# 퓨저

자작 퓨저
**퓨저**(fusor)는 전기장을 사용하여 이온을 핵융합이 일어나는 온도까지 가열하는 장치다. 이 기계는 진공 상태에서 두 개의 금속 케이지 사이에 전위차를 유도한다. 양이온은 이 전압 강하를 따라 떨어지며 속도를 높인다. 이들이 중앙에서 충돌하면 서로 융합할 수 있다. 이것은 핵융합 연구의 한 분야인 관성 정전 봉입 장치의 일종이다.

판즈워스-허시 퓨저가 가장 일반적인 형태의 퓨저다. 이 설계는 1964년 필로 판즈워스와 1967년 로버트 L. 허시의 연구에서 비롯되었다. 변형된 형태의 퓨저는 이전에 로스앨러모스 국립연구소의 윌리엄 엘모어, 제임스 L. 턱, 그리고 켄 왓슨에 의해 제안된 바 있으나, 그들은 실제로 기계를 제작하지는 않았다.

퓨저는 다양한 기관에서 제작되었다. 여기에는 위스콘신 대학교 매디슨, 매사추세츠 공과대학교와 같은 학술 기관과 이란 원자력 기구 및 터키 원자력청과 같은 정부 기관이 포함된다. 퓨저는 또한 다임러크라이슬러 에어로스페이스에 의해 중성자원으로, 그리고 의료용 동위 원소를 생성하는 방법으로 상업적으로 개발되기도 했다. 퓨저는 취미 활동가와 아마추어들 사이에서도 매우 인기를 끌게 되었다. 점점 더 많은 아마추어들이 단순한 퓨저 장치를 사용하여 핵융합을 수행해 왔다. 그러나 과학자들은 퓨저를 대규모 에너지 생산을 위한 실행 가능한 개념으로 간주하지 않는다.

## 작동 원리

### 기초 물리학

핵융합은 원자핵이 핵력에 의해 하나의 더 큰 핵으로 합쳐질 수 있는 거리까지 접근할 때 발생한다. 이러한 근접을 방해하는 것은 원자핵 속의 양전하들로, 이들은 정전기력으로 인해 서로를 밀어낸다. 핵융합 사건을 일으키려면 원자핵이 이러한 쿨롱 장벽을 극복할 수 있을 만큼 충분히 큰 초기 에너지를 가져야 한다. 핵력은 핵자(양성자와 중성자)의 수에 따라 증가하고 전자기력은 양성자의 수에 따라서만 증가하므로, 가장 융합하기 쉬운 원자는 중성자가 하나인 중수소와 두 개인 삼중수소와 같은 수소의 동위 원소다. 수소 연료의 경우, 반응이 일어나기 위해서는 약 3에서 10 keV가 필요하다.

핵융합 발전에 대한 전통적인 접근 방식은 일반적으로 연료를 가열하여 그 결과로 나타나는 에너지의 맥스웰-볼츠만 분포가 충분히 높아져서, 긴 꼬리 부분에 있는 일부 입자들이 필요한 에너지를 갖도록 시도한다. 이 경우 충분히 높다는 것은 핵융합 반응의 속도가 환경으로의 에너지 손실을 상쇄할 만큼 충분한 에너지를 생산하여, 주변 연료를 동일한 온도로 가열하고 점화라고 알려진 자립 반응을 생성하는 정도를 의미한다. 계산에 따르면 이는 약 5,000만 켈빈(K)에서 발생하지만, 실제 기계에서는 1억 K 정도의 더 높은 수치가 바람직하다. 극도로 높은 온도 때문에 핵융합 반응은 열핵 반응이라고도 불린다.

원자가 수천 도에 해당하는 온도로 가열되면 전자는 원자핵으로부터 점점 더 자유로워진다. 이는 이온이라고 알려진 자유 원자핵과 이전의 전자들로 구성된 플라스마라는 기체와 유사한 물질 상태로 이어진다. 플라스마는 자유롭게 움직이는 전하로 구성되어 있으므로 자기장과 전기장을 사용하여 제어할 수 있다. 핵융합 장치는 이러한 능력을 사용하여 연료를 수백만 도의 온도로 유지한다.

