기본 콘텐츠로 건너뛰기

차세대 스텔러레이터 완성 - 핵융합 연구에 다크호스 될까?


(출처: 사이언스/​Max Planck Institute for Plasma Physics)
​
​
 핵융합은 궁극의 차세대 에너지원으로 불리고 있습니다. 우주에서 가장 풍부한 원소를 에너지원으로 사용할 뿐 아니라 막대한 에너지를 얻을 수 있기 때문에 고갈의 걱정없이 마음대로 사용이 가능하기 때문이죠. 위험한 방사성 폐기물이 별로 없다는 것도 큰 장점입니다.
​
​
 하지만 문제는 핵융합 반응을 안정적으로 유지하기가 매우 어렵다는 것입니다. 사실 핵융합 반응을 통해서 전력을 생산하는 일은 현재로써는 생각하기 힘들 만큼 일단 핵융합 반응을 제어하는 것 자체가 어렵습니다. 수소 폭탄과는 달리 지속적으로 반응을 유지해야 하기 때문입니다.
​

 문제의 핵심은 섭씨 1억도로 치솟는 뜨거운 플라즈마를 제어하는 것입니다. 일반적인 물질은 이 열을 견딜 수 없기 때문에 보통 자기장에 플라즈마를 가두는 방식을 사용합니다. 이 중에서 가장 널리 연구된 방식은 구소련에서 1950년대 개발된 토카막(Tokamak) 방식입니다. 현재 ITER 같은 차세대 거대 핵융합 장치 역시 토카막 방식을 사용합니다.
​
​
 그런데 자기장 방식 가운데서 도넛 모양의 자기장을 만드는 토카막 방식이외에 1951년 미국 프린스턴 대학의 라이만 스피처 (Lyman Spitzer at Princeton University)가 고안한 스텔라레이터(stellarator)라는 장치가 있습니다. 이 장치의 특징은 타원 모양의 자기 코일을 서로 조금씩 회전하면서 배치해 자기장의 강약에 따라서 스스로 압축되는 플라즈마 핀치 효과를 사용한다는 것입니다.
​
​
 스텔라레이터와 토카막 방식 모두 장단점이 있는데, 1970년 대 이후 연구는 토카막 방식에 집중되었습니다. 토카막 방식이 플라즈마를 가두는 데 더 효과적이었기 때문이죠.
​
​
 하지만 토카막 방식에도 문제는 있었습니다. 플라즈마에 전류를 흘려보는 방식인데, 이 전류가 쉽게 불안정해지거나 혹은 중단되면 핵융합 반응이 중단되는 것이죠. 반면 플라즈마에 전류를 흘릴 필요가 없는 스텔라레이터는 훨씬 안정적으로 플라즈마를 농축할 수 있습니다. 이론적으로는 말이죠.
​
​
 최근까지 가장 강력한 스텔라레이터 핵융합 장치는 일본이 1998년부터 운용한  Large Helical Device (LHD) 장치였습니다. 하지만 이보다 더 큰 스텔라레이터를 만드는 작업은 쉽지 않았습니다. 이유는 각 초전도 자석이 mm 이하의 매우 정확한 각도로 조금씩 틀어져야 하기 때문이죠. 완벽한 디자인의 스텔라레이터를 만드는 일은 매우 어려웠습니다.
​
​
 미국의 연구자들은 역사상 가장 강력한 스텔라레이터 기기인 National Compact Stellarator Experiment (NCSX)를 개발하려 했지만, 2008년 이 문제로 인해 가격이 급격히 상승하면서 결국 중도에 포기할 수 밖에 없었습니다.
​
​
 한편 비슷한 연구를 진행했던 독일의 연구자들 역시 많은 어려움을 겪었습니다. 벤델슈타인 7X Wendelstein 7-X (W7-X)라는 이 스텔라레이터는 이 종류의 기기로는 역대 가장 강력한 장치인데, 각각의 초전도체 자석 코일의 크기가 높이 3.5m, 무게 6톤에 달합니다. 이를 모두 정확하게 mm 이하 단위로 각도를 맞춰 연결하는 일은 보통 여려운 작업이 아니었습니다. (동영상 참조)
​
​
​

