핵 펄스 추진

thumb|right|300px|핵 펄스 추진으로 작동되는 오리온 프로젝트의 "기본" 우주선에 대한 예술가의 개념도.
핵 펄스 추진(nuclear pulse propulsion) 또는 외부 펄스 플라스마 추진(external pulsed plasma propulsion)은 핵폭발을 추력으로 사용하는 가상의 우주선 추진 방법이다. 1947년 스타니스와프 울람의 제안 이후 방위고등연구계획국의 지원을 받아 오리온 프로젝트로 시작되었다. 관성 봉입 핵융합을 사용하는 새로운 설계는 다이달로스 프로젝트와 롱샷 프로젝트를 포함하여 대부분의 후기 설계의 기반이 되었다.

역사

로스앨러모스

이 기술의 잠재적 사용에 대한 계산은 1940년대 말부터 1950년대 중반까지 연구소에서 이루어졌다.

오리온 프로젝트

thumb|핵 펄스 추진 장치. 폭발성 전하가 추진제를 증발시켜 전하에서 멀리 밀어내고 동시에 추진제에서 플라스마를 생성한다. 그런 다음 추진제는 오리온 우주선 바닥에 있는 푸셔 플레이트에 충격을 가하여 '밀어내는' 에너지 펄스를 전달한다.

오리온 프로젝트는 핵 펄스 로켓을 설계하려는 첫 번째 진지한 시도였다. 1950년대 후반과 1960년대 초반에 제너럴 아토믹스에서 설계가 구상되었으며, 텔러-울람 2단계 폭탄 설계의 변형을 활용하여 충격 흡수 장치로 우주선에 부착된 대형 강철 푸셔 플레이트에 작은 지향성 핵폭발물을 반응시키는 아이디어였다. 효율적인 지향성 폭발물은 운동량 전달을 최대화하여 초 범위의 비추력을 달성했는데, 이는 우주왕복선 주 엔진의 약 13배였다. 개선을 통해 이론적으로 최대 (1 MN·s/kg)의 비추력이 가능할 수 있었다. 추력은 수백만 톤에 달하여 1958년 재료로 8x106톤보다 큰 우주선을 만들 수 있었다.

참조 설계는 200명 이상의 승무원과 수천 톤의 이륙 중량을 가진 잠수함 스타일의 강철 구조로 만들어질 예정이었다. 이 단일 단계 참조 설계는 지구 표면에서 4주 만에 화성에 도달하고 돌아올 수 있었다(현재 미국 항공 우주국의 화학 추진 참조 임무는 12개월). 동일한 우주선은 7개월 임무로 토성의 위성을 방문할 수 있었다(화학 추진 임무는 약 9년). 발생한 주요 엔지니어링 문제는 승무원 차폐 및 푸셔 플레이트 수명과 관련이 있었다.

이 시스템은 작동 가능한 것처럼 보였지만, 이 프로젝트는 1965년에 주로 부분적 핵실험 금지 조약으로 인해 불법이 되었기 때문에 중단되었다. 실제로 조약 이전에 미국과 소련은 이미 우주에서, 즉 100km 이상의 고도에서 열핵폭탄을 포함한 최소 9개의 핵폭탄을 별도로 폭발시켰다(고고도 핵폭발 참조). 윤리적 문제는 지구의 자기권 내에서 이러한 우주선을 발사하는 것을 복잡하게 만들었다. 방사능 피해의 (논란의 여지가 있는) 선형 무역치 모델을 사용한 계산에 따르면 각 이륙으로 인한 방사능 낙진으로 인해 약 1에서 10명의 사망자가 발생할 것으로 나타났다. 문턱 모델에서는 이러한 극히 낮은 수준의 얇게 분산된 방사능은 관련 악영향이 없을 것이며, 호르미시스 모델에서는 이러한 미량의 선량은 무시할 수 있을 정도로 이로울 것이다. 궤도 진입을 위해 덜 효율적인 청정 핵폭탄을 사용하고, 이후 여행을 위해 더 효율적인 고수율의 더러운 폭탄을 사용하면 지구 발사로 인한 낙진량을 크게 줄일 수 있다.