### 퓨저 개념

퓨저는 이온을 서로를 향해 직접 가속시켜 연료에 핵융합에 적합한 에너지를 부여하려는 더 넓은 부류의 장치 중 하나다. 퓨저의 경우, 이는 정전기력을 통해 달성된다. ±1 전하의 이온이 가속되는 모든 볼트당 1 전자볼트의 에너지를 얻는다. 필요한 약 10 keV에 도달하려면 두 입자 모두에 10 kV의 전압을 가해야 한다. 비교하자면, 일반적인 텔레비전 음극선관의 전자총은 3에서 6 kV 정도이므로 이러한 장치의 복잡성은 상당히 제한적이다. 여러 가지 이유로 15 keV 정도의 에너지가 사용된다. 이는 일반적인 자기 봉입 핵융합 플라스마 온도인 약 1억 7,400만 켈빈에서의 평균 운동 에너지에 해당한다.

이러한 충돌 빔 핵융합 방식의 문제점은 일반적으로 이온이 아무리 정확하게 겨냥되더라도 서로 부딪히지 않을 가능성이 매우 높다는 것이다. 아주 사소한 어긋남만으로도 입자들은 산란되어 융합에 실패하게 된다. 산란 확률이 핵융합률보다 수십 배 더 높다는 것은 간단히 증명할 수 있으며, 이는 이온에 공급된 에너지의 대다수가 낭비되고 발생하는 핵융합 반응이 이러한 손실을 보충할 수 없음을 의미한다. 에너지가 양수가 되려면 핵융합 장치는 이들이 융합할 수 있는 수천 번 또는 수백만 번의 기회를 가질 수 있도록 이 이온들을 연료 덩어리로 다시 재활용해야 하며, 이 기간 동안 그들의 에너지는 가능한 한 많이 유지되어야 한다.

퓨저는 구형으로 배치된 가속기 그리드 시스템을 통해 이 요구 사항을 충족하려고 시도한다. 융합에 실패한 이온은 장치의 중앙을 통과하여 반대편의 가속기로 돌아가고, 거기서 다시 중앙을 향해 가속된다. 이 동작에서 에너지는 손실되지 않으며, 이론적으로 그리드 와이어가 무한히 가늘다고 가정하면 이온은 추가 에너지 필요 없이 영원히 순환할 수 있다. 산란되는 이온들조차 단순히 새로운 궤적을 취하여 새로운 지점에서 그리드를 빠져나와 다시 중앙으로 가속됨으로써, 결국 핵융합 사건이 일어나기 위해 필요한 순환을 제공한다.

퓨저의 핵융합 기본 메커니즘. (1) 퓨저는 두 개의 동심원 와이어 케이지를 포함한다: 음극(캐소드)이 양극(애노드) 안에 있다. (2) 양이온은 내부의 음극에 끌려 전압 강하를 따라 떨어지며 에너지를 얻는다. (3) 이온은 내부 케이지를 지나쳐 중성 반응 구역으로 들어간다. (4) 이온들은 중앙에서 충돌하여 융합할 수 있다.
### 손실

퓨저의 실제 가동 순서를 고려하는 것이 결과적인 작동을 이해하는 데 중요하다. 보통 시스템은 진공 상태로 펌핑된 다음 적은 양의 가스가 진공 챔버 내부로 주입된다. 이 가스는 부피를 채우기 위해 퍼져 나간다. 전극에 전압이 가해지면 그 사이의 원자들은 이온화되어 안쪽으로 가속되게 하는 전기장을 경험한다. 원자들이 처음에 무작위로 분포되어 있기 때문에 그들이 얻는 에너지의 양은 제각각이다. 처음에 양극 근처에 있던 원자들은 가해진 전압의 큰 부분, 예를 들어 15 keV를 얻게 된다. 처음에 음극 근처에 있던 원자들은 훨씬 적은 에너지를 얻으며, 이는 중앙 반응 구역의 반대편에 있는 대응물과 핵융합을 일으키기에는 너무 낮을 가능성이 크다.

