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201510.08

‘겨울왕국’ 엘사 장갑과 토카막의 관계

시스템 관리자   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/422


공대생으로 추정되는 남자친구가 이야기해준 겨울왕국 엘사 장갑의 비밀!

토카막 때문에 엘사의 장갑이 얼지 않는다?

토카막이 도대체 무엇이길래..!

일단 토카막이 무엇인지부터 알아봅시다.(진지) 

 

**

 

달콤한 잼 대신 초고온의 플라즈마를 가둔 도넛, ‘토카막’

 

태양이 에너지를 내는 원리는 태양 중심에서 일어나는 핵융합반응이라는 것은 잘 알려져있습니다. 지구에서 태양에서와 같은 핵융합반응을 만들기 위해 필요한 것이 몇 가지 있는데요.

 

먼저 지구에서 인공 태양을 만들어 핵융합에너지를 만들 수 있는 첫 번째 조건은 1억℃의 플라즈마(원자핵과 전자가 떨어진 물질의 4번째 상태)가 필요합니다. 그리고 이 초고온의 플라즈마를 가둘 그릇이 필요한데요. 그 그릇이 바로 토카막입니다.

 

 

-고온의 플라즈마를 가두는 방법

 

 1939년 이후 인류는 핵융합에너지를 만들기 위한 모든 조건을 정확하게 알게 되었지만, 정작 핵융합에너지 발전의 핵심 요소인 초고온의 플라즈마를 발생시키고 가둘 수 있는 그릇을 만들지 못하였습니다. 지구 상 어디에도 1억℃를 견딜 수 있는 재료가 없었기 때문입니다.

 

 세계 유수의 과학자들이 머리를 맞댄 결과, 원자핵과 전자가 분리되어 전하를 띠는 플라즈마의 성질을 이용하여 강한 자기장으로 플라즈마를 공중부양 시키듯이 가두는 방법을 마침내 고안하게 되었죠. 



- 토카막의 탄생


 자기장이 있으면 플라즈마 입자가 자기장을 따라 나선을 그리듯 뱅뱅 돌면서 붙잡혀 있게 됩니다. 하지만 문제는 뱅뱅 돌며 움직이다 보면 언젠가 자기장의 영향권을 벗어난다는 점입니다. 따라서 자기장 영역의 시작과 끝을 단단히 밀봉할 수 있는 방법이 필요했죠.

 

 첫 번째로 과학자들이 떠올린 것은 양 옆을 묶어 놓은 사탕봉지 모양입니다. 자기장 영역의 양 끝에 가운데 자기장보다 훨씬 강력한 자기장을 가해주어 플라즈마 입자의 탈출을 막는 방법이었습니다. 자기장의 끝단으로 이동하던 입자가 더 강한 자기장에 의해 운동하던 방향과 반대 방향으로 움직이는 ‘반사’ 효과가 일어난다고 하여 ‘자기 거울’이라고 불렸습니다.

 

 두 번째는 ‘플라즈마 핀치’라는 방법이었습니다. 두 도선에 같은 방향의 전류를 흘려 서로 강하게 잡아당기는 인력이 발생하면 그 안에 플라즈마를 가두는 방식이었습니다. 하지만 ‘자기 거울’ 방식과 ‘플라즈마 핀치’ 방식 모두 플라즈마를 가두기에는 역부족이었죠. 천방지축 플라즈마는 아무리 잘 가두어 두려고 해도 막혀져 있는 입구를 뚫고 나가 흩어져 버렸기 때문입니다.



<좌> 자기거울  / <우> 플라즈마 핀치


 연구가 난항을 거듭하며 플라즈마 가두기에 지친 연구자들이 결국 떠올린 방법은 의외로 매우 간단했습니다. 아예 물리적으로 플라즈마가 빠져나갈 구멍 자체를 없애버리는 것이었죠. 일자로 펴져있던 자기장의 끝단을 서로 붙여 ‘도넛’ 형태를 만들면 자기장을 따라 움직이는 플라즈마는 출구 없는 트랙을 빙글빙글 돌게 될 테니까요!  

 


 달콤한 잼 대신에 초고온의 플라즈마를 가두고 있는 도넛을 상상하면 됩니다. 이렇게 만들어진 도넛 모양의 장치를 ‘토로이달 장치’라고 부르게 되었고, 토로이달 장치 중에서도 소련의 연구진들이 기존의 성과에 비해 몇 십 배 이상의 성능을 향상시켜 1968년에 새롭게 발표한 장치의 이름이 바로 ‘토.카.막’이었습니다.

 

 토로이드 자기장 구멍이라는 뜻의 러시아어 앞글자를 따서 만든 약자인 ‘토카막’이라는 이름의 장치는 핵융합 연구 분야에서 뛰어난 성과를 보여주며 놀라운 속도로 세계 핵융합 연구 장치의 표준으로 자리 잡았습니다.

 

 현재 우리나라의 초전도핵융합연구장치 KSTAR를 비롯하여 실존하는 대부분의 핵융합연구장치는 토카막 방식을 따르고 있으며, 7개국이 공동으로 프랑스 카다라쉬에 건설 중인 국제핵융합실험로 ITER 역시 토카막 방식으로 지어지고 있죠. 



 엘사 장갑과 토카막의 관계

 

 그렇다면 토카막과 겨울왕국 엘사 장갑은 도대체 무슨 상관이 있는 걸까요? 유머에 등장한 남자의 의견이 끝까지 언급되지는 않았지만, 우리가 살펴 본 토카막의 원리와 엘사의 장갑은 전혀 상관이 없어 보입니다. 혹시 KSTAR와 같은 초전도 토카막 운전에 필요한 영하 268도의 극저온 운전이나, 초고온 플라즈마를 가둘 수 있는 비밀인 자기장을 언급하고 싶었던 것일까요? 이어지는 대화는 알 수 없지만, 덕분에 토카막을 제대로 알아볼 수 있는 유머가 된 것은 확실합니다.

 

지금 그 커플은 어떻게 되었을까요?

첫 번째, 너무 진지한 공대생 스타일 답변 때문에 여자친구가 화나서 헤어졌다.

두 번째, 잘못된 정보를 알려줘서 여자친구가 화나서 헤어졌다.

세 번째, 그냥 헤어졌다.

 

여러분도 골라보세요^^




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댓글 1

  • 돌마 twitter
  • 2017-11-27 16:01
  • 2번!

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