지구에 인공태양 만들기

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2015 융합인재교육 (STEAM) 프로그램

지구에

인공태양 만들기

지구에 인공태양 만들기

S T E A M

중 학 교 학 생 용

(2)

인공태양 만들기

차시 단계 소주제 주요 내용 관련 교과

1

문제 상황 이해

각 나라별 에너지문제 및 새로운 에너지원의

필요성 인식하기

도입 대규모 정전에 대한 이야기 및 경험 나누기

과학 사회 기술가정

미술 학습활동

1. 각 나라별 에너지 사용 현황 알아보기 2. 나라별 에너지 문제 해결책 찾기 3. 새로운 에너지원 상상하기 4. 미래에너지의 조건 정리하기 2

마무리 1. 각 모둠별 새로운 에너지원 그림 전시

2. 미래에너지의 조건에 가장 적합한 에너지에 투표하기 3. ITER 프로젝트에 대해 알아보기

3

문제 해결을

위한 활동 인공태양

원리 이해하기

도입 1. 핵융합의 원리 이해하기

2. 인공태양의 3가지 조건에 대해 알아보기

과학 학습활동 1. 건전지 기차 만들기 기술가정

2. 건전지 기차를 통해 자기장의 원리 탐구하기

4

마무리 1. 건전지 기차 경주하기 2. 인공태양 장치의 원리 이해하기

5

문제 해결

우리나라의 인공태양

KSTAR 인포그래픽

작성하기

도입 1. 한국의 인공태양 KSTAR에 대해 알아보기 2. 인포그래픽 제작 준비하기

과학 학습활동 1. 국가핵융합연구소 투어 미술

2. 주제를 선정하여 인포그래픽 제작하기

6

학습활동 마무리

1. 제작한 인포그래픽 발표 및 공유하기

2. 핵융합에너지 상용화를 이루는 데 남아있는 기술적 과제 살펴보기

3. Fusion 멘토링

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2015 융합인재교육(STEAM ) 프로그램

_지구에 인공태양만들기

1차시_

나라별 에너지 문제 해결책 찾기

학생용 활동지

✚

특명! 에너지 문제를 해결하라.

1. 현재 인류가 사용하고 있는 다양한 에너지원들의 특징을 알아봅시다.

장점 단점

화석

원자력

수력

장점 단점

태양열

풍력에너지 최근 몇 년간 미국, 우리나라 등에서 대도시 중심으로 일어났던 대규모 정전 사례는 에너지 부족 문제가 우리 생활과

직접적으로 연결되어 있음을 단적으로 보여주는 예입니다. 이상기후로 인한 전기수요 급증으로 예비전력이 안정 유지수준을 유지하지 못함에 따라, 순환정전을 통해 전기수요를 조절한 결과였습니다. 그로 인해 크고 작은 사고들 이 셀 수 없이 일어났고, 국민들은 큰 혼란을 겪어야 했습니다.

이처럼 오늘날 우리 사회는 에너지원 없이는 단 하루도 살아가기 힘들 정도로 에너지 의존도가 높아졌지만, 필요한 에너지의 양에 비해 우리가 생산할 수 있는 에너지의 양은 한정되어 있 어 점차 에너지 부족 문제가 심각해지고 있는 실정입니다.

2. 인류에게 필요한 미래 에너지의 조건에는 무엇이 있을까요?

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2. 인공태양프로젝트는 어떠한 에너지원을 개발하는 것을 목적으로 하나요?

1. 전 세계 선진 7개국이 미래에너지원 개발을 위해 공동으로 연구하고 있는 ‘인공태양 프로젝트’의 이름은 무 엇인가요?

3. 인공태양 프로젝트를 통해 얻게 될 에너지원의 특징은 무엇이 있나요?

인공태양 프로젝트 인공태양 알아보기

1. 태양이 무한한 에너지를 만들어내는 원리는 무엇인가요?

2. 태양에서 처럼 서로 밀어내는 힘을 지닌 원자핵들이 밀어내는 힘을 이기고 융합하기 위해서는 어떠한 환경 이 필요할까요?

태양에너지의 비밀은?

✚ 에너지 부족 문제와 에너지 사용에 의한 지구온난화와 같은 환경 문제는 한 나라의 문제가 아닌 전 세계가 공통적으로 겪고 있고 문제입니다. 인류의 에너지 문제 해결을 위해 선진국들을 중심으로 미래에너지원 개발 을 위한 공동연구 프로젝트가 진행되고 있습니다. 우리나라를 비롯해, 미국, 유럽연합, 일본, 중국, 러시아, 인도 등 7개국이 공동으로 추진하는 미래에너지 개발 프로젝트가 무엇인지 알아봅시다.