가동 초기 기간 동안 내부 구역에 있는 연료 원자들은 이온화되지 않는다. 가속된 이온은 이들과 산란되어 에너지를 잃는 동시에 이전의 차가운 원자를 이온화한다. 이 과정과 다른 이온들과의 산란으로 인해 이온 에너지는 무작위로 분포하게 되고 연료는 빠르게 비열적 분포를 띠게 된다. 이런 이유로, 퓨저 시스템에서 필요한 에너지는 가동 중에 일부가 "손실"되기 때문에 다른 방법으로 연료를 가열하는 시스템보다 더 높다.

실제 전극은 무한히 가늘지 않으며, 와이어에서의 산란이나 전극 내의 이온 포획 가능성은 높은 전도 손실을 초래하는 중대한 문제다. 이러한 손실은 핵융합 반응에서 방출되는 에너지보다 최소 5배 이상 높을 수 있으며, 이는 이러한 반응을 최소화하는 스타 모드(star mode)로 퓨저가 작동할 때도 마찬가지다.

수많은 다른 손실 메커니즘도 존재한다. 여기에는 고에너지 이온과 저에너지 중성 입자 사이의 전하 교환이 포함되는데, 이로 인해 이온이 전자를 캡처하여 전기적으로 중성이 된 다음, 더 이상 챔버로 가속되지 않기 때문에 퓨저를 떠나게 된다. 이는 에너지가 더 낮은 새로 이온화된 원자를 남겨두어 플라스마를 냉각시킨다. 또한 산란은 이온의 에너지를 증가시켜 양극을 지나 탈출하게 할 수도 있는데, 이 예에서는 15 keV 이상의 에너지를 가진 모든 경우가 해당한다.

게다가 이온과 특히 챔버에 남겨진 불순물의 산란은 상당한 제동 복사를 유발하여 연료 밖으로 에너지를 운반하는 엑스선을 생성한다. 이 효과는 입자 에너지에 따라 증가하며, 이는 시스템이 핵융합에 적합한 작동 조건에 가까워질수록 문제가 더 뚜렷해짐을 의미한다.

이러한 손실 메커니즘의 결과로, 어떤 퓨저도 손익 분기 에너지 출력에 근접한 적이 없으며 앞으로도 그럴 수 없을 것으로 보인다.

고전압의 일반적인 소스는 ZVS 플라이백 컨버터 고전압 소스와 네온 사인 변압기다. 이는 또한 정전기 입자 가속기라고 불릴 수도 있다.

## 역사

미국 특허 3,386,883 – 퓨저 – 1968년 6월 4일 판즈워스의 특허 이미지. 이 장치는 전기장을 만들기 위한 내부 케이지와 외부에 4개의 이온 총을 가지고 있다.
퓨저는 원래 텔레비전 분야의 선구적인 업적으로 더 잘 알려진 필로 판즈워스에 의해 고안되었다. 1930년대 초, 그는 텔레비전에 사용하기 위한 여러 진공관 설계를 조사하던 중 흥미로운 효과를 내는 설계를 발견했다. 그가 "멀티팩터"(multipactor)라고 부른 이 설계에서, 한 전극에서 다른 전극으로 이동하는 전자들은 적절한 고주파 자기장을 가함으로써 비행 도중에 멈추게 되었다. 그러면 전하가 튜브 중앙에 축적되어 높은 증폭을 일으켰다. 불행하게도 이는 전자가 결국 전극에 부딪힐 때 전극의 심한 침식을 초래하기도 했으며, 오늘날 멀티팩터 효과는 일반적으로 피해야 할 문제로 간주된다.

