KR20060105402A - 핵융합 촉진 방법 및 이를 이용한 핵융합 장치 - Google Patents

핵융합 촉진 방법 및 이를 이용한 핵융합 장치 Download PDF

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KR20060105402A
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    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Abstract

본 발명은 연료 용기에 전하 캐리어를 포함하는 핵융합 액체 연료를 공급하는 단계; 제 1 교류 전류에 의해 상기 액체 연료가 공급된 연료 용기의 내부에 토로이달 자기장을 발생시키는 단계; 제 2 교류 전류에 의해 상기 액체 연료가 공급된 연료 용기의 내부에 상기 토로이달 자기장과 평행한 토로이달 전기장을 발생시키는 단계; 제 1 교류 전류 및 상기 제 2 교류 전류의 주파수 및 위상을 일치시키는 단계;를 포함하는 핵융합 촉진 방법, 그리고 이를 이용한 핵융합 솔레노이드 및 핵융합 리액터에 관한 것으로서, 토로이달 자기장 및 토로이달 전기장을 발생시키는 전류의 주파수 및 위상이 일치하는 것을 특징으로 함으로써, 상온 또는 저온 핵융합을 촉진하여 종래의 토카막 핵융합로보다 용이하게 핵융합이 이루어질 뿐만 아니라, 핵융합로의 소형화 및 액체 연료의 이용 등 그 취급이 용이한 핵융합 촉진 방법, 그리고 이를 이용한 핵융합 솔레노이드 및 핵융합 리액터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
핵융합로, 핵반응로, 토카막, 플라스마, 솔레노이드, 토로이드, 리액터, 토로이달 자기장, 토로이달 전기장, 회전변위

Description

핵융합 촉진 방법 및 이를 이용한 핵융합 장치{Method of promoting nuclear fusion and nuclear fusion devices thereby}
도 1은 종래의 토카막 핵융합로의 구성을 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 핵융합 촉진 방법을 나타내는 흐름도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핵융합 솔레노이드의 구성을 나타내는 개략도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵융합 리액터의 구성을 나타내는 개략도.
도 5는 도 4의 간극에 연료 용기가 장착된 상태를 나타내는 부분확대도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100: 종래의 토카막 핵융합로 110: 토로이달 자계용 절연코일
120: 플라스마 130: 플라스마 통과제한장치
140: 진공용기 150: 변압기 1차 코일
160: 변압기 코어
200: 핵융합 솔레노이드 220: 원통형 연료 용기
221: 용기 외층 222: 용기 내층
230: 하단 전극도체 240: 솔레노이드 절연코일
280: 입력 전선
281: 입력 전선의 제 1선 282: 입력 전선의 제 2선
400: 핵융합 리액터 410: C형 코어
411: 간극 420: 연료 용기
421: 용기 외층 422: 용기 내층
430: 토로이달 절연코일 431: 코일 연결부
440: 폴로이달 절연코일(또는 토로이달 자계용 절연코일)
450: 제 1 전극 도체 460: 제 2 전극 도체
480: 입력전선 481: 입력 전선의 제 1선
482: 입력 전선의 제 2선 490: 피복
θ: 간극의 중심각 Bt: 토로이달 자기장
Bp: 폴로이달 자기장 Et: 토로이달 전기장
Ri: 내면의 반경 Ro: 외면의 반경
본 발명은 상온 또는 저온 핵융합에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 토카막(tokamak) 핵융합로를 개량한 핵융합 촉진 방법, 그리고 이를 이용한 핵융합 솔레노이드 및 핵융합 리액터에 관한 것이다.
핵융합이라 함은 복수의, 통상적으로는 2개의 가벼운 핵이 서로 충돌하여 핵 사이의 강한 반발력을 극복하고 무거운 핵을 형성하도록 하는 현상 또는 과정을 말한다. 양성자로 인하여 양의 전하를 띤 핵들 사이에는 쿨롱의 힘이라 불리는 정전기적 척력이 작용하며, 핵들이 이러한 척력을 극복하고 중성자 등 소립자 간의 근거리력인 핵력이 작용할 수 있도록 충분히 근접하여야만 핵융합이 가능하다.
핵융합은 아주 높은 온도에서 전자와 핵(즉, 이온)이 분리된 채 고루 섞여 분포되어 있는 플라스마 상태에서 이루어진다. 핵융합이 가능한 고온 플라스마 상태는 매우 높은 온도를 요구하므로 현실적으로 불가능하다. 따라서 상온 핵융합 또는 저온 핵융합 방법 및 장치들의 실현을 위해 많은 노력이 투입되고 있으며 점차 그 가능성이 높아지고 있다. 이러한 상온 핵융합을 가능케 하는 방법으로서, 중력, 관성력을 이용하는 방법 등이 있으나, 현재까지는 전자기력을 이용하는 방법이 가장 유력하다. 전자기력을 이용하여 대전 입자를 가두는 감금시간, 즉 플라스마 상태의 지속시간을 늘릴수록 핵융합 반응의 가능성이 높아진다.