한 가지 유용한 임무는 지구와 충돌 코스에 있는 소행성이나 혜성을 빗나가게 하는 것으로, 1998년 영화 딥 임팩트 (영화)에서 극적으로 묘사되었다. 높은 성능은 늦은 발사라도 성공할 수 있게 할 것이며, 이 우주선은 단순한 충돌로 소행성에 많은 양의 운동 에너지를 효과적으로 전달할 수 있을 것이다. 임박한 소행성 충돌 가능성은 예측되는 몇몇 낙진 사망자에 대한 우려를 불식시킬 것이다. 자동화된 임무는 승무원을 보호할 충격 흡수 장치를 설계해야 하는 과제를 없앨 것이다.

오리온은 프리먼 다이슨의 1968년 논문 "성간 수송"에서 논의되었듯이, 이론적으로 사용 가능한 기술로 건설될 수 있는 몇 안 되는 성간 우주 추진 장치 중 하나이다.

다이달로스 프로젝트

다이달로스 프로젝트는 영국 행성간 학회(BIS)가 1973년부터 1978년까지 약 50년 안에 근처 별에 도달할 수 있는 성간 무인 우주선을 설계하기 위해 수행한 연구였다. 앨런 본드 (엔지니어)가 이끄는 12명의 과학자와 엔지니어가 이 프로젝트에 참여했다. 당시 핵융합 연구는 큰 진전을 보이고 있었고, 특히 관성 봉입 핵융합(ICF)은 로켓 엔진으로 적용될 수 있는 것처럼 보였다.

ICF는 핵융합 연료의 작은 펠릿, 일반적으로 중수소화 리튬(6Li2H)과 중심에 작은 중수소/삼중수소 촉발 장치를 사용한다. 펠릿은 반응실로 던져져 레이저 또는 다른 형태의 빔 에너지에 의해 모든 방향에서 충격을 받는다. 빔에 의해 생성된 열은 펠릿을 폭발적으로 압축하여 핵융합이 일어나는 지점까지 이른다. 그 결과는 뜨거운 플라스마이며, 필요한 양의 핵분열을 생성하는 데 필요한 최소 폭탄 크기에 비해 매우 작은 "폭발"이다.

다이달로스 프로젝트의 경우, 이 과정은 로켓 엔진을 구성하는 대형 전자석 내에서 실행될 예정이었다. 전자빔에 의해 점화된 반응 후, 자석은 뜨거운 가스를 후방으로 유도하여 추력을 얻었다. 에너지의 일부는 우주선의 시스템과 엔진을 작동시키는 데 사용되었다. 시스템을 안전하고 에너지 효율적으로 만들기 위해 다이달로스는 목성에서 수집한 헬륨-3 연료로 동력을 공급받을 예정이었다.

메두사
thumb|left|upright=1.36|메두사 추진 우주선의 개념도: (A) 페이로드 캡슐, (B) 윈치 메커니즘, (C) 선택적 주 테더 케이블, (D) 라이저 테더, 그리고 (E) 낙하산 메커니즘을 보여준다.
thumb|right|메두사 추진 시스템의 작동 순서. 이 다이어그램은 메두사 추진 우주선의 작동 순서를 보여준다. (1) 폭발 펄스 장치 발사 순간부터 시작하여, (2) 폭발 펄스가 낙하산 캐노피에 도달하고, (3) 캐노피를 밀어 폭발로부터 가속시키며, 우주선이 윈치로 주 테더를 풀어내면서 전기를 생성하고 우주선을 가속시키고, (4) 마지막으로 우주선을 캐노피 쪽으로 끌어올리고 여분의 전기를 다른 용도로 사용한다.

메두사 설계는 기존 로켓보다 태양광 돛단배와 공통점이 더 많다. 이 설계는 1990년대에 존데일 솔렘에 의해 구상되었고 영국 행성간 학회지(JBIS)에 발표되었다.

메두사 우주선은 독립적인 케이블로 연결된 대형 돛을 앞에 펼친 다음, 자신과 돛 사이에서 폭발하도록 핵폭발물을 전방으로 발사할 것이다. 돛은 플라스마와 광자 충격에 의해 가속될 것이고, 낚시꾼에게서 도망치는 물고기처럼 테더를 풀면서 "릴"에서 전기를 생성할 것이다. 우주선은 생성된 전기의 일부를 사용하여 돛 쪽으로 자신을 끌어올려 지속적으로 부드럽게 가속할 것이다.

원래 설계에서는 여러 테더가 여러 모터 발전기에 연결되었다. 단일 테더에 비해 폭발과 테더 사이의 거리를 늘려 테더 손상을 줄이는 장점이 있다.