✚ 인류가 필요로 하는 미래에너지원 개발을 위해 우리나라를 포함한 선진국들이 공동으로 추진하고 있는 인공 태양은 어떠한 원리로 에너지를 만드는 것인지 알아봅시다.

태양은 지구에 사는 생명체에게 필요한 에너지를 제공하는 근원이다.

땅 속이나 깊은 심해에 사는 소수 생명체를 제외하고 지표 근처에 사는 대부분의 생명체는 태양에너지를 이용해서 살아간다. 식물은 광합성과 정을 통해서 태양에너지를 다른 형태의 에너지인 영양소로 바꾸어 사용 하며 뿌리나 줄기 잎, 그리고 열매 등에 저장하기도 한다. 그런 식물을 초 식동물이 먹고 육식동물은 그 초식동물을 먹이로 잡아먹고 살아가므로 결국 모든 생물들은 태양에너지를 먹고 사는 것이다. 태양은 현재 초당 약 3.9×1028J에 해당하는 에너지를 생산하는데 이는 핵폭탄 약 천조 (10¹⁵)개에 해당하는 에너지이다.

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물질의 네 번째 상태로 불리는 플라즈마는 고체, 액체, 기체로 알려져 있는 물질의 세 가지 상태에서 더 큰 에너지를 가했을 때, 기체를 이루고 있는 원자의 원자핵과 전자가 분리되는 상태를 말합니다. 사실 플라즈마 상태는 지구상에서는 흔하지 않은 현상이지만 우주에 서는 거의 모든 물질이 플라즈마 상태이며 태양의 대기 또한 플라즈마로 이루어져 있습니다. 태양과 같은 초고온의 플라즈마 상태에서 는 원자핵들이 융합하고, 그 과정에서 엄청난 핵융합에너지를 만들어 냅니다.

지구에서 플라즈마 현상을 볼 수 있는 대표적인 예로는 번개와 오로라 같은 자연 속 현상이 있으며, 형광등이나 네온사인 등도 우리가 생활 속에서 쉽게 볼 수 있는 플라즈마의 원리를 이용한 제품들입니다.

점차 플라즈마를 활용한 응용기술 연구가 활발해짐에 따라 앞으로는 의료, 농식품, 환경 등 더욱 다양한 분야에서 플라즈마를 만나게

4. 지구에서 태양처럼 핵융합 반응이 일어날 수 있는 환경을 만들어 주는 것은 무엇이라 하나요?

핵융합 반응이 일어날 수 있는 상태

고체 → 액체 → 기체 → (

)

4차시_

건전지 기차 만들기

학생용 활동지

전류의 공급과 상관없이 항상 자기를 유지하는 ( )과 달리, 도선에 전류를 흘려주면 ( ) 되고, 전류를 끊으면 ( ) 되지 않은 원래의 상태로 되돌아가는 자석을 말합니다. 영구자석으로는 얻을 수 없는 매우 강력한 자기장을 얻을 수 있습니다. 또한, 전자석은 극성이 정해져있지 않아 전류를 흘려주는 방 향에 따라 극이 달라질 수 있습니다.

3. 아래 그림에서 지구에서 만들 수 있는 핵융합 반응에 연료로 쓰이는 것을 적어보세요.

(

⁾

(

) 헬륨

3

^.

5MEV

중성자

14

.

1MEV

✚

게임 준비물

✚

게임방법

구리선, 나무막대, 건전지, 수수깡, 고무줄, 테이프, 펜, 각종 자석 등 다양한 도구

1. 구리선을 건전지의 지름보다 넓게 막대에 3~5mm 간격을 두어 감아줍니다.

2. 감은 구리선을 조심스럽게 나무 막대에서 분리합니다.

3. 구리선 레일이 완성되면, 건전지가 어떻게 레일을 지나가게 할지 고민해 봅니다.

4. 다양한 방법과 도구를 이용해 건전지 기차를 움직이게 하는 방법을 찾아봅니다.

5. 손을 사용할 수 없으며, 도구만을 이용해서 건전지 기차를 움직이게 합니다.

1. 전자석이란 무엇인가요?

(6)

관계를 설명한 것이 앙페르의 법칙입니다. 앙페르의 오른나사의 법칙 혹은 오른손 법칙이라고 불리기도 합니다.

2-1. 그림에 전류의 흐름 방향을 화살표로 표시해 보세요.

향은 ( )극에서 ( )극으로 흐릅니다.