플라스마가 핵융합 반응을 일으키기 위한 시간보다 감금시간이 더 길어야만 하는 요건에 따라, 얼마나 큰 플라스마가 핵융합 반응로 내에 있어야 하는 가를 결정하는데, 현재 플라스마의 밀폐상태를 지속하기 위한 장치 및 방법으로서 충돌빔 핵융합로와 토카막 핵융합로가 있다
충돌빔 핵융합로에서는 배경 플라스마(background plasma)가 이온빔에 의해 포격되고 이러한 빔은 고온 플라스마보다 훨씬 큰 에너지를 갖는 이온을 포함한다. 이러한 형태의 핵융합로(또는 반응로)를 이용하여 핵융합 반응을 발생시키는 것은 배경 플라스마가 이온빔을 느리게 하기 때문에 실현 불가능하였으며, 이를 개선하기 위한 다양한 제안이 있었다.
플라스마의 밀폐시간을 연장하기 위해, 즉, 상온에서 핵융합 반응의 확률을 높이기 위해, 현재 활발히 연구 중에 있는 것이 토카막 핵융합로이다. 토카막은 1950년대 초반에 구소련의 물리학자 탐(Tamm) 과 사크하로프(Sakharov) 그리고 미국의 스피져(Spitzer)에 의해서 처음 제안되었다. 토카막이란 명칭은 토로이드, 카메라 및 마그네틱이 합성된 것으로서 토로이드형의(즉, 토로이달(toroidal)) 자장용기라는 뜻을 함축하고 있다. 한동안 토카막에 대한 별다른 성과가 없던 중에, 1968년 구소련의 노보시비리스크(Novosibirisk)에서 열린 제 3차 국제 플라스마 물리 및 핵융합 대회에 이르러 발표된 T-3 및 TM-3 토카막의 실험값들은 과거의 값들과 비교하여 월등한 것이었으며, 이러한 성과에 기초하여 그에 대한 연구가 활발히 진행되었다. 국내에서도 세계 최초로 초전도 자석을 적용한 토카막형 핵융합장치 'K－스타'를 개발중이며 오는 2007년 준공될 예정이다.
토카막의 원리는 자력선 회전변위를 만드는 전류를 플라스마 자체에 전류를 공급하여 해결하는 것이다. 도 1은 종래의 토카막 핵융합로(100)의 구성을 나타낸 개략도이다. 종래의 토카막 핵융합로(100)는 도 1에 나타낸 바와 같이 토로이달 자계용 절연코일(110)이 감긴 토러스 용기가 변압기 코어(160)를 중심으로 배치되어 있고, 토러스 용기 내에는 진공용기(140)와 플라스마 통과제한장치(130)가 설치되어 있다. 토러스 용기 내에 핵융합 연료를 넣고 변압기 1차 코일(150)에 충격적 펄스전류를 흘려주면 핵융합 연료는 강한 유도전류의 영향으로 전리되면서 플라스마 (120) 상태가 된다. 이와 더불어 용기의 토로이달 방향으로 강한 유도 전기장이 형성되면서 플라스마(120)에 전류가 흐르게 되고, 이 전류가 바로 회전변위를 주는 자기장을 만든다. 이렇게 토카막 장치에서 플라스마(120)에 흐르는 전류는 자력선의 회전변위, 자기우물, 자기단층 등을 형성시켜 플라스마의 평형 및 안정을 이룰 뿐만 아니라 동시에 플라스마(120)를 가열시키는 역할도 한다.
플라스마의 가열이라는 측면에서는, 플라스마에 흐르는 전류는 클수록 바람직하지만, 플라스마 전류는 밀폐된 플라스마의 자기유체의 안정성(MHD Stability)에 따른 안정 조건 중에서 Kruskal-Shafranov식이라 불리는 다음 수학식 1에 따른 제한을 받게 된다.
Figure 112005043585947-PAT00001
이 조건식은 플라스마 전류 Ip가 공간적으로 균일하게 분포되어 있다는 가정 하에서 유도된 것이며, 여기서 Bt는 토로이달 자기장을, Bp는 폴로이달 자기장을, 그리고 R 및 ρ는 원형 주반경 및 플라스마의 회전반경을 나타낸다. 안전인자 q는 ρ의 함수이며 플라스마 단면의 모든 회전반경 위치에서 1보다 커야 한다. 한 편, Bp는 플라스마 전류 Ip에 의한 자기장이므로 수학식 2와 같다
Figure 112005043585947-PAT00002
수학식 1 및 수학식 2로부터 안정성 조건식은 다음과 같이 쓸 수 있다.
Figure 112005043585947-PAT00003
즉, 토로이달 방향으로 흐르는 플라스마 전류가 수학식 3에서 주어진 범위를 초과하게 되면 자기유체 안정성 중에서 킹크형 불안정성이 극대화되어 플라스마는 순식간에 흩어지고 만다. 따라서 안정적인 토카막의 작동을 위해서는 플라스마 전류가 수학식 3에서 주어진 제한값 이내에서 구동되어야 한다. 실제의 토카막에서 q값은 플라스마 표면에서 3 내지 4, 그리고 중심부에서는 1 내지 1.5로 설계하는 것이 통상적이다.