(동영상)
​
​
 지름 16m에 불과하지만, 엄청난 크기의 초전도체를 액체 헬륨으로 냉각시켜 절대 영도에 가깝게 만드는 동시에 내부의 플라즈마를 1억도로 유지하는 일은 극도로 어려운 과제였습니다. 결국 2006년 5억 500만 유로였던 건설비는 2015년에는 10억 6000만 유로까지 치솟았습니다. 독일 정부의 결단이 없었다면 완성되지 못했을 이 핵융합 연구 시설은 마침내 완공되어 이제 실제 가동을 눈앞에 두고 있는 상태입니다.
​
​
 과연 W7-X가 이전 토카막에 밀려 이제는 마이너의 위치로 내려간 스텔라레이터를 복귀시킬 수 있을지는 아직 장담하기 이릅니다. 최소한 이 장치는 스텔라레이터를 제작하기 매우 힘들다는 사실은 증명했지만, 아직 성능을 보여주지 못했기 때문이죠.
​
​
 하지만 극도로 정밀한 핵융합 연구 기기를 조립하는 데 성공했다는 것 자체가 기술의 진보를 보여주는 것이기도 합니다. W7-X의 제작을 위해서 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션을 통한 매우 정교한 수치 계산과 제작 및 조립 과정이 있었다고 합니다.
​
​
 이렇게 기술이 진보하면 결국에는 이전에는 가능하지 않았던 일도 가능하게 되지 않을까하는 기대가 생기는 것은 당연합니다. 과연 가까운 시일내로 큰 진전이 있을지 궁금하네요.
​
​
 참고   
​
​
        
​
​
​
​
라벨:

댓글

댓글 쓰기

이 블로그의 인기 게시물

중등도 코로나 19 환자에서 제한적인 효과만을 확인한 렘데시비르

   현재 렘데시비르는 인공 호흡기 치료가 필요한 환자 등 중증 코로나 19 환자의 치료제로 사용되고 있습니다. 다만 공급이 부족해서 갑자가 중증 코로나 19 환자가 늘어날 경우 수급 문제가 불거질 수밖에 없습니다. 따라서 이를 중등도 코로나 19 환자 (경증이나 무증상은 당연히 치료가 필요없거나 대증 요법 정도) 사용한다는 것은 지금 당장에 급한 연구는 아니지만, 나중에 수급량이 많아지고 가격이 낮아질 때를 생각하면 의미 있는 연구 결과입니다.   렘데시비르 제조사인 길리어드 사이언스의 다아애나 브레이너드 박사 ( Dr. Diana Brainard of Gilead Sciences )는 병원에 입원이 필요했던 중등도 코로나 19 환자 584명을 렘데시비르 5일, 10일 투여 실험군과 위약을 투여한 대조군으로 나눠 임상 경과, 사망 등 중요한 합병증 발생 등에서 차이를 보이는지 조사했습니다. 연구 대상자의 40% 이상은 당뇨 같은 만성 질환이 있었으며 평균 연령은 57세였습니다.   연구 결과 대조군의 2%, 5일 투여군의 2%, 10일 투여군의 1%가 사망했으나 사망자 수가 4명, 3명, 2명 정도로 통계적 차이를 판단하기에는 사망자 수가 적어 결론을 내리기 어려웠습니다. 연구팀은 5일 투여군에서 임상 경과가 다소 호전되는 것을 판단했으나 10일 투여군에서는 통계적 차이를 검증할 수 없었습니다. 결론적으로 말해 중등도 코로나 19 환자에서 렘데시비르 투여는 확실한 임상적 이득이 없었습니다.     5일 투여량만 해도 가격이 3120달러라는 점을 감안할 때 중등도 환자에서 렘데시비르 투여는 설령 공급이 원활하다고 해도 적절한 치료법이 아닌 것으로 판단됩니다. 더구나 지금처럼 공급이 불안해 중증 환자 투여 물량 확보가 아쉬운 상황에서는 말할 것도 없습니다.  이번 연구는 렘데시비르보다 효과가 뛰어나면서 저렴한 차세대 항바이러스 치료제의 필요성을 다시 보여준 것으로 생각됩니다....
댓글 쓰기
자세한 내용 보기