+ -

솔레노이드 주위의 자기장의 방향 : 오른손 네손가락으로 전류의 방향을 가리키면 엄지의 방향이 N극의 방향입니다.

직선도선 주위의 자기장의 방향 : 전류의 방향을 오른손 엄지로 가리키면 네손가락으로 감싸는 방향이 자기장의 방향입니다.

TIP

3-1. 그림에 전류가 흐르는 방향과 자기장이 생기는 방향을 표시해보세요.

3-2. 그림에 전류가 흐르는 방향과 N극과 S극을 표시해보세요.

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4. 아래의 솔레노이드 코일 그림 위에 전류의 방향과 코일에 형성된 극을 표시해 보세요.

5. 전류의 방향과 코일에 형성된 극을 표시한 뒤, 건전지 기차가 코일 안에서 움직이려면 건전지 양끝에 어떤극 의 자석을 붙여야 할지 표시해 보세요.

도넛모양의 핵융합 장치, 토카막

토카막은 자석을 이용해 플라즈마를 가두어 핵융합 반응을 일으 키는 일종의 그릇입니다. 그러나 핵융합 반응이 일어나는 1억도 이 상의 초고온 플라즈마를 가둘 수 있는 물질은 지구상에 존재하지 않 으므로, 자기장처럼 눈에 보이지 않는 힘을 이용하여 고온의 플라즈 마를 가두는 방법을 고안하게 되었습니다.

플라즈마는 원자핵과 전자가 분리된 상태이므로 입자가 전하를 띠고 있어, 자기장을 걸어주면 자기력선 주위를 마치 꽈배기처럼 맴 돌며 일정한 방향으로 움직이게 되어 밖으로 빠져나가지 못하고 용 기 안에 묶여 있게 됩니다.

또한, 자기장을 일자로 만들 경우 플라즈마가 양 끝단으로 모두 흩 어져 버리기 때문에 양 끝단을 서로 붙여 도넛모양으로 만들어 플라 즈마가 운동장 트랙을 돌 듯 도넛 안을 끊임없이 돌도록 만들어 플라 즈마를 효율적으로 가둘 수 있게 되었습니다.

자기장이없을때

자기장이있을때

자기력선 전자

자석

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1. 우리나라의 인공태양 KSTAR에 대해 알게 된 것을 적어보세요.

-

2. 연구자들에게 더 질문하고 싶은 내용을 적어보세요.

•

-

KSTAR

의크기는높이(

)

m

,너비(

)

m

-

KSTAR

건설기간:

-

KSTAR

는초고온의(

)를가두는(

)을 발생시키기위해,저항이없는(

)을이용하여 제작되었습니다.

-

^{초전도자석을}^초전도^상태로^만들기^위해서는⁽

⁾ 을이용해(

^)℃까지^온도를^낮춰야^합니다.

KSTAR 알아보기 KSTAR 인포그래픽 만들기

1. 인공태양 KSTAR를 견학하며, 연구자의 설명을 듣고 괄호를 채워보세요.

1. 인공태양 KSTAR가 있는 장소는 과학자들이 연구를 하는 공간입니다. 이동시에 조용히!

2. KSTAR가 있는 장치실에 들어갈 때에는 노란색 안전모를 착용해야 합니다. 차근차근 한명씩 안 전모를 착용한 뒤에 장치실로 입장해주세요.

3. KSTAR 장치는 미래에너지를 만들기 위한 매우 중요한 장치입니다. KSTAR 장치실 내부에서 자유롭게 취재를 하되, 뛰거나 장난을 치는 등 과격한 행동은 삼가주세요.

4. 연구자 및 인솔자의 지시를 잘 따라주세요.

✚

주의사항

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1. 핵융합에너지 상용화에 남아있는 기술적 과제들은 무엇인가요?

2. 상용화를 앞당기기 위해 도전하고 싶은 연구 분야가 있나요?

① 고성능 플라즈마 장시간 유지 기술

② 고효율 에너지 기술

③ 극한 재료 기술 학생용 활동지

Fusion 멘토링

4. 연구자에게 조언을 구하고 싶은 내용을 적어본 뒤, 자유롭게 질문해 보세요. 연구자들은 어떤 조언을 해주었 나요?

3. 자신이 원하는 전공을 적어본 뒤, 연구자의 도움을 받아 핵융합 연구에 내가 원하는 전공을 어떻게 적용 할 수 있을지 적어보세요.

내가 하고 싶은 전공은 ( ) 입니다.

핵융합 연구에서 전공을 살릴 수 있는 분야는 ( ) 입니다.

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