이상과 같은 조건 외에도 자력선 곡률에 의한 불안정성과 관련된 조건인 Mercier조건, 자기장이 약한 곳으로 고무풍선처럼 부풀어오르는 현상, 그리고 플라스마의 전기저항 등 플라스마의 안정화와 관련된 여러가지 조건들을 만족시켜야 하는 제약이 있다. 특히, 열적 프로세스와 관련하여 플라스마의 치수가 현실적으로 커질 수 밖에 없으며 따라서 핵융합로의 크기가 커지게 되고, 전기에너지로 전환되는 효율이 낮다는 문제점을 수반한다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류에 의해 각각 핵융합 액체 연료 내에 서로 평행한 토로이달 자기장 및 토로이달 전기장을 발생시켜 핵융합을 촉진하며, 상기 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류를 하나의 입력 전력에 의해 직렬회로로 연결된 하나의 루프를 통하여 흐르게 함으로써 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류의 주파수 및 위상을 일치시키는 구성을 채택한다.
본 발명은 상기와 같은 구성을 채택함으로써, 회전하는 이온 간의 인력을 상호 보강하여 증가시켜 핵융합을 촉진하며, 특히 종래의 토카막과는 달리 플라스마상의 핵연료뿐만 아니라 이온 액체 상의 핵연료를 이용할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 핵융합 촉진 방법은, 연료 용기에 전하 캐리어를 포함하는 핵융합 액체 연료를 공급하는 단계; 제 1 교류 전류에 의해 액체 연료가 공급된 연료 용기의 내부에 토로이달 자기장을 발생시키는 단계; 제 2 교류 전류에 의해 액체 연료가 공급된 연료 용기의 내부에 토로이달 자기장과 평행한 토로이달 전기장을 발생시키는 단계; 및 제 1 교류 전류 및 제 2 교 류 전류의 주파수 및 위상을 일치시키는 단계;를 포함하여 구성된다.
본 발명의 다른 측면으로서, 상기 핵융합 촉진 방법을 이용하는 핵융합 솔레노이드는 핵융합 액체 연료를 수용하고 상면 및 하면이 개방된 원통형 연료 용기; 원통형 연료 용기의 하면을 밀폐하고 하단 전극을 형성하기 위한 하단 전극 도체; 제 1 교류 전류에 의해 원통형 연료 용기의 축과 평행한 토로이달 자기장을 발생시키기 위한, 원통형 연료 용기의 외면에 감기어 형성되는 솔레노이드 절연코일; 제 2 교류 전류에 의해 토로이달 자기장과 평행한 토로이달 전기장을 발생시키기 위한, 원통형 연료 용기의 상단에 형성되는 상단 전극 및 상기 하단 전극 도체에 형성되는 하단 전극; 및 상기 토로이달 자기장 및 토로이달 전기장을 발생시키는 전력 공급을 위한 입력전선;으로 구성되며, 솔레노이드 절연코일, 전극들 및 입력 전선이 직렬회로로 연결된 하나의 루프를 통하여 상기 제 1 교류 전류 및 상기 제 2 교류 전류가 흐르게 함으로써 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류의 주파수 및 위상이 일치하는 것을 기술적인 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면으로서, 상기 핵융합 촉진 방법을 이용하는 핵융합 리액터는 토러스 코어의 일부가 절개된 간극이 형성된 C형 코어; 핵융합 액체 연료를 수용하고 C형 코어의 간극에 장착되는, 상면이 개방된 연료 용기; 제 1 교류 전류에 의해 C형 코어의 C형의 축과 평행한 토로이달 자기장을 발생시키고, C형 코어의 외면에 촘촘히 감기어 형성되는 폴로이달 절연코일(토로이달 자계용 절연코일); 폴로이달 절연코일의 제 1단과 연결되고, C형 코어의 외면 및 폴로이달 절연코일 사이에서 C형 코어의 외면을 따라 C형으로 1회 이상 감기어 형성된 토로이달 절연 코일; 제 2 교류 전류에 의해 토로이달 자기장과 평행한 토로이달 전기장을 발생시키고, C형 코어 간극의 양 측면에 각각 형성되는 제 1 전극 및 제 2 전극; 및 토로이달 자기장 및 토로이달 전기장을 발생시키는 전력 공급을 위한 입력전선;을 포함하고, 폴로이달 절연코일, 토로이달 절연코일, 전극들 및 입력 전선이 직렬회로로 연결된 하나의 루프를 통하여, 상기 제 1 교류 전류 및 상기 제 2 교류 전류가 흐르게 함으로써 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류의 주파수 및 위상이 일치하는 것을 기술적인 특징으로 한다.
