자기유체역학발전

요약 전기를 띤 플라즈마는 유체의 성질을 띠고 있다. 이 플라즈마의 자기장에서의 운동은 자기유체역학(MHD)을 이용하여 설명한다. 플라즈마를 자기장에 수직 방향으로 흘려보내면 패러데이의 법칙에 의해 자기장과 플라즈마 운동방향에 수직 방향으로 기전력이 유도된다. 이때 기전력을 이용하여 발전하는 것을 자기유체역학발전이라 한다.

플라즈마는 이온화되어 전기적으로 극성을 가지고 유체의 성질을 띤 상태이다. 약 2,700℃의 플라즈마를 1,000m/s 정도의 고속으로 자기장에 수직인 방향으로 흘려보내면 에 의해 자기장과 플라즈마 운동방향에 수직인 방향으로 기전력이 유도된다. 자기유체역학(MHD)발전은 이를 이용하여 발전한다. 이 밖에 MHD를 설명하는 데는 질량에 대한 연속방정식, 운동량에 관한 방정식들, 암페어법칙, 온도전파방정식 등을 사용하여 켬퓨터 시뮬레이션을 많이 이용한다.

고온의 플라즈마를 만드는 재료는 어떤 것이든 관계가 없어서 석유, 석탄, 천연가스, 핵연료 등 폭넓은 에너지 자원을 활용할 수 있다. 석유보다 자원이 넉넉한 천연가스나 석탄의 연소 가스를 사용할 수 있는 장점이 있다. 석탄을 이용한 화력발전의 경우 공해물질인 질산산화물 혹은 황산화물의 배출량이 많은 단점이 있고, 연소되지 않는 회분이 많아 연소 가스 속에서 액상과 고체 모양의 슬러그가 되어 고온의 가스 터빈에는 적용할 수 없다.

하지만 터빈과 같은 움직이는 부분이 없는 자기유체역학발전에서는 이런 것을 내포한 연소 가스도 이용할 수 있다. 자기유체역학발전에서는 발전기 터빈과 같은 기계적인 회전부분이 없기 때문에 사용하는 기체나 액체의 온도를 매우 높게 올릴 수 있으며 플라즈마의 흐름으로부터 직접 전류를 발생시킨다. 따라서 효율이 좋아 재래식 발전보다 연료를 아낄 수 있다. 그러나 실용화하기에 해결되어야 할 문제들이 있다. 전기를 생산하는 발전기 부분에  2000℃ 이상 의 고온의 가스가 통과하므로 고온에 견디는 재료가 개발되어야 한다. 발전효율을 올리기 위해서는 전자석 부분에 전력소모가 적은 초전도 전자석이 필요하다. MHD발전 후에도 플라즈마는 고온상태여서 증기를 만들어 다시 발전할 수 있은 장점이 있다.

패러데이발전기(Faraday generator)
템즈강에서 이 효과를 찾던 마이클 패러데이의 이름을 따서 명명했다. 간단한 패러데이 발전기는 비전도성 물질로 된 쐐기모양의 파이프나 튜브로 구성된다. 생산되는 전력은 튜브의 단면과 전도체 흐름의 속력에 비례한다. MHD발전기는 전도체의 온도를 플라즈마 온도에서 1000℃근처로 낮춘다. 한편, 도관 면에 있는 전극을 통해 전도유체의 전압과 전류차가 단락을 일으키는 문제점이 있다. 이 점이 패러데이 발전기의 효율을 매우 떨어뜨리게 된다. 이 문제점을 개량하면서 다른 종류의 MHD발전기가 발전되었다. 최상의 도관 형태의 MHD발전기의 자기장은 말안장 모양이다. 이런 종류의 자기장을 만들기 위해 매우 강한 자석이 필요로 한다. 이 목적으로 초전도체를 사용한다.

홀발전기(Hall generator)
홀효과를 이용하여 유체와 함께 흐르는 전류를 만든다. 짧은 전극을 플라즈마가 흐르는 도관에 수직으로 배열해있고, 이 전극들은 관의 반대편에 있는 전극과 단락되어 있는 구조로 되어있다. 패러데이 발전기보다 효율이 좋다.

디스크발전기(Disc generator)
효율이 가장 좋은 발전기는 홀효과디스크발전기이다. 플라즈마가가 디스크의 중심 사이로 흐르게 한다. 그리고 관이 가장자리를 에워싸고 있다. 디스크 위 아래로 원형 헬름홀츠 코일들로 자기장이 형성된다. 유도 전류는 디스크 주위로 흐른다. 홀 효과에 의한 전류는 중심 부분과 둘레 근처의 원형 전극 사이에 흐른다. 디스크 안에서 플라즈마가 흐르므로 자석이 플라즈마에 더 가까이 있을 수 있고 자기장 세기도 강해진다. 발전기가 작게 설계되고 따라서 자석도 작아진다.