판즈워스가 이 장치에 대해 특히 관심을 가졌던 부분은 전자를 특정 지점에 집중시키는 능력이었다. 핵융합 연구의 가장 큰 문제 중 하나는 뜨거운 연료가 용기 벽에 부딪히지 않게 유지하는 것이다. 만약 이런 일이 발생하도록 방치하면 연료는 핵융합 반응이 일어날 만큼 뜨겁게 유지될 수 없다. 판즈워스는 원자로의 "벽" 전기장이 멀티팩터에 의해 제자리에 유지되는 전자나 이온인 정전기 플라스마 봉입 시스템을 구축할 수 있다고 판단했다. 그러면 벽을 통해 연료를 주입할 수 있고, 일단 안으로 들어가면 빠져나갈 수 없게 된다. 그는 이 개념을 가상 전극이라고 불렀고, 시스템 전체를 퓨저라고 불렀다.

### 설계

판즈워스의 원래 퓨저 설계는 원래의 멀티팩터처럼 전극의 원통형 배치에 기반했다. 연료는 이온화된 후 외부(물리적) 전극의 구멍을 통해 작은 가속기에서 발사되었다. 구멍을 통과한 이온들은 중앙 반응 구역을 향해 고속으로 가속되었다. 양전하를 띤 전극으로부터의 정전기 압력은 연료 전체가 챔버 벽에서 떨어져 있게 유지하고, 새로운 이온들의 충격은 가장 뜨거운 플라스마를 중앙에 유지한다. 그는 이를 관성 정전 봉입이라고 불렀으며, 이 용어는 오늘날까지 계속 사용되고 있다. 핵융합이 일어나기 위해서는 전극 사이의 전압이 최소 25 kV가 되어야 한다.

### 판즈워스 텔레비전 연구소에서의 연구

이 모든 연구는 필로 판즈워스가 주도했으며, 차세대 RCA가 되려는 계획의 일환으로 1949년 ITT에 인수된 판즈워스 텔레비전 연구소에서 수행되었다. 그러나 핵융합 연구 프로젝트는 즉각적으로 수익성이 있는 것으로 여겨지지 않았다. 1965년 이사회는 해럴드 제닌에게 판즈워스 부문의 매각을 요청하기 시작했으나, 그는 1967년 중반까지 자금을 지원받는 1966년 예산안을 승인받았다. 더 이상의 자금 지원은 거절되었고, 판즈워스는 병환으로 의학적 은퇴를 하게 되면서 ITT의 핵융합 실험은 종료되었다.

로버트 허시의 합류와 수정된 허시-믹스 퓨저 특허의 도입으로 상황은 극적으로 바뀌었다. 허시의 설계를 기반으로 한 새로운 퓨저들은 1964년과 1967년 사이에 처음으로 제작되었다. 허시는 1967년에 논문을 통해 자신의 설계를 발표했다. 그의 설계에는 진공 챔버 안으로 이온을 쏘는 이온 빔이 포함되었다.

그 후 팀은 당시 핵융합 연구 자금을 담당하던 미국 원자력위원회(AEC)로 향했고, 기존의 어떤 "고전적" 장치보다 더 많은 핵융합을 일으키는 서빙 카트에 장착된 시연 장치를 그들에게 제공했다. 참관자들은 깜짝 놀랐으나 타이밍이 좋지 않았다. 허시 자신도 최근 소련이 토카막을 사용하여 큰 진전을 이루고 있음을 밝힌 바 있었다. 이러한 예상치 못한 발전에 대응하여 AEC는 대형 토카막 프로젝트에 자금을 집중하고 대안적인 개념에 대한 지원을 줄이기로 결정했다.