본 발명에 따른 핵융합로에서는, 연료 내의 전하 캐리어의 전리와 회전 전류의 가속을 위하여 전리와 회전변위를 일으키는 토로이달 전기장과 토로이달 자기장을 발생시키는 전류의 주파수 및 위상을 일치시킴으로써, 플라스마 또는 이온 액체에 강한 유도 흡인력이 작용한다. 여기서 흡인력이라 함은 하기에서 설명하는 바와 같이 회전 전류로 나타나는, 회전하고 있는 이온들간에 작용하는 인력으로 정의된다. 이 흡인력은 동일한 주파수 및 동일 위상의 전류에 의한 전기장 및 자기장에 의해 유도되었으므로 계속적으로 증가하여 핵 사이의 전자기적 반발력을 극복하고 핵융합에 이르게 된다.
2개의 평행한 필라멘트 전류 사이에 작용하는 힘 F는 수학식 4로 표현된다.
Figure 112005043585947-PAT00004
여기서, r은 폴로이달 원형 전류의 회전반경이고, I1 및 I2 는 회전변위를 주는 토로이달 자기장 Bt에 의해 생기는 전류들로서 종래 토카막에 관한 수학식 2의 Ip와 달리 수학식 5로 나타낼 수 있다.
Figure 112005043585947-PAT00005
여기서 Iin는 입력전류이며, N은 폴로이달 절연코일의 감긴 횟수이다. 한편, 회전변위를 주는 토로이달 자기장 Bt(수학식 3에서)는 수학식 6으로 쓸 수 있다.
Figure 112005043585947-PAT00006
여기서 Bt에 의해 생기는 전류를 I라고 하면, 폴로이달 원형 플라스마의 단면반경 r는 0에 가까이 가고, Bt에 의해 생기는 전류 I에 관한 수학식 7에서 알 수 있듯이 전류 I는 광속 c에 수렴한다.
Figure 112005043585947-PAT00007
도 3의 핵융합 솔레노이드의 경우에, 수학식 7에서 Y는 어드미턴스, a는 전 도율, A는 솔레노이드 종단면의 절반에 해당하는 면적, r은 상기한 바와 같이 폴로이달 회전 전류의 단면 반경이다.
플라스마 또는 이온 액체에서 토로이달 전기장과 토로이달 자기장에 의해 생기는 전리 및 회전에 의한 흡인력은 주파수 및 위상의 동조로 매우 커지게 된다. 흡인력은 핵 간의 전기적 반발력을 넘어 핵융합에 이르고 질량결손에 의한 아인 슈타인의 특수상대성이론상의 에너지 E=mc2에 상당하는 에너지가 발생한다.
이하에서는 바람직한 실시예를 나타낸 첨부도면을 참조하여, 본 발명에 따른 핵융합 촉진 방법, 그리고 이를 이용한 핵융합 솔레노이드 및 핵융합 리액터를 더욱 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 핵융합 촉진 방법을 나타내는 흐름도이며, 도 3 및 도 4는 발명의 실시예에 따른 핵융합 솔레노이드 및 핵융합 리액터의 구성을 나타내는 개략도들이고, 도 5는 도 4의 간극에 연료 용기가 장착된 상태를 나타내는 부분확대도이다.
도 2의 흐름도에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 핵융합 촉진 방법은, 연료 용기에 전하 캐리어를 포함하는 핵융합 액체 연료를 공급하는 단계(S1); 제 1 교류 전류에 의해 상기 액체 연료가 공급된 연료 용기의 내부에 토로이달 자기장(Bt)을 발생시키는 단계(S2); 제 2 교류 전류에 의해 상기 액체 연료가 공급된 연료 용기의 내부에 토로이달 자기장(Bt)과 평행한 토로이달 전기장(Et)을 발생시키는 단계(S3); 및 제 1 교류 전류 및 상기 제 2 교류 전류의 주파수 및 위상을 일치시키는 단계(S4);로 이루어진다.
여기서, 토로이달 자기장(Bt)을 발생시키는 단계(S2)는 솔레노이드 절연코일(240) 또는 폴로이달 절연코일(440)을 이용하는 단계인 것이 바람직하며, 주파수 및 위상을 일치시키는 단계(S4)는 직렬회로로 연결된 하나의 루프를 통하여 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류를 흐르게 함으로써 수행될 수 있다.
이러한 핵융합 촉진 방법의 특징은, 본 발명의 다른 측면인 핵융합 솔레노이드 및 핵융합 리액터에 대한 이하의 상세한 설명에 의하여 더욱 명확해질 것이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핵융합 솔레노이드(200)는, 핵융합 액체 연료를 수용하고 상면 및 하면이 개방된 원통형 연료 용기(220); 원통형 연료 용기(220)의 하면을 밀폐하고 하단 전극을 형성하기 위한 하단 전극 도체(230); 제 1 교류 전류에 의해 원통형 연료 용기(220)의 축과 평행한 토로이달 자기장(Bt)을 발생시키기 위한 것으로서, 원통형 연료 용기(220)의 외면에 감기어 형성되는 솔레노이드 절연코일(240); 제 2 교류 전류에 의해 상기 토로이달 자기장(Bt)과 평행한 토로이달 전기장(Et)을 발생시키기 위한 것으로서, 원통형 연료 용기(220)의 상단에 형성되는 상단 전극 및 상기 하단 전극 도체(230)에 형성되는 하단 전극; 및 토로이달 자기장(Bt) 및 토로이달 전기장(Et)을 발생시키는 전력 공급을 위한 입력전선(280);을 포함하고, 이와 같은 솔레노이드 절연코일(240), 전극들 및 입력 전선(280)이 직렬회로로 연결된 하나의 루프를 통하여 상기 제 1 교류 전류 및 상기 제 2 교류 전류가 흐름으로써 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류의 주파수 및 위상이 일치하는 것을 기술적인 특징으로 한다.
