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- 초고온 플라즈마의 가장자리에서 파괴적인 난기류를 방지할 수 있는 방법을 알아내
- 플라즈마 밀도, 모양 및 자기장 라인이 결정적
- 작동 모드는 미래 핵융합 발전소에서 플라즈마에 대한 가장 유망한 시나리오

핵융합로의 플라즈마 문제 해결
ITER에서 파괴적인 플라즈마 불안정성을 피하는 방법

중요한 발전
물리학자들이 미래 핵융합로가 직면한 주요 문제 중 하나를 해결했음에 틀림없다. 그들은 초고온 플라즈마의 가장자리에서 파괴적인 난기류를 방지할 수 있는 방법을 알아냈기 때문에 위험한 벽 손상을 방지할 수 있다. 손상은 가장자리에서 증가된 플라즈마 밀도와 자기장 라인의 특수 정렬로 인해 플라즈마 불안정성이 더 자주 발생하고, 이로써 훨씬 약해지는 것으로 나타난다. 

▲ 핵융합 발전소에서는 플라즈마 가장자리에서 난류가 발생하는데, 이는 Garching의 ASDEX 업그레이드와 같은 소규모 테스트 원자로에서는 아직 문제가 되지 않지만 대형 핵융합 원자로에서는 벽을 파괴할 수 있다. © 플라즈마 물리학을 위한 MPI

융합 원자로는 미래의 유망한 에너지원으로 간주된다. 그러나 핵융합으로 전기를 생산하기 위해서는 수소, 중수소, 삼중수소로 이루어진 플라즈마를 1억도 이상 가열해야 한다. 세계의 어떤 물질도 이러한 열을 견딜 수 없기 때문에 핵융합 플라즈마는 자기장에 의해 차단되어야 하고 원자로 벽에서 멀리 떨어져 있어야 한다. 이를 위한 기술은 JET(Joint European Torus), 현재 프랑스에서 건설 중인 ITER 및 기타 대체 건설 유형과 같은 시험 원자로에서 연구되고 있다.

파괴적인 입자 폭발

그러나 문제가 있다. 고온의 토로이달 핵융합 플라즈마의 가장자리에서 불안정이 계속해서 발생한다. 즉, 고에너지 입자가 플라즈마 원환체(plasma torus)에서 튀어나와 반응기 벽에 부딪히는 난류가 생성되는 것이다. 이러한 소위 ELM(Edge Localized Modes)은 이미 제트 테스트 반응기에서 텅스텐 타일을 녹이게 했다. 점화되고 자체 유지되는 플라즈마가 있는 미래의 핵융합로에서 파괴적인 영향은 수천 배 더 클 것이다.

"이러한 Type Ⅰ의 ELM은 오늘날의 테스트 시설에서 여전히 견딜 수 있지만 ITER 또는 DEMO와 같은 미래 핵융합 발전소와 같은 더 큰 핵융합로의 벽 구성요소에 심각한 위협이 된다"고 비엔나 공과대학과 독일 바이에른 주에 있는 가싱(Garching)의 Max Planck 플라즈마 물리학 연구소의 게오르그 하러(Georg Harrer)는 설명했다. 그러나 지금까지 대형 원자로에서 쉽게 구현할 수 있는 이러한 불안정성에 대한 대책은 없었다.

"플라즈마를 원자로 벽으로부터 완벽하게 절연시키고 싶지는 않다. 결국 새로운 연료가 공급되어야 하고 핵융합 과정에서 생성된 헬륨은 제거되어야 한다"고 비엔나 공과 대학의 프리드리히 아우마이어(Friedrich Aumayr)가 설명했다.

▲ 현재 프랑스에서 건설 중인 유럽형 핵융합로 ITER 모델. © Oak Ridge National Laboratory/ CC-by 2.0

적은 수의 큰 것보다 많은 작은 것

물리학 팀은 이 딜레마에 대한 해결책을 찾았을 수 있다. 연구를 위해 가싱(Garching)의 ASDEX 업그레이드 토카막(tokamak) 테스트 반응기를 사용해 ELM 불안정성에 영향을 미치는 매개변수를 더 자세히 조사했다. 목표는 플라즈마의 가장자리 난류가 주파수는 증가하지만 강도는 감소하는 방식으로 제어될 수 있는 방법을 찾는 것이었다. 이것은 파괴적인 입자 분출을 피할 수 있다.

"물이 끓기 시작하는 뚜껑이 있는 냄비와 비슷하다"며 “계속 압력을 가하고 뚜껑을 들어 올리면 증기가 빠져나가 뚜껑이 심하게 덜컥거린다. 반면에 뚜껑을 살짝 기울이면 증기가 계속해서 빠져나갈 수 있지만 뚜껑은 안정적으로 유지되고 덜거덕거리지 않는다”고 하러는 설명했다. 유사하게, 핵융합 반응기에서 연속적인 작은 입자 폭발은 너무 짧고 약해서 반응기 벽을 가열할 수 없다. 덜걱거리는 것이 아니다.

그러나 지금까지는 Type II ELM으로도 알려진 그러한 약한 고주파 ELM 난류는 더 작은 시스템에서만 보고 생성될 수 있다고 생각했다. Harrer의 동료인 리디야 라도바노비치(Lidija Radovanovic)는 "새로운 실험과 시뮬레이션을 통해 작동 모드가 원자로를 위한 매개변수 범위에서 위험한 불안정성을 예방할 수도 있음을 보여줄 수 있었다“고 보고했다.

플라즈마 밀도, 모양 및 자기장 라인이 결정적이다.

구체적으로 말하면, 특히 두 가지 매개변수가 이를 결정하는 것으로 나타났다.
첫 번째 요인은 토러스 가장자리에서 플라즈마 밀도를 높이고 자기 코일에 의해 전체 플라즈마를 삼각형 모양으로 만드는 것은 국부적 플라즈마 흐름을 느리게 한다. 이것은 차례로 작고 고주파수 불안정성의 비율을 높이는 데 도움이 된다.

두 번째 요인은 플라즈마 흐름을 제한하는 자기장 라인의 권선이다. JET, ITER 또는 ASDEX 업그레이드와 같은 토카막 핵융합 장치에서 이러한 자기장 라인은 복잡한 나선 모양으로 플라즈마 링 주위를 감는다. 개별 권선은 플라즈마의 밀도 구배와 동일한 방향으로 실행되거나 실행되지 않을 수 있다. 가능한 가장 높은 전단력이 있는 교차점을 통해 단방향 필드 라인의 비율을 늘리면 약하고 무해한 난류가 촉진된다는 사실을 발견했다.

ITER 과 대형 원자로 등도 가능

이러한 조치의 요지는 소규모 시험시설뿐만 아니라 ITER와 같은 대형 원자로나 DEMO와 같은 미래 핵융합발전소에서도 시행될 수 있다는 점이다. Harrer의 동료인 Elisabeth Wolfrum은 "우리의 연구는 대형 I형 ELM의 발생 및 예방을 이해하는 데 있어 돌파구를 보여준다. 우리가 제안하는 작동 모드는 틀림없이 미래 핵융합 발전소에서 플라즈마에 대한 가장 유망한 시나리오다”고 말했다.
(Physical Review Letters, 2022; doi:10.1103/PhysRevLett.129.165001)
출처: 막스 플랑크 플라즈마 물리학 연구소, 미국 물리 학회(APS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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