### 최근의 발전

일리노이 대학교 어바나-샴페인의 조지 H. 마일리는 퓨저를 재검토하여 분야에 다시 도입했다. 이후 퓨저에 대한 낮지만 꾸준한 관심이 지속되었다. 중요한 발전은 퓨저 기반 중성자 발생기의 성공적인 상업적 도입이었다. 2006년부터 2007년 사망할 때까지 로버트 W. 부사드는 현재 폴리웰이라고 불리는 퓨저와 유사한 설계의 원자로에 대해 강연하며, 이것이 유용한 전력 생산이 가능할 것이라고 주장했다. 가장 최근에 퓨저는 비교적 적은 공간, 비용 및 전력 요구 사항 덕분에 가정용 프로젝트로 선택하는 아마추어들 사이에서 인기를 얻었다. 아마추어 "퓨저 제작자"(fusioneers)들의 온라인 커뮤니티인 오픈 소스 퓨저 연구 컨소시엄(The Open Source Fusor Research Consortium, Fusor.net)은 퓨저 세계의 발전을 보고하고 다른 아마추어들의 프로젝트를 돕는 데 전념하고 있다. 이 사이트에는 포럼, 퓨저에 관한 기사 및 논문(판즈워스의 원래 특허와 허시 버전의 특허 포함)이 포함되어 있다.

## 퓨저에서의 핵융합

### 기본 핵융합

다양한 핵융합 반응의 단면적
핵융합은 더 가벼운 원자핵이 결합하여 더 무거운 원자핵이 되는 반응을 말한다. 이 과정은 질량을 에너지로 바꾸며, 이는 다시 핵융합 발전을 제공하는 데 사용될 수 있다. 많은 종류의 원자가 융합될 수 있다. 가장 융합하기 쉬운 것은 중수소와 삼중수소다. 핵융합이 일어나기 위해 이온은 최소 4 keV(킬로전자볼트), 즉 약 4,500만 켈빈의 온도에 있어야 한다. 두 번째로 쉬운 반응은 중수소끼리 융합하는 것이다. 이 가스는 더 저렴하기 때문에 아마추어들이 흔히 사용하는 연료다. 핵융합 반응을 일으키는 난이도는 그 단면적으로 측정된다.

### 순 전력

그러한 조건에서 원자는 이온화되어 플라스마를 형성한다. 뜨거운 플라스마 구름 내부에서 핵융합에 의해 생성된 에너지는 다음 식을 통해 구할 수 있다.

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_0
여기서

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_2 은 핵융합 출력 밀도(단위 부피당 단위 시간당 에너지),
n은 종 A 또는 B의 수밀도(단위 부피당 입자 수),
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_4 는 충돌 단면적 σ(상대 속도에 따라 달라짐)와 두 종의 상대 속도 v의 곱을 시스템 내의 모든 입자 속도에 대해 평균한 값,
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_6 은 단일 핵융합 반응에서 방출되는 에너지다.
이 방정식은 에너지가 온도, 밀도, 충돌 속도 및 사용된 연료에 따라 달라짐을 보여준다. 순 전력에 도달하려면 핵융합 반응이 에너지 손실을 보충할 만큼 충분히 빠르게 일어나야 한다. 핵융합을 사용하는 모든 발전소는 이 뜨거운 구름을 유지할 것이다. 플라스마 구름은 열전도와 방사선을 통해 에너지를 잃는다. 전도는 이온, 전자 또는 중성 입자가 표면에 닿아 새어 나갈 때 발생한다. 에너지는 입자와 함께 손실된다. 방사선은 에너지가 빛으로 구름을 떠날 때 발생한다. 온도가 올라가면 방사선도 증가한다. 핵융합에서 순 전력을 얻으려면 이러한 손실을 극복해야 한다. 이는 출력 전력에 대한 방정식으로 이어진다.

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_8
여기서:

η는 효율,
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_10 은 에너지를 담은 질량이 떠나면서 발생하는 전도 손실 전력,
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_12 은 에너지가 빛으로 떠나면서 발생하는 방사선 손실 전력,
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_14 은 핵융합으로부터 얻은 순 전력이다.
존 로슨은 이 방정식을 사용하여 맥스웰 구름에 기반한 순 전력을 위한 몇 가지 조건을 추정했다. 이것이 로슨 조건이 되었다. 퓨저는 일반적으로 재순환하는 플라스마의 경로에 와이어 케이지가 있어 열전도 손실을 겪는다.

