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높은 플라즈마 밀도와 43초간의 플라즈마 방전 조건에서 최대 섭씨 3천만 도의 온도에 도달

핵융합: 벤델슈타인 7-X, 신기록 달성
세계에서 가장 강력한 스텔라레이터, 트리플 제품 가치 신기록 달성

핵융합 발전:
독일의 시험용 원자로 벤델슈타인 7-X는 소위 트리플 제품이라 불리는 핵융합 플라즈마의 온도, 밀도, 그리고 연소 시간에서 새로운 기록을 달성했다. 수소 플라즈마는 3천만 도까지 가열되었고, 최대 에너지 준위를 43초 동안 유지했다. 이는 장시간 플라즈마 방전을 갖춘 핵융합로의 새로운 세계 기록이며, 스텔라레이터 기반 시스템에서 달성된 최고 기록이다. 

▲ 그라이프스발트에 있는 벤델슈타인 7-X 핵융합 시험로 내부. 물리학자들이 이 시설에서 새로운 기록을 세웠다. © MPI for Plasma Physics/ Jan Hosan

핵융합은 미래의 잠재적 에너지원으로 여겨지지만, 어떤 유형의 원자로가 이 목적에 가장 적합한지에 대한 논쟁은 여전히 ​​남아 있다. 예를 들어, 레이저 핵융합은 핵융합 플라즈마 점화를 달성했지만, 한 번에 사용할 수 있는 연료의 양이 매우 적다. ITER 대형 원자로와 같은 토카막 원리에 기반한 자기 밀폐형 원자로는 한 번에 많은 양의 플라즈마를 가열하여 높은 출력을 얻을 수 있지만, 한 번에 몇 초 동안만 사용할 수 있다. 반면, 스텔라레이터형 자기밀폐형 원자로는 이론적으로는 연속 운전이 가능하지만 매우 복잡하다.

스텔라레이터는 복잡한 설계로 인해 토카막보다 개발이 덜 진행되었지만, 핵융합 발전소에 더 유망한 대안으로 여겨지고 있다. 또한 스텔라레이터는 이제 "경쟁자"에 점점 더 가까워지고 있다. 이러한 개발의 핵심 요인은 이 원리를 기반으로 한 세계 최대 규모의 시험로인 그라이프스발트에 있는 벤델슈타인 7-X이다. 이 원자로는 최근 몇 년 동안 플라즈마 에너지 변환 부문에서 2023년, 핵융합 생성물 부문에서 2018년을 포함하여 여러 기록을 세웠다.

▲ 매우 복잡한 시설: 그라이프스발트에 위치한 벤델슈타인 7-X 실험실. © MPI for Plasma Physics/ Jan Hosan

삼중 생성물 기록

벤델슈타인 7-X 핵융합로에서 새로운 기록이 수립되었다. 최근 완료된 실험에서 이 시험 시설은 장시간 플라즈마 방전 중 삼중 생성물에서 새로운 세계 기록을 달성했다. 삼중 생성물은 핵융합로의 핵심 성공 요인이다. 특정 임계값을 초과하면 원자로는 가열 전력 형태로 필요한 것보다 더 많은 에너지를 생성한다. 그러면 핵융합 반응은 추가 가열 없이 자체적으로 지속된다.

삼중 생성물의 이 중요한 임계값은 3x10^21m-3 keV s이다. 이 값은 플라즈마 밀도, 플라즈마 내 핵융합 이온의 온도, 그리고 핵융합 플라즈마가 재가열 없이 열을 유지하는 시간의 조합으로 결정된다. 벤델슈타인 7-X 시험로에서 핵융합 플라즈마는 높은 플라즈마 밀도와 43초간의 플라즈마 방전 조건에서 최대 섭씨 3천만 도의 온도에 도달했다.

토카막 수준의 값

"이 새로운 기록은 벤델슈타인 7-X의 잠재력을 인상적으로 보여준다"고 막스 플랑크 플라즈마 물리학 연구소(IPP) 벤델슈타인 7-X 운영 책임자인 토마스 클링거는 말했다. 새롭게 측정된 값은 토카막 핵융합로에서 달성한 일부 삼중 생성물의 값을 능가하기도 했다. 짧은 플라즈마 지속 시간에서도 여전히 더 나은 성능을 발휘하지만, 웬델슈타인 7-X는 미래 핵융합 발전소에 필수적인 긴 플라즈마 연소 시간에서 새로운 기록을 세웠다.

막스 플랑크 플라즈마 물리학 연구소(IPP)의 웬델슈타인 7-X 운영 책임자인 토마스 클링거는 "긴 플라즈마 지속 시간에서 삼중 생성물을 토카막 수준까지 끌어올릴 수 있었다는 사실은 발전소에 적합한 스텔라레이터 개발 과정에서 또 다른 중요한 이정표를 세웠다"고 말했다. 스텔라레이터에서 진행된 이번 실험에서 물리학자들은 에너지 변환 효율을 1.3기가줄에서 1.8기가줄로 높이는 데 성공했다. 이 값은 결합 가열 전력에 방전 시간을 곱하여 계산된다.

▲ 핵융합 시험로에서 생성된 삼중 생성물 비교. 토카막 반응로는 짧은 플라즈마 지속 시간에 탁월한 반면, 웬덴슈타인 7-X는 30초를 초과하는 긴 플라즈마 방전 시간 기록을 세웠다. © MPI for Plasma Physics, Dinklage et al. / X. Litaudon et al. 2024 Nucl. Fusion 64 015001

핵심 요소인 펠릿 주입

미국에서 개발된 펠릿 주입기는 핵융합 플라즈마에 수소를 공급하며 새로운 세계 기록 달성에 중요한 역할을 했다. 약 3mm 두께의 동결된 수소 가닥을 생성하고, 이를 3.2mm 길이의 원통형 펠릿으로 나누어 고압으로 플라즈마에 주입한다. 핵융합 플라즈마를 너무 많이 냉각시키지 않고 "공급"하기 위해서는 이 펠릿 공급이 빠르면서도 유연하게 제어되어야 한다.

기록적인 삼중 생성물 실험에서, 약 90개의 수소 펠릿이 43초 동안 지속되는 빠른 순서로 주입되었고, 동시에 강력한 마이크로파가 플라즈마를 가열했다. 물리학자들은 가열과 펠릿 주입기를 정밀하게 조정해야 했다.

MPI 플라즈마 물리학과의 로버트 울프는 "이 실험의 기록은 단순한 측정값 그 이상이다"고 강조하며, "뛰어난 국제 협력을 통해 가능해진 스텔라레이터 개념의 검증에 있어 중요한 진전을 보여준다"고 덧붙였다.
출처: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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