원통형 연료 용기(220)는 핵융합 액체 연료를 수용하기 위한 것으로서, 상면 및 하면이 개방되고 속이 빈 형태이며, 하단 전극도체(230)에 의해 형성되는 하부 전극이 원통형 연료 용기(220)의 하면에만 특정될 수 있도록 절연 기능뿐만 아니라, 방수, 방온 등의 기능을 가져야 한다. 이러한 기능을 갖도록 용기 외층(221)은 석면으로 용기 내층(222)은 장석, 규석, 백토 성분으로 된 통상의 사기로 형성되는 것이 바람직하다.
원통형 연료 용기(220)는 내면의 지름이 30 ~ 60 cm의 소형으로 형성되는 것이 가능하며, 이 경우 최대 전압 1000 볼트 및 최대 전류 5 암페어의 교류 전력이 공급되고 촘촘히 감긴 솔레노이드 절연코일(240)의 턴수는 4000회 이상인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 이용되는 액체 연료는 전하 캐리어를 포함하는 전해질 용액이나 플라스마 등이어야 하며, 예를 들어 소금물과 같이 알칼리 이온을 포함하는 수용액 또는 수산화 리튬 수용액 등이 이용될 수 있다.
하단 전극 도체(230)는 원통형 연료 용기(220)의 하면을 밀폐함과 동시에 하단 전극을 형성하기 위한 것이다. 전극 도체 내에서의 저항성 소모를 줄이고 도체의 전극 외면에 수직한 토로이달 전기장 및 자기장을 발생시키기 위하여 도체의 전도율 및 투자율은 모두 클수록 바람직하다. 본 실시예에서는 알루미늄 또는 열처리된 규소강판을 사용하였다.
솔레노이드 절연코일(240)은 제 1 교류 전류에 의해 원통형 연료 용기(220)의 축과 평행한 토로이달 자기장을 발생시키기 위한 것으로서, 원통형 연료 용기 (220)의 외면에 단권형으로 촘촘히 감기는 것이 바람직하다.
입력 전선(280)은 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류에 의해 토로이달 자기장 및 토로이달 전기장을 발생시키기 위한 전력의 공급선으로서 도 3에 도시되지 않은 전력 공급장치에 연결된다.
제 2 교류 전류에 의해 토로이달 전기장을 발생시키기 위한 상단 전극 및 하단 전극은, 토로이달 전기장이 원통형 연료 용기(220)의 축과 평행한 방향으로 발생되도록 형성되어야 한다. 이를 위하여, 상단 전극은 입력 전선(280)의 제 1선(281)을 원통형 연료 용기(220) 내부에 수용된 액체 연료의 상부에 침잠시킴으로써 형성되고, 하단 전극은 입력 전선(280)의 제 2선(282)과 솔레노이드 절연코일(240)의 제 1단을 연결하고, 솔레노이드 절연코일(240)의 제 2단을 하단 전극 도체(230)에 접속시킴으로써 형성된다. 이러한 전극들은 원통형 연료 용기(220)의 축과 평행한 토로이달 전기장을 발생시키는 구조이면 충분하며 본 실시예에서 개시된 구조에만 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 솔레노이드 절연코일(240), 전극들 및 입력 전선(280)이 직렬회로로 연결된 하나의 루프를 통하여 상기 제 1 교류 전류 및 상기 제 2 교류 전류가 흐름으로써 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류의 주파수 및 위상이 일치하게 된다. 그 결과 토로이달 자기장 및 토로이달 전기장에 의하여 상기 설명한 바와 같이 플라스마 또는 이온 액체에는 강한 흡인력이 작용하게 된다.
본 실시예에서, 상기와 같이 형성된 상단 전극은 평행판 형태인 하단 전극과는 달리 용기 상단 근처의 액체 연료 내에 형성되므로 양 전극에 의해 형성되는 전 기장은 엄격하게는 원통형 연료 용기(220)의 축과 평행하지는 않으나, 상부 전극이 형성된 지점에서 아래로 갈수록 실질적으로 평행한 전기력선이 형성된다.
