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물리 [물리] [레디!퓨전] 상용화 정조준 소형 핵융합로, 반백년 기초연구의 산물
2023.09.16 01:45
[물리] [레디!퓨전] 상용화 정조준 소형 핵융합로, 반백년 기초연구의 산물
[레디!퓨전] 상용화 정조준 소형 핵융합로, 반백년 기초연구의 산물
입력2023.09.15. 오전 8:21
수정2023.09.15. 오후 6:01
● SPARC의 탄생 이끈 MIT 플라즈마 센터… 1960년부터 연구 시작한 결과
당시 알카토 C-모드 장비의 일부는 MIT 박물관으로 옮겨져 보관되고 있지만, 몸체는 여전히 센터에서 확인할 수 있다. 도넛 모양 토카막 알카토 C-모드는 국제핵융합실험로(ITER) 토카막의 800분의 1 크기로 매우 작은 편이다. 토카막 내부 중심에서 토카막 경계면까지의 길이가 약 22cm일 정도로 매우 좁다.
크기가 작음에도 8테슬라(T)의 강한 자기장을 생성할 수 있었던 건 고온 초전도자석을 사용했기 때문이다. 실험 결과 알카토 C-모드에서는 8000만도에 이르는 고온의 플라즈마를 만든 뒤 안정된 상태로 토카막 안에 가둬둘 수 있었다. 플라즈마는 높은 자기장에 의해 '공중부양'된 상태로 토카막 내벽에 닿지 않고 토카막 안을 회전한다.
알카토 C-모드는 PSFC가 만든 일련의 토카막 시리즈의 세 번째 버전이다. 1960년 프란시스 비터 교수가 '국립 자석 연구소'를 설립한 뒤 고자기장 자석을 연구하기 시작한 이래, 1976년 첫 토카막인 '알카토 A'가 처음으로 로손 조건(Lawson Creteria)을 만족했다. 로손 조건은 토카막이 자기점화(투입 전력보다 생산 전력이 많은 것)를 달성하기 위해 요구되는 플라즈마의 밀도, 온도, 플라즈마가 에너지를 잃지 않고 유지되는 시간(가둠 시간) 등을 말한다.
이후 1983년 개발된 알카토 C, 1991년 개발된 알카토 C-모드는 로손 조건 만족에 필요한 요건을 골고루 증가시키며 발전해왔다. 2025년 초 첫 플라즈마 생성을 목전에 둔 CFS의 소형 토카막 SPARC는 이처럼 반백년이 넘는 오랜 시간에 걸쳐 물리학자들이 이론을 정립하고 실험을 거듭해 온 결과물이다.
알카토 C-모드는 플라즈마 내부에 마이크로파를 가해 플라즈마 전류를 한 방향으로 흐르게 하는 방식으로 토카막 내부에 가둬 놓는다. 이를 '낮은 하이브리드 전류 유도(LHCD)'라고 한다. 그러나 물리학계가 약 40년 간 풀지 못한 문제가 있었다. 플라즈마 밀도를 높이면 전류를 유도하는 성능이 떨어지는 것이다. 백 연구원은 "빵(전류)이 10조각, 플라즈마도 10개 있을 땐 빵 1조각 씩 나눠가지면 되는데 플라즈마만 100개로 늘면 플라즈마가 얻는 전력이 줄고, 그 결과 플라즈마의 운동량이 줄어드는 것"이라고 비유했다.
백 연구원의 연구팀은 2018년 토카막 경계면에서 발생하는 난류가 토카막 내부로 유입되는 마이크로파 전력에 영향을 줘서 마이크로파가 산란되거나 불안정성을 보인다는 사실을 발견했다. 마이크로파 전력의 손실을 막으려면 경계면 난류를 줄여야 하며, 장치 내의 총 전류를 증가시키는 방법으로 이를 해결할 수 있다는 결론에 이르렀다. 실제 연구 결과, 총 전류를 3배 가까이 높이자 플라즈마의 밀도를 높여도 플라즈마 전류가 효과적으로 생성됐다.
백 연구원은 "토카막에선 최소한의 에너지 투입으로 최대한의 에너지를 뽑아내는 효율성이 중요하다"며 "이론적 접근을 벗어나 실제 핵융합기를 운영할 때 얼마만큼의 효율을 낼 수 있고 어떤 환경적인 요인을 고려해야할지 실험적으로 확인했다는 데서 의의가 있다"고 말했다.
※이 기사는 정부광고 수수료로 조성된 언론진흥기금의 지원을 받았습니다.
[출처] https://n.news.naver.com/article/584/0000024314?ntype=RANKING
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