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기획특집 ➁

인공적으로 핵융합을 일으키는 방법

글. 무은재학부 25학번 31기 알리미 이재린

앞 꼭지에서는 핵융합의 원리와 핵융합이 지속적으로 유지되기 위한 조건을 알아보았습니다. 인공 핵융합에서 주로 사용되는 D-T 반응이 일어나기 위해서는 높은 온도와 같은 여러 조건을 만족시켜야 합니다. 그렇다면 이 조건은 어떻게 만족시킬 수 있을까요? 이번 꼭지에서는 핵융합을 인공적으로 발생시키고 유지하는 원리에 대해 알아봅시다!

인공적인 핵융합 방식, 자기 밀폐

자기 밀폐(MCF, Magnetic Confinement Fusion)는 연료로 쓰이는 기체를 플라즈마 상태로 만들고, 강한 자기장 내부에 가둔 상태로 융합시키는 방식입니다. 이때, 플라즈마란 전자와 이온으로 분리된 전하 입자들의 집합 상태로, 자기장의 영향을 받습니다.

플라즈마는 전하를 띠어 전자기장 내에서 로런츠 힘1을 받습니다. 이 힘에 의해 플라즈마가 자기장 내부에 가둬지게 됩니다. 자기 밀폐를 이용하여 핵융합 발전을 발생시키는 구조는 다양하게 존재하지만, ITER와 K-star에서는 주로 토카막이라는 장치가 사용됩니다. 그렇다면 토카막은 어떤 원리로 작용할까요? 

그림 1. 토카막의 토로이드 구조

자기 밀폐 방식을 이용한 구조, 토카막

토카막은 토로이드2 구조의 장치로, 토로이달 자기장, 폴로이달 자기장을 생성합니다. 토로이달 자기장은 플라즈마를 장치 내벽으로부터 격리하는 역할을 하는 자기장으로, 그림 2에서 회전면에 둘러 균일하게 배치된 코일(TF, Toroidal Field coil)에 의해 생성됩니다. 코일에 전류가 흐르면 토카막에 흐르는 플라즈마의 순환 경로를 감싸는 자기장이 발생합니다. 작용 거리가 증가할수록, 자기장의 세기는 감소하는 특성이 있습니다. 이러한 토카막의 자기장 세기는 작용 거리에 반비례하므로, 중심에 가까울수록 자기장이 강해집니다. 이 때문에 전자와 이온이 서로 반대 방향으로 밀려 나갑니다. 그 결과 한 쪽에는 양전하가, 반대쪽에는 음전하가 쌓이게 됩니다. 이렇게 전하가 분리되면 새로운 전기장이 생깁니다. 

그림 2. 토카막의 코일 구조

이 전기장이 플라즈마 전체를 벽 쪽으로 미는 힘(E x B 표류)을 만들어 플라즈마가 밖으로 새어 나가게 됩니다. 이러한 불안정한 표류를 억제하고 플라즈마를 안정적으로 가두는 데 필요한 것이 폴로이달 자기장입니다. 그림 1의 검은색 선에 해당하는 폴로이달 자기장은 수평 코일에 의해 발생합니다. 토로이달 자기장과 폴로이달 자기장을 더하면 그림 1의 빨간 선과 같이 D자 모양의 회전면을 가진 나선형 자기장이 됩니다. 이로 인해 플라즈마 입자가 토로이드를 한 바퀴 돌 때 안쪽과 바깥쪽, 위와 아래를 모두 거치며, 불안정한 표류로 인한 자기장의 크기 차이가 상쇄되어 안정적으로 플라즈마를 가둘 수 있습니다.

지금까지 토카막의 구조와 토카막에서 발생하는 자기장에 대해 알아보았습니다. 그렇다면 플라즈마는 어떤 과정을 거쳐 인공적으로 만들어지는 걸까요?

인공 핵융합의 시작, Breakdown

Breakdown은 토카막 내부에 주입된 기체를 방전시켜 이온화된 플라즈마로 만드는 과정입니다. 방전은 파셴 법칙(Paschen’s Law)으로 설명할 수 있습니다. 파셴 법칙은 두 전극 사이에서 방전을 시작하는 데 필요한 방전 개시 전압을, 압력과 전극 사이 거리의 관계로 설명하는 법칙입니다.

파셴 곡선 그래프의 y축은 방전 개시 전압, x축은 압력(p)과 전극 사이 거리(d)의 곱인 pd값입니다. pd값이 낮으면 기체 압력이 낮아 밀도가 작거나, 움직이는 경로가 짧아 충돌수가 감소해 방전이 잘 일어나지 못합니다. 또한 pd값이 높으면 기체 압력이 높아 밀도가 크기 때문에 너무 자주 충돌하여, 이온화에 필요한 충분한 에너지를 얻지 못해 방전이 활발히 일어날 수 없습니다. 적정 pd값에서는 연쇄반응으로 초기 전자수가 기하급수적으로 증식하여 전류가 흐를 수 있는 상태가 됩니다. 따라서, pd값이 특정 지점일 때 방전 개시 전압이 극소점이므로, 방전 개시 전압이 극소점을 가지는 pd값을 유지해야 전자 연쇄 생성 반응3이 순조롭게 발생할 수 있습니다.

