웠습니다.^[12]열악한 구속으로 인해 폴리웰 설계를 제외하고는 이 접근 방식이 포기되었습니다.^[74]

마그네틱 루프

자기 루프는 필드 선을 원으로 다시 구부리거나 중첩된 토로이드 표면에서 더 일반적으로 구부립니다.이러한 유형의 가장 고도로 발달된 시스템은 토카막, 항성 생성기, 그리고 역장 핀치입니다.소형 토로이드, 특히 필드 반전 구성과 구면은 토로이드 자성 표면의 장점을 단순히 연결된(비토로이드) 기계의 장점과 결합하여 기계적으로 더 단순하고 작은 구속 영역을 생성합니다.

관성 구속

관성 구속은 플라즈마를 가열하고 가두기 위해 급속 내폭을 사용하는 것입니다.연료를 둘러싸고 있는 셸은 직접 레이저 블라스트(직접 구동), 2차 X선 블라스트(간접 구동) 또는 무거운 빔을 사용하여 인플로딩됩니다.연료는 에너지 빔으로 고체 밀도의 약 30배까지 압축되어야 합니다.직접 구동은 원칙적으로 효율적일 수 있지만, 통일성이 부족하여 성공을 거두지 못했습니다.^[75]:19–20간접 구동은 빔을 사용하여 껍질을 가열하고 껍질을 X선을 방출하여 펠릿을 붕괴시킵니다.빔은 일반적으로 레이저 빔이지만 이온과 전자 빔이 조사되었습니다.^{[75]:182–193}

정전 구속

정전기 가둠 융합 장치는 정전기장을 사용합니다.가장 잘 알려진 것은 퓨저입니다.이 장치는 양극 와이어 케이지 내부에 음극이 있습니다.양이온은 음의 내부 케이지를 향해 날아가고, 그 과정에서 전기장에 의해 가열됩니다.만약 그들이 내부 케이지를 놓치면 그들은 충돌하고 융합할 수 있습니다.그러나, 이온은 일반적으로 음극에 부딪쳐, 엄청난 전도 손실을 발생시킵니다.퓨저의 핵융합 속도는 광복사 형태의 에너지 손실과 같은 경쟁적인 물리적 효과 때문에 낮습니다.^[76]중립적이지 않은 클라우드를 사용하여 필드를 생성함으로써 케이지와 관련된 문제를 방지하기 위한 설계가 제안되었습니다.여기에는 플라즈마 발진 장치,^[77] 자기 차폐 그리드,^[78] 페닝 트랩, 폴리웰 및 ^[79]F1 캐소드 드라이버 개념이 포함됩니다.^[80]

연료

핵융합력으로 고려되는 연료는 모두 수소 동위원소인 중수소, 삼중수소와 같은 가벼운 원소들이었습니다.^[5]중수소와 헬륨-3 반응은 헬륨-3을 필요로 하는데, 헬륨은 지구상에서 너무나 부족하기 때문에 외계에서 채굴되거나 다른 핵반응에 의해 생성되어야 할 정도입니다.궁극적으로, 연구자들은 비록 부반응이 일어날 수 있지만, 중성자를 직접적으로 생성하지는 않기 때문에, 프로튬-붕소-11 반응을 채택하기를 희망합니다.^[81]

중수소, 삼중수소

가장 쉬운 핵반응은 가장 낮은 에너지에서 D+T입니다.

D + T → He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)

이러한 반응은 연구, 산업 및 군사 분야에서 일반적으로 중성자 공급원으로 사용됩니다.중수소는 수소의 자연적으로 발생하는 동위원소이며 일반적으로 사용할 수 있습니다.수소 동위원소의 질량비가 크기 때문에 우라늄 농축 공정에 비해 분리가 용이합니다.삼중수소는 수소의 천연 동위원소이지만 반감기가 12.32년으로 짧기 때문에 찾기 어렵고 저장, 생산이 어렵고 비용이 많이 듭니다.따라서 중수소-삼중수소 연료 사이클은 다음 반응 중 하나를 사용하여 리튬으로부터 삼중수소를 증식해야 합니다.

n + Li → T + He

n + Li → T + He + n

반응물 중성자는 위의 D-T 핵융합 반응에 의해 공급되며, 에너지 수율이 가장 높은 반응물입니다.Li과의 반응은 발열성이며, 반응기에 대한 작은 에너지 이득을 제공합니다.Li과의 반응은 흡열성이지만 중성자를 소모하지는 않습니다.중성자 증식 반응은 다른 원소에 의해 흡수되어 손실된 중성자를 대체하기 위해 필요합니다.유력한 후보 중성자 증식 물질은 베릴륨과 납이지만, Li 반응은 중성자 수를 높게 유지하는 데 도움이 됩니다.천연 리튬은 주로 Li이며, Li에 비해 삼중수소 생산 단면이 낮기 때문에 대부분의 원자로 설계에서는 농축된 Li이 포함된 사육 담요를 사용합니다.

일반적으로 D-T 융합 능력에 기인하는 단점은 다음과 같습니다.

• 중성자 공급은 원자로 물질의 중성자 활성화를 초래합니다.^[82]:242
• 결과 에너지의 80%는 중성자에 의해 운반되며, 이는 직접적인 에너지 변환의 사용을 제한합니다.^[83]
• 방사성 동위원소 삼중수소가 필요합니다.삼중수소는 원자로에서 누출될 수 있습니다.일부 추정치는 이것이 상당한 환경 방사능 방출을 나타낸다고 말합니다.^[84]

상업용 D-T 핵융합로에서 예상되는 중성자속은 핵분열 원자로의 약 100배에 달하며,