### 퓨저에서의 특성

원래의 퓨저 설계에서는 끝부분을 제거한 TV 튜브와 같은 여러 개의 작은 입자 가속기가 비교적 낮은 전압에서 이온을 진공 챔버로 주입한다. 허시 버전의 퓨저에서는 챔버 안의 희박한 가스를 이온화하여 이온을 생성한다. 두 버전 모두 두 개의 동심 구형 전극이 있으며, 내부 전극은 외부 전극에 대해 음으로 대전된다(약 80 kV까지). 이온이 전극 사이의 구역에 들어가면 중앙으로 가속된다.

퓨저에서 이온은 전극에 의해 수 keV로 가속되므로, (이온이 어떤 과정에 의해 에너지를 잃기 전에 융합되는 한) 가열 자체가 필요하지 않다. 4,500만 켈빈은 어떤 기준으로 봐도 매우 높은 온도지만, 이에 해당하는 전압은 네온 사인이나 CRT 텔레비전과 같은 장치에서 흔히 볼 수 있는 수준인 4 kV에 불과하다. 이온이 초기 에너지를 유지하는 한, 반응 단면적의 피크를 활용하거나 더 높은 에너지에서 발생할 수 있는 불리한(예: 중성자 생성) 반응을 피하도록 에너지를 조정할 수 있다.

"이온 총"(구형 TV 디스플레이 튜브의 기초가 되는 "전자총"과 유사) 내의 가열기와 고전압 전자기장을 사용하여 이온 형성을 강화할 수 있는 마그네트론 유형의 장치(전자레인지의 전원)를 포함하여 중수소 이온화율을 높이려는 다양한 시도가 있었다. (이온 평균 자유 행로를 보존하는 한도 내에서) 이온 밀도나 이온 에너지를 증가시키는 모든 방법은 일반적으로 초당 생성되는 중성자 수로 측정되는 핵융합 수율을 향상시킬 것으로 기대할 수 있다.

이온 에너지를 쉽게 증가시킬 수 있다는 점은 연료가 풍부하고 방사성 삼중수소가 필요 없으며 1차 반응에서 중성자를 생성하지 않는 양성자-붕소 핵융합과 같은 "고온" 핵융합 반응을 고려할 때 특히 유용해 보인다.

## 일반적인 고려 사항

### 작동 모드

소위 "스타 모드"로 작동 중인 판즈워스-허시 퓨저. 내부 그리드의 틈새에서 뿜어져 나오는 것처럼 보이는 빛나는 플라스마 "광선"이 특징이다.
퓨저는 적어도 두 가지(혹은 그 이상)의 작동 모드가 있다: **스타 모드**(star mode)와 **헤일로 모드**(halo mode)다. 헤일로 모드는 하나 또는 두 개의 전자 빔이 구조물을 빠져나가는 광범위한 대칭적 글로우가 특징이다. 핵융합은 거의 일어나지 않는다. 헤일로 모드는 압력이 더 높은 탱크에서 발생하며, 진공이 개선됨에 따라 장치는 스타 모드로 전환된다. 스타 모드는 장치 중앙에서 뿜어져 나오는 밝은 빛의 빔으로 나타난다.

### 출력 밀도

케이지에 의해 형성된 전기장은 음의 성질을 띠므로, 양으로 대전된 이온과 음의 전자를 동시에 가둘 수 없다. 따라서 전하 축적 구역이 존재해야 하며, 이는 달성 가능한 밀도에 상한선을 만들게 된다. 이는 기체의 출력 밀도에 상한선을 두어 전력 생산에 너무 낮게 유지할 수 있다.