도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 핵융합 리액터(400)는, 토러스 코어의 일부가 절개된 간극(411)이 형성된 C형 코어(410); 핵융합 액체 연료를 수용하고 C형 코어(410)의 간극(411)에 장착되는, 상면이 개방된 연료 용기(420); 제 1 교류 전류에 의해 C형 코어(410)의 C형의 축과 평행한 토로이달 자기장(Bt)을 발생시키고, C형 코어(410)의 외면에 촘촘히 감기어 형성되는 폴로이달 절연코일(440); 폴로이달 절연코일(440)의 제 1단과 연결되고, C형 코어(410)의 외면 및 폴로이달 절연코일(440) 사이에서 C형 코어(410)의 외면을 따라 C형으로 1회 이상 감기어 형성된 토로이달 절연코일(430); 제 2 교류 전류에 의해 토로이달 자기장(Bt)과 평행한 토로이달 전기장(Et)을 발생시키고, C형 코어 간극(411)의 양 측면에 각각 형성되는 제 1 전극 및 제 2 전극; 및 토로이달 자기장(Bt) 및 토로이달 전기장(Et)을 발생시키는 전력 공급을 위한 입력전선(480);을 포함하고, 이와 같은 폴로이달 절연코일(440), 토로이달 절연코일(430), 전극들 및 입력 전선(480)이 직렬회로로 연결된 하나의 루프를 통하여 상기 제 1 교류 전류 및 상기 제 2 교류 전류가 흐르게 함으로써 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류의 주파수 및 위상이 일치하는 것을 기술적인 특징으로 한다.
C형 코어(410)는 토러스 코어의 일부가 절개된 간극(411)이 형성된 것으로서, 폴로이달 절연코일(440)에 의한 자속이 C형 코어 내에 구속될 수 있도록 투자 율이 큰 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 간극(411)은 중심각(θ)(코어의 중심에서 바라본 간극의 각도)이 5 ~ 20도인 것이 바람직하며, C형 코어(410)를 많이 절개하여 더 큰 간극을 형성하면 토로이달 자기장의 자속이 누설되고, 또한 간극 내에서 원하는 방향의 토로이달 자기장을 형성하기가 곤란하다.
연료 용기(420)는 핵융합 액체 연료를 수용하고, 핵융합로의 작동시 C형 코어(410)에 형성된 간극(411)에 장착되며 상면이 개방되어 있다. 연료 용기(420)가 C형 코어(410)의 간극(411)에 장착된 상태에서, 전극 도체들(450, 460)이 부착되는 연료 용기(420)의 측면들은 C형 코어(410) 및 폴로이달 절연코일(440)에 의한 토로이달 자기장이 수직으로 입사되어야 한다. 용기 외층(421) 및 용기 내층(422)으로 형성된 연료 용기의 복층 구조는 도 3의 핵융합 솔레노이드(200)와 관련하여 상기 설명한 바와 같다.
폴로이달 절연코일(440)은 제 1 교류 전류에 의해 상기 C형 코어(410)의 C형의 축과 평행한 토로이달 자기장을 발생시키기 위한 것으로서, C형 코어(410)의 외면에 촘촘히 감기어 형성된다. 외면의 반경(R0)이 200mm, 내면의 반경(Ri)이 150mm, 높이가 100mm인 C형 코어(410)의 경우 촘촘히 감긴 폴로이달 절연코일(440)의 턴수는 4000회 이상이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
토로이달 절연코일(430)은 폴로이달 절연코일(440)의 제 1단과 코일연결부(431) 위치에서 연결되고, C형 코어(410)의 외면을 따라 C형으로 크게 1회 이상 감기어 형성된다. 토로이달 절연코일(430)은 촘촘히 감긴 폴로이달 절연코일(440)과 C형 코어의 외면 사이에 위치하며, 폴로이달 절연코일(440)과 전기적으로 절연되어 있다.
이와 같이 토로이달 절연코일(430)이 C형 코어(410) 외면의 원주를 따라 1회 이상 감기어 형성되고, 그 외부에 폴로이달 절연코일(440)이 촘촘하게 감기어 형성된 후, 리액터의 보호 등을 위하여 피복(490)을 입히는 것이 바람직하다.
제 1 전극 및 제 2 전극은 제 2 교류 전류에 의해 상기 토로이달 자기장과 평행한 토로이달 전기장을 발생시키기 위한 것으로서, C형 코어 간극(411)의 양 측면에 각각 형성된다.
도 5는 바람직한 실시예로서 간극(411)에 장착되는 연료 용기(420)의 내부의 양 측면 중앙에 제 1 전극 및 제 2 전극을 형성하기 위한 스트립 형태의 제 1 전극 도체(450) 및 제 2 전극 도체(460)를 부착한 것을 나타낸다. 절연코일(430,440) 및 전극 도체(450, 460)는 도체의 전도율 및 투자율이 모두 클수록 바람직하며, 본 실시예에서는 알루미늄 또는 열처리된 규소강판을 사용하였다.
입력 전선(480)은 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류에 의해 토로이달 자기장 및 토로이달 전기장을 발생시키기 위한 전력의 공급선으로서 도 4 및 도 5에 도시되지 않은 전력 공급장치에 연결된다.
