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* 핵융합로에는 토카막과 스텔라레이터의 두 가지 다른 구성 원리가 있다.
* 스텔라레이터 방식은 고성능 불가능하지만 연속 작동이 가능
* 토카막은 짧은 방전만 생성할 수 있으므로 핵융합 조건이 영구적으로 지속되지 않는다.
* 1억 5천만도 도달을 위해 두개의 난방 시스템 사용

ITER는 어떻게 작동하는가?
플라즈마, 자기 케이지 그리고 빠른 입자.

핵융합로에는 토카막과 스텔라레이터의 두 가지 다른 구성 원리가 있다.
둘 다 진공 챔버 내부에 환형 플라즈마 흐름을 생성한다. 그러나 플라즈마가 동시에 이동되고 구속되는 방식이 다르다. 

▲ 3개의 자석 시스템이 있는 토카막의 구성 원리. © Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

스텔라레이터에서 복잡한 권선 코일 시스템은 플라즈마의 자기 감금 및 이동을 보장한다.
무엇보다도 독일의 Wendelstein 7-X 핵융합 시험로에 사용되는 이 구성 원리는 아직 이러한 고성능을 달성하지 못했지만 연속 작동이 가능하다. 따라서 이론적으로 이러한 원자로는 핵융합 발전소에 더 적합하지만 아직 충분히 개발되지 않았다.

3개의 자석 시스템

따라서 더 잘 연구된 두 번째 변종인 토카막(tokamak)이 ITER에 사용된다.
건설 원리는 1960년대 러시아 핵융합 연구원에 의해 개발되었으며 그 이후로 많은 소형 시험 원자로에서 구현되었다.

스텔라레이터와 달리 토카막은 중심에 변압기 코일이 있어 플라즈마에 자기장을 포함한 강한 고리 모양의 전류를 유도한다. 추가 자기 링이 플라즈마 흐름 주위에 배열되어 플라즈마 자기장이 나선형으로 회전한다. 전체 토러스 주위에 수평으로 움직이는 세 번째 자석 그룹은 추가적인 안정화를 제공한다.

이전의 토카막과 달리 ITER의 중심 솔레노이드 코일과 토로이달 링 자석은 구리가 아니라 초전도체 니오븀 주석(Nb3Sn)으로 만들어졌다. 그들은 액체 헬륨으로 4.5켈빈으로 냉각되고 중앙 코일에서 13테슬라, 플라즈마 흐름에서 5.7테슬라의 자기장을 생성할 수 있다.

이는 이전의 다른 어떤 핵융합로보다 더 많다.
스텔라레이터와 달리 토카막은 이 강도로 짧은 방전만 생성할 수 있으므로 핵융합 조건이 영구적으로 지속되지 않는다.

진공에서 핵융합으로

핵융합을 시작하기 위해 모든 가스는 먼저 환형 진공 챔버에서 펌핑된다.
그런 다음 외부의 감금 자기장이 형성되고 수소 가스가 도입된다. ITER의 경우 첫 번째 테스트 실행에서는 일반 수소가 사용되며, 주요 작동에서는 중수소와 삼중수소의 혼합물로 대체된다. 둘 다 핵에 하나 또는 두 개의 추가 중성자가 있는 더 무거운 수소 동위원소다.

이제 중앙 솔레노이드 코일이 방전되기 시작한다.
챔버의 수소 원자에서 전자를 뽑아내어 플라즈마로 바꾸는 전기장을 생성한다. 자기장 세기가 증가함에 따라 이 플라즈마는 점점 더 빠르게 움직이기 시작하고 중심축을 중심으로 나선형으로 움직이기 시작한다. 동시에 플라즈마는 입자의 움직임과 충돌로 인해 가열된다.

한편, 외부 자석 시스템은 플라즈마가 챔버의 내벽에 직접 닿지 않고 부유 상태로 유지되도록 한다. 그 결과, 플라즈마는 전체 내부 공간 1400㎥(입방미터) 중 840㎥만 차지한다. 중수소 및 삼중수소의 프로즌 펠릿 형태의 추가 연료는 가열하는 동안 플라즈마에 주입될 수 있다. 큰 부피에도 불구하고 플라즈마 챔버에는 약 1g 이상의 핵융합 연료가 들어 있지 않다.

 

▲ 중앙 솔레노이드(상단 중앙) 및 ITER의 외부 난방 시스템(하단). © ITER

빠른 입자와 방사선에 의한 외부 가열

플라즈마 흐름에 의해 생성된 열은 핵융합에 필요한 약 1억 5천만 도의 온도에 도달하기에 충분하지 않다. 이것이 ITER이 2개의 추가 난방 시스템을 사용하는 이유다.

첫 번째는 소위 중성 주입으로, 1MeV(메가 전자볼트)로 가속된 중수소 원자 빔이 플라즈마에 주입된다. 이 입자는 충돌을 통해 에너지를 플라즈마 입자로 전달하여 플라즈마를 융합 온도에 가깝게 만든다.

두 번째 외부 히터는 주방의 전자레인지와 유사한 전자기 복사를 통해 작동한다.
이를 위해 ITER의 사이클로트론 히터는 40~55MHz 및 170GHz의 두 가지 주파수에서 복사를 플라즈마로 보낸다. 이것은 플라즈마의 이온이나 전자에서 공명 진동을 유발하여 더 가열한다. 저항 가열, 중성 주입 및 사이클로트론 복사의 세 가지 가열 시스템 모두가 함께 ITER 코어의 플라즈마를 1억 5천만 도까지 끌어올려 핵융합을 가능하게 한다.

[더사이언스플러스]

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