### 이온 속도의 열적 평형화

이온들이 퓨저 중앙으로 처음 떨어질 때는 모두 같은 에너지를 갖지만, 속도 분포는 빠르게 맥스웰-볼츠만 분포에 접근하게 된다. 이는 밀리초 내에 단순한 쿨롱 충돌을 통해 발생하겠지만, 빔-빔 불안정성은 그보다 수십 배 더 빠르게 발생할 것이다. 이에 비해 어떤 주어진 이온이 핵융합 반응을 거치기 전까지 몇 분의 시간이 필요하므로, 적어도 전력 생산에 있어서 퓨저의 단일 에너지 모델은 적절하지 않다. 열적 평형화의 한 가지 결과는 일부 이온이 전위 우물을 떠날 만큼 충분한 에너지를 얻어 핵융합 반응을 거치지 않고 에너지를 가지고 떠나게 된다는 것이다.

### 전극

다른 그리드 설계를 보여주는 이미지.
퓨저 전력 시스템의 전극에는 해결되지 않은 여러 과제가 있다. 우선, 전극은 그 내부의 전위에 영향을 줄 수 없으므로, 언뜻 보기에는 핵융합 플라스마가 내부 전극과 어느 정도 직접 접촉하게 되어 플라스마 오염과 전극 파괴를 초래할 것처럼 보인다. 그러나 대다수의 핵융합은 전기 전위가 최소인 구역에 형성된 마이크로채널 내에서 일어나는 경향이 있으며, 이는 핵을 관통하는 가시적인 "광선"으로 관찰된다. 이들은 해당 구역 내의 힘이 대략 안정적인 "궤도"에 해당하기 때문에 형성된다. 스타 모드로 작동하는 일반적인 그리드 내 고에너지 이온의 약 40%가 이러한 마이크로채널 내에 있을 수 있다. 그럼에도 불구하고 그리드 충돌은 판즈워스-허시 퓨저의 주요 에너지 손실 메커니즘으로 남아 있다. 문제를 복잡하게 만드는 것은 내부 전극 냉각의 어려움이다. 발전소를 가동할 만큼 충분한 전력을 생산하는 모든 퓨저는 내부 전극도 파괴할 수밖에 없는 운명인 것처럼 보인다. 한 가지 근본적인 한계로서, 작동 유체를 가열하기 위해 캡처되는 중성자 속을 생성하는 모든 방법은 전극에도 해당 속을 퍼부어 전극을 가열하게 된다.

이러한 문제를 해결하려는 시도에는 로버트 W. 부사드의 폴리웰 시스템, D. C. 번스의 수정된 페닝 트랩 방식, 그리고 그리드를 유지하지만 손실을 피하기 위해 이온을 마이크로채널로 더 단단히 집중시키려는 일리노이 대학교의 퓨저가 포함된다. 세 가지 모두 관성 정전 봉입(IEC) 장치이지만, 실제 "퓨저"인 것은 마지막뿐이다.

### 방사선

대전된 입자는 속도가 변할 때 에너지를 빛으로 방출한다. 이러한 손실률은 라모 공식을 사용하여 비상대론적 입자에 대해 추정할 수 있다. 퓨저 내부에는 이온과 전자 구름이 있다. 이 입자들은 움직이면서 가속되거나 감속된다. 이러한 속도 변화는 구름이 에너지를 빛으로 잃게 만든다. 퓨저에서의 방사선은 사용된 퓨저의 유형에 따라 가시광선, 자외선 및 엑스선 스펙트럼에 있을 수 있다. 이러한 속도 변화는 입자 간의 정전기 상호 작용(이온 대 이온, 이온 대 전자, 전자 대 전자) 때문일 수 있다. 이것을 **제동 복사**라고 하며 퓨저에서 흔히 발생한다. 속도 변화는 입자와 전기장 사이의 상호 작용 때문일 수도 있다. 자기장이 없으므로 퓨저는 저속에서 사이클로트론 복사를 방출하지 않고 고속에서 싱크로트론 방사를 방출하지 않는다.