제 2 교류 전류에 의해 토로이달 전기장(Et)을 발생시키기 위한 제 1 전극 및 제 2 전극은, 토로이달 전기장이 연료 용기(420) 내부에서 C형 코어의 C형 축과 평행한 방향으로 발생할 수 있도록 형성되어야 한다. 이를 위하여, 제 1 전극은 상기 입력 전선(480)의 제 1선(481)을 상기 연료 용기(420)의 제 1 측면에 부착된 제 1 전극 도체(450)에 접속함으로써 형성된다. 그리고, 제 2 전극은 상기 입력 전선(480)의 제 2선(482)과 상기 폴로이달 절연코일(440)의 제 2단을 연결하고, 상기 폴로이달 절연코일(440)의 제 1단을 상기 토로이달 절연코일의 제 1단에 연결하며, 상기 토로이달 절연코일의 제 2단을 상기 연료 용기(420)의 제 2 측면에 부착된 제 2 전극 도체(460)에 접속함으로써 형성된다. 이러한 전극들은 토로이달 자기장과 평행한 토로이달 전기장을 발생시키는 구조이면 충분하며 본 실시예에서 개시된 구조에만 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 폴로이달 절연코일(440), 토로이달 절연코일(430), 전극들 및 입력 전선(480)이 직렬회로로 연결된 하나의 루프를 통하여, 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류가 흐르게 함으로써 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류의 주파수 및 위상이 일치하여 상기 설명한 바와 같이 플라스마 또는 이온 액체에는 강한 흡인력이 작용하게 된다.
상기 설명한 핵융합 솔레노이드 및 핵융합 리액터, 그리고 그 변형 장치들은 핵융합에 의한 에너지를 발생시킨다. 이러한 에너지는 빛에너지 및 열에너지의 형태로 개방된 용기 상면을 통하여 발산되며, 그 크기는 입력 에너지의 2배 이상으로서 점진적인 개량에 의해 효율이 크게 증대될 수 있을 것이다. 따라서, 이러한 핵융합로들은 연료 용기의 개방된 상면에 집광판을 설치하여 발전시스템으로 구성하거나 조명시스템에서 안정기의 열을 빛에너지로 전환하는 방식으로 유용하게 이용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 핵융합 촉진 방법, 그리고 이를 이용한 핵융합 솔레노이드 및 핵융합 리액터는 토로이달 자기장 및 토로이달 전기장을 발생시키는 전류들의 주파수 및 위상을 일치시키기 위하여, 하나의 입력 전력에 의해 직렬회로로 연결된 하나의 루프를 통하여 전류가 흐르게 하는 것을 기술적인 특징으로 함으로써, 다음과 같은 장점 및 특성을 갖는다.
상기 설명한 바와 같이 본 발명은 현재 활발히 연구 중에 있는 토카막형 핵융합로를 개량한 것으로서, 종래의 토카막 핵융합로에 비하여 핵융합이 촉진되며, 토카막 핵융합로의 크기가 비교적 클 수 밖에 없으며 전기에너지로의 변환시 열효율이 작다는 단점을 개선한 획기적인 전력 생산 수단을 제공하고 있다. 본 발명은 널리 알려진 핵융합 발전의 장점을 그대로 가지면서도, 소형의 핵융합로의 제작을 가능케하여 다양한 용도의 전력생산수단을 제공하며, 특히 기체상의 연료뿐만 아니라 액체상태의 연료를 사용가능하게 함으로써 그 취급이 종래에 비해 매우 용이한 장치를 제공한다는 장점을 갖는다. 또한, 핵융합 리액터는 조명시스템에서 안정기의 열을 빛에너지로 전환하는 방식으로 유용하게 이용될 수 있다
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌으나, 이러한 실시예는 본 발명을 더욱 명확히 개시하기 위한 것이며, 본 명세서 및 도면에 기재된 사항의 범위에서 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다 할 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본 명세서 및 도면에 기재된 사항 및 그 기재에 의하여 당업자가 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 이러한 수정이나 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (13)

  1. 연료 용기에 전하 캐리어를 포함하는 핵융합 액체 연료를 공급하는 단계(S1);
    제 1 교류 전류에 의해 상기 액체 연료가 공급된 연료 용기의 내부에 토로이달 자기장(Bt)을 발생시키는 단계(S2);
    제 2 교류 전류에 의해 상기 액체 연료가 공급된 연료 용기의 내부에 상기 토로이달 자기장(Bt)과 평행한 토로이달 전기장(Et)을 발생시키는 단계(S3); 및
    상기 제 1 교류 전류 및 상기 제 2 교류 전류의 주파수 및 위상을 일치시키는 단계(S4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵융합 촉진 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 토로이달 자기장(Bt)을 발생시키는 단계(S2)는 솔레노이드 절연코일(240) 또는 폴로이달 절연코일(440)을 이용하는 단계인 것을 특징으로 하는 핵융합 촉진 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 주파수 및 위상을 일치시키는 단계(S4)는, 직렬회로로 연결된 하나의 루프를 통하여 상기 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류를 흐르게 하는 단계인 것을 특징으로 하는 핵융합 촉진 방법.