그림 3. Paschen’s Curve

완전한 이온화와 플라즈마 가열, Burn-through와 Ramp-up

플라즈마 전류가 형성되면, 충돌로 인한 저항 가열로 전자 온도가 상승합니다. 뜨거워진 전자들이 Breakdown 단계에서 남아 있던 중성 기체나 벽에서 방출된 불순물과 충돌해 이온화를 일으켜, 결과적으로 완전한 이온화에 도달하게 됩니다. 이 과정으로 불순물이 줄어들면 플라즈마의 열 손실이 감소해 전류가 안정적으로 흐를 수 있는 환경이 만들어집니다. 이때, 플라즈마 전류를 높여 폴로이달 자기장 세기를 상승시키면, 가둠 성능이 향상되고, 에너지 손실이 줄게 됩니다. 또한 저항 가열과 압축 효과로, 고온 플라즈마 상태를 유지하기 쉬워집니다.

뜨거운 열을 분산시키는 장치, 디버터

위 과정에서 플라즈마가 안정적으로 형성되어도, 온도가 매우 높아 토카막 내부 벽면이 손상되거나, 불순물이 에너지 손실을 일으켜 효율이 떨어질 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 필요한 것이 바로 디버터(Divertor)입니다.

그림 4. 토카막 내부 자기력선의 구조

토카막 내 자기선속 표면은 바깥의 열린 자기력선과 안쪽의 닫힌 자기력선으로 구성됩니다. 이 자기력선의 배치는 핵융합의 효율을 높이기 위해 불순물을 제거하고, 열에너지를 분산시키기 위한 구조입니다. 여기서 열린 자기력선이 꺾이는 지점을 X-point라고 합니다. 이 지점에서 폴로이달 자기장의 크기가 0이 되어, 불순물을 포함한 플라즈마는 외부로 흘러나올 수 있게 됩니다. 디버터는 X-point 부근에 위치하여, 불순물을 포함한 플라즈마 입자는 열린 자기력선을 따라 디버터 영역으로 유도됩니다. 또한 열을 진공 용기에 도달하기 전에 차단시켜 내벽 보호 기능도 수행합니다.

이번 꼭지에서는 인공적으로 핵융합을 유지하는 원리에 대해 알아봤습니다. 인공적으로 핵융합을 유지하기 위해서는 기체를 플라즈마 상태로 만들고, 플라즈마를 자기장을 이용해서 가두는 것이 매우 중요합니다. 하지만 높은 온도의 플라즈마를 지속적으로 사용하면, 플라즈마 안정성에 대한 문제가 발생합니다. 다음 꼭지에서는 이 문제점을 더 자세히 다루고, 해결하는 방법에 대해 알아보겠습니다.

[각주]

1. 전하를 띤 입자가 전기장과 자기장이 있는 공간을 움직일 때 받는 힘. (F = qE + qv x B, 전자기장에서의 로런츠 힘은 위 식과 같이 표현되며, q는 전하량, v는 입자의 속도, E는 전기장, B는 자기장을 의미)

2. ‘도넛 모양’ 또는 ‘반지 모양’의 입체 도형

3. 충돌 이온화로 생성된 전자가 다시 다른 원자와 충돌하는 과정에서, 전자 수가 기하급수적으로 증가하는 연쇄 반응

[그림 출처]

그림 1. 윤건수 교수님께서 제작

그림 2. 김현석, “KSTAR 플라즈마 평형 해석 기법과 활용”, ｢KPS 한국물리학회｣. 2022년 3월 28일.

그림 3. Andrew somorjai. “Paschen Curve for various gases [4]” Researchgate. May 12. 2015. https://www.researchgate.net/figure/Paschen-Curve-for-various-gases-4_fig2_276279085  

그림 4. 한국핵융합에너지연구원, ｢FUSION INSIGHT｣ 7, (2024): 26.

[참고 자료]

1. “Paschen’s law” ｢위키피디아｣. 2025년 8월 11일. https://share.google/Zp5ds709gbsqqOhyN

2. Walkden, N., Riva, F., Harrison, J. 외, “토카막 다이버터 체적에 국한된 난류의 물리학”, Commun Phys 5 , 139 (2022).

3. Wagenaars, Erik. “Plasma breakdown of low pressure gas discharges”. PhD thesis, Eindhoven University of Technology, 2006

4. Mueller, D. “The Physics of Tokamak Start up.” AIP Conference Proceedings 1390, no. 1 (2011)

5. 한국핵융합에너지연구원, ｢FUSION INSIGHT｣ 7, (2024): 26.