플라스마와 핵융합
- KOSMOS KSA
- 7월 14일
- 1분 분량
플라스마란
우리가 주변에서 흔히 볼 수 있는 물질의 상태는 크게 고체, 기체, 액체가 있습니다. 플라스마는 이 셋에 해당되지 않는 4번째 상태로서, 지구에선 보기 어렵지만 우주 전체로 보면 가장 많은 양을 차지하는 물질의 상태입니다. 플라스마는 기체가 매우 큰 열 혹은 에너지를 받아서 일정 이상의 원자가 자신의 전자 중 일부 혹은 전부를 잃은 상태를 의미합니다. 플라스마는 마치 전하를 띄고 있는 기체처럼 행동하며, 다른 물질의 상태와는 다른 몇 가지 특징을 가지고 있습니다.
플라스마 주변에서 볼 수 있는 사례
우리 주변에서도 플라스마를 볼 수 있는 경우가 있습니다. 매우 큰 에너지가 한 순간에 방출되는 번개 주위에 플라스마가 생성됩니다. 또 다른 예시론, 태양에서 방출된 전하를 가진 입자가 대기 중의 기체 분자와 충돌하는 과정에서 발생하는 오로라도 플라스마가 생성되는 사례입니다. 우주적으론 태양과 같은 항성들이 플라스마로 이루어진 덩어리입니다.
우리 주변에서 활용하는 예시론 네온 사인이나 형광등 속에서 빛을 내는 데 활용하는 경우가 있습니다. 네온관 속의 기체가 고압의 전기에 의해 이온화되면서 플라스마가 상태가 될 때 빛을 방출하며, 이 특성을 통해 빛을 냅니다. 또한, 물질의 종류에 따라 내는 빛의 파장이 달라지기에 다양한 기체를 이용하면, 다양한 색깔의 빛을 내는 게 가능합니다.
플라스마의 특성
플라스마는 중성원자가 이온화되어 생긴 전자와 양이온으로 이루어져 있기에, 양이온과 전자의 총 전하량은 서로 비슷해서, 전체적으로는 중성인 준중성 상태입니다. 하지만 전자와 양이온이 분리된 상태이기에 그 둘 사이 상호작용에 의하여 양이온과 전자들이 집단적으로 행동하는 특징을 갖고 있습니다. 플라스마는 기체 원자가 이온화되면서 생긴 전자와 양이온이 같이 존재하기에, 플라스마는 전자기장 속에서 특수한 행동 양상을 보이며 전류 또한 흐를 수 있습니다. 특수한 경우로, 자기장 속에선 플라스마를 가두는 게 가능하여 주변과 접촉하지 못하게 할 수 있습니다. 또한, 플라스마 내 전하를 띈 입자들 사이 충돌로 전자기파를 방출하는 현상이 일어나기도 합니다.
세부적인 특성
1. 디바이 차폐
위에서 설명했듯이, 플라스마는 전하를 띄는 입자들로 이뤄져 있지만, 음전하를 띄는 전자와 양전하를 띄는 양이온의 총 전하량은 거의 똑같기 때문에, 전체적으론 중성 상태입니다. 이 상태에서 플라스마에 전기장이 가해지면, 플라스마 속 전하를 띄는 입자들은 전기장 속에서 힘을 받아 이동하게 됩니다. 그 결과, 양전하와 음전하가 전기장을 상쇄하는 쪽으로 배치되면서, 외부에서 가해진 전기장을 상쇄하는 효과가 나타나게 됩니다. 이런 식으로, 플라스마는 외부 전기장을 가리는 듯한 현상을 일으키며, 이 현상은 디바이 차폐라 불립니다.
플라스마에서 디바이 차폐가 일어나면 외부 전기장은 플라스마 속으로 들어감에 따라 전기장의 세기가 지수함수적으로 감소합니다. 전기장의 세기가 1/e배로 감소하기까지의 길이를 디바이 길이라 부르며, 디바이 길이가 짧아질수록 전기장은 플라스마 속에서 더욱 급격히 감쇄하게 됩니다. 온도가 높으면 높을수록 플라스마 속 입자가 더 활발히 움직여서, 전기장이 걸려도 더 넓은 범위로 움직일 수 있기에 차폐를 잘 하지 못하여 디바이 길이는 길어지게 됩니다. 반대로, 전하를 띈 입자의 밀도가 클수록 전기장 속에서 전기장을 상쇄하는 쪽으로 이동하게 되는 입자의 양이 증가해서 전기장이 더 급격히 약해지기에, 디바이 길이는 더 짧아집니다.
2. 자기장과 상호작용
플라스마 속에서 움직이는 전하를 띈 입자들은 자기장이 가해졌을 때 자신이 움직이는 방향에 수직한 방향으로 힘을 받습니다. 이 힘에 의해, 입자의 운동 방향이 휘어지면서 플라스마는 자기장 속에서 원운동을 하게 되며, 이러한 입자의 원운동 또한 자기장을 형성합니다. 이때, 이러한 입자의 원운동의 주파수는 사이클로트론 주파수라 불립니다. 앙페르 법칙에 의하여 이러한 전하를 띄는 입자의 운동은 자기장을 형성하게 되는데, 이 자기장은 처음에 주어진 방향과 반대방향으로 만들어집니다.
이때, 자기장 내부에 플라스마를 가두는 게 가능합니다. 플라스마를 도넛 모양의 토로이드 속에 넣은 후 강한 자기장을 토로이드에 발생시키면 플라스마 속의 이온과 전자들은 자기장을 따라 그 주변에서만 움직이도록 할 수 있습니다. 이를 통해, 플라스마를 어떤 물질과 접촉시키지 않은 상태로 자기장 주변으로 빠져나가지 못 하게 막을 수 있으며, 이를 자기장 가둠이라 부릅니다.