  4. 핵융합 액체 연료를 수용하고 상면 및 하면이 개방된 원통형 연료 용기(220);
    상기 원통형 연료 용기(220)의 하면을 밀폐하고 하단 전극을 형성하기 위한 하단 전극 도체(230);
    제 1 교류 전류에 의해 원통형 연료 용기(220)의 축과 평행한 토로이달 자기장(Bt)을 발생시키기 위한 것으로서, 상기 원통형 연료 용기(220)의 외면에 감기어 형성되는 솔레노이드 절연코일(240);
    제 2 교류 전류에 의해 상기 토로이달 자기장(Bt)과 평행한 토로이달 전기장(Et)을 발생시키기 위한 것으로서, 상기 원통형 연료 용기(220)의 상단에 형성되는 상단 전극 및 상기 하단 전극 도체(230)에 형성되는 하단 전극; 및
    상기 토로이달 자기장(Bt) 및 토로이달 전기장(Et)을 발생시키는 전력 공급을 위한 입력전선(280);을 포함하고,
    상기 솔레노이드 절연코일(240), 전극들 및 입력 전선(280)이 직렬회로로 연결된 하나의 루프를 통하여 상기 제 1 교류 전류 및 상기 제 2 교류 전류가 흐르게 함으로써 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류의 주파수 및 위상이 일치하는 것을 특징으로 하는 핵융합 솔레노이드.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 상단 전극은 상기 입력 전선(280)의 제 1선(281)을 상기 원통형 연료 용기(220) 내부에 수용된 연료의 상부에 침잠시킴으로써 형성되고,
    상기 하단 전극은 상기 입력 전선(280)의 제 2선(282)과 상기 솔레노이드 절연코일(240)의 제 1단을 연결하고 상기 솔레노이드 절연코일(240)의 제 2단을 상기 하단 전극 도체(230)에 접속시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 핵융합 솔레노이드.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 원통형 연료 용기(220)는 절연 및 방온을 위하여 용기 외층(221) 및 용기 내층(222)의 복층으로 형성된 것을 특징으로 하는 핵융합 솔레노이드.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 용기 외층(221)은 석면으로 형성되고 상기 용기 내층(222)은 사기로 형성되는 것을 특징으로 하는 핵융합 솔레노이드.
  8. 제 4항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원통형 연료 용기(220)는 내면의 지름이 30 ~ 60 cm인 것을 특징으로 하는 핵융합 솔레노이드.
  9. 토러스 코어의 일부가 절개된 간극(411)이 형성된 C형 코어(410);
    핵융합 액체 연료를 수용하고 상기 C형 코어(410)의 간극(411)에 장착되는, 상면이 개방된 연료 용기(420);
    제 1 교류 전류에 의해 상기 C형 코어(410)의 C형의 축과 평행한 토로이달 자기장(Bt)을 발생시키기 위한 것으로서, C형 코어(410)의 외면에 촘촘히 감기어 형성되는 폴로이달 절연코일(440);
    상기 폴로이달 절연코일(440)의 제 1단과 연결되고, C형 코어(410)의 외면 및 폴로이달 절연코일(440) 사이에서 C형 코어(410)의 외면을 따라 C형으로 1회 이상 감기어 형성된 토로이달 절연코일(430);
    제 2 교류 전류에 의해 상기 토로이달 자기장과 평행한 토로이달 전기장(Et)을 발생시키기 위한 것으로서, 상기 C형 코어 간극(411)의 양 측면에 각각 형성되는 제 1 전극 및 제 2 전극; 및
    상기 토로이달 자기장(Bt) 및 토로이달 전기장(Et)을 발생시키는 전력 공급을 위한 입력전선(480);을 포함하고,
    상기 폴로이달 절연코일(440), 토로이달 절연코일(430), 전극들 및 입력 전선(480)이 직렬회로로 연결된 하나의 루프를 통하여, 상기 제 1 교류 전류 및 상기 제 2 교류 전류가 흐르게 함으로써 제 1 교류 전류 및 제 2 교류 전류의 주파수 및 위상이 일치하는 것을 특징으로 하는 핵융합 리액터.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 상기 입력 전선(480)의 제 1선(481)을 상기 연료 용기(420)의 제 1 측면에 부착된 제 1 전극 도체(450)에 접속함으로써 형성되고,
    상기 제 2 전극은 상기 입력 전선(480)의 제 2선(482)과 상기 폴로이달 절연코일(440)의 제 2단을 연결하고, 상기 폴로이달 절연코일(440)의 제 1단을 상기 토로이달 절연코일의 제 1단에 연결하며, 상기 토로이달 절연코일(430)의 제 2단을 상기 연료 용기(420)의 제 2 측면에 부착된 제 2 전극 도체(460)에 접속함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 핵융합 리액터.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 연료 용기(420)는 절연 및 방온을 위하여 용기 외층(421) 및 용기 내층(422)의 복층으로 형성된 것을 특징으로 하는 핵융합 리액터.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 용기 외층(421)은 석면으로 형성되고 상기 용기 내층(422)은 사기로 형성되는 것을 특징으로 하는 핵융합 리액터.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 C형 코어(410)의 간극은 중심각(θ)이 5 ~ 20도인 것을 특징으로 하는 핵융합 리액터.
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