무거운 페이로드의 경우, 달 재료를 활용하여 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 폭발물을 달 암석이나 물로 감싸서 이전에 안정적인 라그랑주 점에 저장할 수 있다.

메두사는 고전적인 오리온 설계보다 더 많은 폭발 충격을 가로채고, 충격 흡수 장치 스트로크가 훨씬 길며, 주요 구조물이 인장 상태에 있어 매우 가볍기 때문에 더 나은 성능을 보인다. 메두사형 우주선은 (500~1000 kN·s/kg)의 비추력을 달성할 수 있을 것이다.

메두사는 BBC 다큐멘터리 영화 원자폭탄으로 화성에: 오리온 프로젝트의 비밀 역사에서 대중에게 널리 알려졌다. 짧은 영화는 메두사 우주선이 "앞에 있는 돛에 폭탄을 던지는" 방식으로 작동하는 예술가의 개념도를 보여준다.

롱샷 프로젝트

롱샷 프로젝트는 1980년대 후반 미국 해군사관학교와 협력하여 수행된 미국 항공 우주국 후원 연구 프로젝트였다. 롱샷은 여러 면에서 다이달로스 프로젝트의 기본 개념을 발전시킨 것으로, 자기를 통해 ICF를 유도했다. 핵심적인 차이점은 로켓과 다른 시스템에 모두 동력을 공급할 수 없다고 판단하여 대신 300kW급의 기존 원자로를 우주선 작동을 위해 포함시켰다는 점이다. 원자로의 추가 중량으로 성능이 다소 감소했지만, LiD 연료를 사용하더라도 100년 만에 인근 별 센타우루스자리 알파에 도달할 수 있었다(약 13,411km/s의 속도로, 4.5광년 거리에 있으며, 이는 광속의 4.5%에 해당한다).

반물질 촉매 핵 반응

1990년대 중반, 펜실베이니아 주립 대학교의 연구는 반물질을 사용하여 핵 반응을 촉매하는 개념으로 이어졌다. 반양성자는 우라늄의 핵 내부에서 반응하여 기존 핵 반응처럼 핵을 분해하는 에너지를 방출한다. 심지어 소수의 이러한 반응도 연쇄 반응을 시작할 수 있으며, 이는 그렇지 않으면 훨씬 더 큰 연료량이 필요했을 것이다. 플루토늄의 "정상적인" 임계 질량은 약 11.8킬로그램(표준 밀도의 구형의 경우)이지만, 반물질 촉매 반응의 경우 1그램 미만으로도 가능하다.

이 반응을 사용하는 여러 로켓 설계가 제안되었는데, 일부는 행성 간 임무를 위해 핵분열 반응만을 사용하고, 다른 일부는 핵분열-핵융합(실제로 오리온 폭탄의 매우 작은 버전)을 사용하여 성간 임무를 수행하는 설계가 제안되었다.

자기-관성 핵융합

미국 항공 우주국은 2011년에 워싱턴 대학교와 MSNW LLC에 NIAC 프로그램을 통해 핵융합 로켓을 연구하고 개발하도록 자금을 지원했다.

이 로켓은 자기-관성 핵융합의 한 형태를 사용하여 직접 추력 핵융합 로켓을 생산한다. 자기장은 큰 금속 링을 중수소-삼중수소 플라스마 주위로 붕괴시켜 핵융합을 촉발시킨다. 에너지는 부서진 링으로 형성된 금속 껍질을 가열하고 이온화시킨다. 뜨겁게 이온화된 금속은 자기 로켓 노즐에서 고속(최대 30km/s)으로 분출된다. 이 과정을 약 1분마다 반복하여 우주선을 가속 또는 감속시킨다. 핵융합 반응은 자가 지속적이지 않으며 각 펄스를 폭발시키기 위해 전기 에너지를 필요로 한다. 전기 요구 사항은 100kW에서 1,000kW(평균 300kW) 사이로 추정되며, 설계에는 필요한 에너지를 생산하기 위한 태양 전지판이 포함된다.

포일 라이너 압축은 적절한 에너지 규모에서 핵융합을 생성한다. 워싱턴주 레드먼드에서 진행된 개념 증명 실험은 압축을 위해 알루미늄 라이너를 사용하는 것이었다. 그러나 최종 설계는 리튬 라이너를 사용할 예정이었다.