플라스마와 핵융합
최근 많은 에너지를 얻을 수 있으면서 오염을 방출시키지도 않을 수 있어, 꿈의 에너지로 평가 받고 있는 핵융합 발전엔 플라스마가 이용됩니다. 핵융합은 수소와 같은 가벼운 원자핵이 융합하여 무거운 원자핵으로 변할 때, 약간의 질량이 에너지로 변환되면서 많은 에너지를 내는 과정입니다. 전하가 (+)로 같은 원자핵끼리는 서로 강하게 밀어내기 때문에 핵융합은 매우 높은 온도의 플라스마가 필요합니다. 태양 중심의 핵은 압력이 매우 높아서 약 1500만K의 온도에서도 핵융합을 일으킬 수 있으나, 우리가 사는 지구에선 그 정도로 높은 압력을 구현하기 매우 어렵기 때문에, 약 1억K 이상의 온도를 가진 플라스마가 있어야 합니다. 이런 플라스마의 온도를 견딜 수 있는 물질은 존재하지 않기 때문에, 플라스마를 직접 가두는 게 아닌, 위에서 언급했듯이 자기장을 이용해 원하는 영역 내에 가두는 자기장 가둠 방식을 이용합니다.
플라스마의 통제
자기장 구속 방식은 플라스마를 물질과 접촉시키지 않을 수 있는 방식이지만, 안정적으로 플라스마를 통제하는 것은 아닙니다. 일부 에너지가 방출되어야 발전이 가능한 것은 맞지만, 너무 많은 에너지가 방출되면 발전기 자체에 손상을 입힐 수 있게 됩니다. 발전기의 손상을 막기 위해선, 플라스마를 가둘 진공 용기를 크게 만들어도 되지만, 용기가 커지면 커질수록 발전기의 가격이 비싸져서 상용화하기 어려워지게 됩니다. 그래서 핵융합 발전을 효율적으로 하기 위해선 좁은 공간에 최대한 많은 양의 플라스마를 안정적으로 통제할 수 있는 기술이 필요합니다. 플라스마를 효율적으로 다루기 위하여 핵융합 플라스마의 여러 물리량들을 잘 알 수 있어야 합니다.
플라스마의 정보
플라스마 속엔 무수히 많은 입자가 존재하며, 그러한 입자 모두의 운동을 각각 완벽히 알아내는 것은 불가능하며, 굳이 그럴 필요도 없습니다. 유체역학과 통계역학에서 기체를 다루는 것처럼, 플라스마 또한 어떠한 점 근처의 평균적인 입자들의 속도와 같은 물리량을 알아내는 식으로 분석할 수 있습니다. 여기에, 온도나 속도,밀도나 전하량과 같은 기본적인 정보 말고도 이런 기본적인 정보들을 곱하거나 조합해서 얻어지는 전류, 열 선속과 같은 다른 변수를 대신 활용할 수도 있습니다. 전류, 열 선속처럼 계의 상태를 압축적으로 이해할 수 있게 해주는 평균적인 값들을 물리 변수라 부릅니다. 이러한 물리변수는 시간과 위치에 따라 달라지는 값으로 나타나며, 위치에 따른 변수 값의 집합을 프로파일이라 부릅니다. 공간과 시간을 얼마나 잘게 쪼개느냐에 따라 정밀한 정도가 달라지며, 이러한 프로파일이 정밀한 정도를 해상도라 부릅니다. 플라스마의 정보를 얻을 때, 어느 정도의 해상도가 필요한 지는 상황에 따라 달라지며, 위치의 경우 수 밀리미터까지 필요해야 할 때도 있고 수 센티미터 정도만 알아도 될 때가 있으며, 시간의 경우 상황에 따라 수 초 정도의 정밀도면 충분할 때도 있으면서 어떨 땐 나노초 간격으로 알아야 할 필요도 있는 등 천차만별로 필요한 해상도가 갈리는 편입니다.
이러한 물리 변수들 중 플라스마 평형 상태의 유지에 필요한 전류, 경계면의 형태와 같은 물리 변수부터, 플라스마의 내부 불순물 농도나 내벽의 온도와 같은 에너지 방출에 대한 물리 변수와 같은 다양한 물리변수들이 핵융합로 제어에 필요하며, 국제핵융합 실험로, ITER에선 플라스마를 이해하기 위한 물리변수들의 정보를 45가지로 정리하고 있습니다.
플라스마는 고온, 고에너지 상태에서 생성되는 이온화된 기체와도 같은 상태입니다. 플라스마는 전기장을 차폐하는 디바이 차폐나 자기장 속에 갇히는 자기장 가둠이 가능하다는 등 전자기장 속에선 특수한 성질을 가지고 있습니다.
미래의 에너지원으로 꼽히는 핵융합로에선 플라스마를 통제하기 위하여 다양한 물리변수 측정을 위한 방법이 개발되고 있습니다.
이정인 학생기자 ㅣ Physics & Earth Science l 지식더하기
참고자료
[1] https://webzine.kps.or.kr/?p=5_view&idx=166911 [2] https://www.kfe.re.kr/menu.es;jsessionid=02F8AD415148E24F3BD64FDEF7684D69?mid=a10201010000
[3] https://www.impedans.com/docs/debye-length/
첨부 이미지 출처
[1] https://if-blog.tistory.com/5169 [2] https://m.dongascience.com/news.php?idx=26950
첨부한 동영상 출처
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