178Tb/s - 광섬유 통신 신기록 수립

  ( Lidia Galdino, lead researcher on the study. Credit: James Tye / UCL )  현재 가정에 들어오는 초고속 광통신은 10Gb/s 정도가 가장 빠른 편입니다. 그러나 사실 광섬유를 통해서 보낼 수 있는 정보량은 이것보다 훨씬 많습니다. 현재 개발 중인 기술 가운데서는 이미 1Tb/s 이상이 속도를 지닌 것들이 많아 미래에는 테라 인터넷 시대가 가능할 것으로 예상됩니다. 그런 가운데 영국 유니버시티 칼리지 런던 (UCL)의 리디아 갈디노( Lidia Galdino )가 이끄는 연구팀이 178Tb/s라는 신기록을 세웠다는 소식입니다.   광섬유 통신을 위한 주파수는 4.5THz까지 높일 수 있습니다. 최근에 개발된 신기술은 9THz 벽도 돌파했습니다. 그러나 연구팀은 16.8THz라는 새로운 영역에 도달했습니다. 주파수가 높을 수록 더 많은 정보를 전송할 수 있습니다. 하지만 16.8THz의 주파수로도 178Tb/s의 데이터 전송 속도는 사실 불가능합니다. 연구팀은  Geometric Shaping (GS) 방식으로 레이저 신호의 페이즈, 밝기, 편광 수준을 조절해 여러 신호가 서로 간섭 없이 전달되게 만들어 이런 신기록을 수립했습니다.   물론 새로운 기술이 항상 그렇듯이 바로 상용화가 가능한 것은 아닙니다. 특히 광섬유는 장거리 정보 전송이 가능해야 할 뿐 아니라 오류 없이 장시간 작동이 가능해야 합니다. 자꾸 에러가 생기거나 고장난다면 아무리 속도가 빨라도 무용지물입니다. 이 단계를 극복하고 경제성까지 갖춰 실용화 되는 경우는 사실 소수에 지나지 않습니다.   하지만 경쟁적으로 Tb 급 대역폭을 지닌 광통신 기술이 개발되고 있어 테라바이트 급 정보도 순식간에 전송할 수 있는 시대가 올 것은 분명합니다. 과거 전화선을 이용한 56K 모뎀에서 지금의 광섬유 기반 초고속 인터넷이 온 것처럼 속도는 계속 빨라질 수밖에 없기 때문입니다...
댓글 쓰기
자세한 내용 보기

코로나 19 감염 위험성이 큰 동물은?

  ( A new genomic study ranks the potential of the SARS-CoV-2 spike protein to bind to the ACE2 receptor site in 410 vertebrate animals. Old World primates and great apes, which have identical amino acids at the binding site as humans, are predicted to have a very high propensity for binding ACE2 and are likely susceptible to SARS-CoV-2 infection. Credit: Matt Verdolivo/UC Davis )    코로나 19를 일으키는  SARS-CoV-2는 사스 및 메르스와 마찬가지로 박쥐를 자연 숙주로 삼는 베타 코로나바이러스 계통입니다. 따라서 본래 박쥐에 살던 바이러스가 중간 단계를 거쳐 사람으로 넘어온 것으로 추정됩니다. 그런데 이 이야기는 SARS-CoV-2 역시 사람에만 감염되는 것이 아니라 종을 넘어 다른 포유류나 조류, 혹은 척추동물에 감염될 수 있음을 시사합니다. 코로나 바이러스가 침투하는 경로인 ACE2 수용체는 다른 척추동물에서도 볼 수 있기 때문입니다. 다만 SARS-CoV-2와 ACE2 수용체의 결합 수준은 동물마다 큰 차이가 있어 감염 위험도는 모두 다를 수밖에 없습니다.   캘리포니아 대학 데이비스 캠퍼스 (UC Davis)의 조안나 다마스 (Joana Damas)와 그 동료들은 410종의 척추동물에서 ACE2 수용체 유전자를 조사해 코로나 19 감염 위험도를 조사했습니다. 연구팀에 따르면 ACE2 수용체 전체가 아니라 25개의 아미노산 배열이 특히 결합력에 큰 영향을 미쳐 감염 가능성을 결정합니다.   연구 결과 쉽게 예상할 수 있듯이 사람과 가까운 침팬치, 고릴라, 보노보...
댓글 쓰기
자세한 내용 보기