성능 특성은 원자로가 달성하는 핵융합 에너지 이득 인자에 따라 달라진다. 이득은 20에서 200 사이로 예상되었으며, 평균 40으로 추정되었다. 이득이 높을수록 배기 속도가 빨라지고, 비추력이 높아지며, 필요한 전력량이 줄어든다. 아래 표는 이득이 20, 40, 200일 때 90일 화성 이동에 대한 다양한 성능 특성을 요약한 것이다.

2013년 4월까지 MSNW는 시스템의 하위 구성 요소를 시연했다. 중수소 플라스마를 핵융합 온도까지 가열하고 핵융합을 생성하는 데 필요한 자기장을 집중시키는 것이다. 그들은 2013년 말 이전에 두 기술을 결합하여 시험할 계획이었다.

펄스 핵분열-핵융합 추진
펄스 핵분열-핵융합(PuFF) 추진은 자기-관성 핵융합과 유사한 원리에 의존한다. 이는 Z-핀치에 의해 시작된 자가 촉매 핵분열 및 핵융합 반응을 겪는 작은 연료 펠릿에서 얻은 플라스마를 배출함으로써 오리온과 유사한 모터에 의해 발생하는 극심한 구속 스트레스 문제를 해결하는 것을 목표로 한다. 이는 앨라배마 대학교 헌츠빌에서 NIAC 프로그램을 통해 연구된 이론적인 추진 시스템이다. 본질적으로 Z-핀치 구성을 사용하는 핵융합 로켓이지만, 핵융합 과정을 촉진하기 위해 핵분열 반응과 결합된다.

직경 약 1cm인 PuFF 연료 펠릿은 두 가지 구성 요소로 이루어져 있다: 핵융합을 겪는 플라스마의 중수소-삼중수소(D-T) 실린더를 "타겟"이라고 부르며, 그 주위를 리튬 라이너로 둘러싸인 핵분열을 겪는 U-235 외피가 감싸고 있다. 중성자 감속재 역할을 하는 액체 리튬은 D-T 실린더와 우라늄 외피 사이의 공간을 채운다. 액체 리튬을 통해 전류가 흐르면 로런츠 힘이 생성되고, 이 힘은 Z-핀치라고 알려진 과정에서 D-T 플라스마를 10배 압축한다. 압축된 플라스마는 임계 상태에 도달하여 핵융합 반응을 겪는다. 그러나 이러한 반응의 핵융합 에너지 이득(Q)은 손익분기점(Q < 1)보다 훨씬 낮으며, 이는 반응이 생산하는 에너지보다 더 많은 에너지를 소비한다는 것을 의미한다.

PuFF 설계에서 초기 핵융합 반응에서 방출되는 고속 중성자는 U-235 외피에서 핵분열을 유도한다. 결과적인 열은 외피를 팽창시켜 D-T 코어로의 내파 속도를 증가시키고 추가로 압축하여 더 많은 고속 중성자를 방출한다. 이 중성자들은 다시 외피의 핵분열 속도를 증폭시켜 과정을 자가 촉매화시킨다. 이를 통해 핵분열 및 핵융합 연료가 완전히 연소되어 PuFF가 다른 핵 펄스 개념보다 효율적일 것으로 기대된다. 자기-관성 핵융합 로켓과 마찬가지로, 엔진의 성능은 D-T 타겟의 핵융합 이득이 증가하는 정도에 따라 달라진다.

하나의 "펄스"는 연료 펠릿을 연소실에 주입하고, 일련의 핵분열-핵융합 반응을 통해 소비되며, 마지막으로 방출된 플라스마를 자기 노즐을 통해 배출하여 추력을 생성하는 것으로 구성된다. 단일 펄스는 완료하는 데 몇 초의 일부만 소요될 것으로 예상된다.

 같이 보기 

 각주 

 외부 링크 

 G.R. Schmidt, J.A. Bunornetti and P.J. Morton, Nuclear Pulse Propulsion – Orion and Beyond, NASA technical report AlAA 2000-3856, 2000
 J. C. Nance, "Nuclear Pulse Propulsion," IEEE Trans. on Nuclear Science 12, 177 (1965) [Reprinted as Ann. N.Y. Acad. Sci. 140, 396 (1966).]
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 F. Dyson, "Death of a Project," Science 149, 141 (1965).
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