"열역학적 평형 상태에 있지 않은 플라스마 핵융합 시스템의 근본적 한계"에서 토드 라이더는 준중성 등방성 플라스마가 D-T(또는 잠재적으로 D-D 또는 D-He3) 이외의 연료에 대해서는 금지적인 속도로 제동 복사 때문에 에너지를 잃을 것이라고 주장한다. 준중성 플라스마는 IEC 핵융합의 핵심 부분인 전기장에 의해 가두어질 수 없으므로 이 논문은 IEC 핵융합에 직접 적용되지는 않는다. 그러나 이전 논문인 "관성 정전 봉입 핵융합 시스템에 대한 일반적 비판"에서 라이더는 퓨저를 포함한 일반적인 IEC 장치들을 직접적으로 다룬다. 퓨저의 경우 전자는 일반적으로 전극 근처에 고립된 연료 덩어리와 분리되어 있어 손실률을 제한한다. 그러나 라이더는 실제 퓨저가 심각한 전자 혼합 및 손실을 초래하거나, 아니면 출력 밀도를 낮추는 모드 범위에서 작동함을 증명한다. 이것은 모든 퓨저와 유사한 시스템의 출력을 제한하는 일종의 진퇴양난인 것으로 보인다.

### 안전

퓨저 제작 및 작동에는 몇 가지 주요 안전 고려 사항이 수반된다. 첫째, 관련된 고전압이 있다. 둘째, 가능한 엑스선 및 중성자 방출이 있다. 또한 지역 및 규제 당국과의 홍보 / 잘못된 정보 고려 사항이 있다.

## 상업적 응용

|  |  |
| --- | --- |
| 생산 소스 | 중성자 |
| 에너지 | 2.45 MeV |
| 질량 | 940 MeV |
| 전하 | 0 C |
| 스핀 | 1/2 |

### 중성자원

퓨저는 실행 가능한 중성자원임이 입증되었다. 일반적인 퓨저는 원자로나 입자 가속기 소스만큼 높은 속(flux)에 도달할 수는 없지만, 많은 용도에 충분하다. 중요한 점은 중성자 발생기가 실험대 위에 쉽게 놓일 수 있으며 스위치를 눌러 끌 수 있다는 것이다. 상업용 퓨저는 1996년에서 2001년 초 사이에 브레멘에 있는 다임러크라이슬러 에어로스페이스 – 우주 인프라 부문 내에서 비핵심 사업으로 개발되었다. 프로젝트가 사실상 종료된 후, 전 프로젝트 매니저는 NSD-Fusion이라는 회사를 설립했다. 현재까지 퓨저와 유사한 장치로 달성된 가장 높은 중성자 속은 중수소-중수소 핵융합 반응으로 초당 3 × 1011개의 중성자였다.

### 의료용 동위 원소

상업용 스타트업인 피닉스 뉴클리어 랩스(Phoenix Nuclear Labs)는 퓨저에 의해 생성된 중성자 속을 사용하여 의료용으로 사용되는 동위 원소인 테크네튬-99m의 전구체인 Mo-99를 생성했다.

## 특허

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* 쿨롱 장벽
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* RTFTechnologies.org IEC Fusion Reactor 상세 IEC 원자로 제작 정보
* Neutrons for sale — 뉴 사이언티스트 기사
* Fusion Experiments Show Nuclear Power's Softer Side — 와이어드 기사
* Various Patents and Articles Related to Fusion, IEC, ICC and Plasma Physics
* How a Small Vacuum System and a Bit of Basketweaving Will Get You a Working Inertial-Electrostatic Confinement Neutron Source
* 부사드의 "무중성자" 붕소 버전에 대한 설명
* Fusor.net 아마추어 퓨저 제작자들을 위한 포럼
* NSD-Fusion
* “North West Nuclear Consortium”. 2013년 12월 3일에 원본 문서에서 보존된 문서.  고등학생들에게 퓨저를 가르친다.
* 판즈워스 퓨저 보관됨 2013-09-07 - 웨이백 머신 - 판즈워스 연대기 (farnovision.com)
* How-to: 60분 만에 퓨저 만들기

틀:핵융합 발전
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