스텔라레이터

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1. 개요

스텔라레이터는 핵융합 연구를 위한 자기 가둠 장치의 한 종류이다. 8자 형태의 토러스 구조를 변형하여 플라즈마를 안정적으로 가두는 방식으로, 1950년대 라이먼 스피처에 의해 고안되었다. 스텔라레이터는 플라즈마 내 전류가 없어 토카막보다 안정성이 높지만, 강력한 전자석이 필요하다는 특징이 있다. 초기에는 8자형, 고전적 형태의 스텔라레이터가 연구되었으며, 토르사트론, 헬리오트론, 헬리악, 헬리아스 등 다양한 구조적 형태가 개발되었다. 최근에는 에너지 수송 감소를 위한 연구가 진행되고 있으며, 독일의 벤델슈타인 7-X, 미국의 HSX 등에서 실험이 이루어지고 있다.

2. 역사

제2차 세계 대전 이후, 플라스마 가둠을 위한 여러 방법들이 연구되었다. 조지 패짓 톰슨은 플라스마에 전류를 흘려 자기장을 만드는 Z-핀치 방식을 개발했다.^[42] 이 방식은 로렌츠 힘을 이용하여 플라스마를 가두는 방식이었다. 1940년대 후반, 영국의 여러 연구팀들이 이 기술을 이용한 실험 장치들을 만들었다.^[42]

한편, 아르헨티나로 이주한 독일 과학자 로널드 리히터는 전기 아크와 음파 압축을 사용하는 써모트론(Thermotron)을 개발하여 후안 페론을 설득, 우에물 프로젝트라는 실험 원자로 개발 자금을 지원받았다. 리히터는 핵융합에 성공했다고 주장했지만, 다른 참여자들은 이에 동의하지 않았다.^[5]

라이먼 스피처는 뉴욕 타임스에 실린 리히터의 실험 관련 기사를 읽고, 핵융합 실험의 문제점을 파악했다. 그는 리히터의 방식은 충분한 에너지를 공급할 수 없다고 판단하고 스키 리프트를 타던 중, 스텔라레이터라는 새로운 개념을 고안했다.^[6]

스텔라레이터는 토러스를 8자 형태로 만들어 플라스마 입자의 불안정한 움직임을 줄이는 방식이었다. 이 방식을 통해 플라스마를 충분히 오랫동안 가두어 핵융합 온도에 도달할 수 있을 것으로 기대되었다.^[42]

2. 1. 이전의 연구

1934년, 어니스트 러더퍼드는 마크 올리펀트, 폴 하르테크와 함께 입자 가속기를 사용하여 중수소 핵을 중수소, 리튬 등을 포함한 금속박에 충돌시켜 최초로 인위적인 핵융합을 성공시켰다.^[4] 이 실험을 통해 다양한 핵융합 반응에서 핵 단면적을 측정할 수 있었고, 중수소-삼중수소 반응이 약 100 keV (약 10억 켈빈 온도)의 낮은 에너지 준위에서 일어난다는 것을 발견했다.

맥스웰-볼츠만 분포에 따르면, 훨씬 낮은 온도에서도 기체는 100 keV를 넘는 입자들을 포함하고 있다. 핵융합 반응은 투입되는 에너지보다 더 큰 에너지를 방출하기 때문에, 적은 수의 입자만 반응해도 핵융합에서 발생하는 에너지로 기체 전체를 높은 온도로 유지할 수 있다. 1944년 엔리코 페르미는 이러한 현상이 약 섭씨 5천만 도에서 일어날 수 있음을 보였다. 한편, 높은 온도의 플라스마를 가두는 것이 중요한 과제였다. 어떤 물질도 플라스마의 높은 온도를 견딜 수 없었지만, 플라스마는 전기 전도성이 있어 전기장과 자기장의 영향을 받기 때문에 자기장을 이용한 가둠 방식이 고안되었다.

자기장 안에서 플라스마는 자기력선을 따라 운동한다. 입자를 가두기 위한 한 가지 방법은 솔레노이드를 사용하는 것이다. 솔레노이드는 중심축과 평행한 자기력선을 형성하여 입자들이 벽에서 떨어져 운동하게 만든다. 유한한 길이의 솔레노이드로는 플라스마를 가둘 수 없는데, 이 문제는 솔레노이드를 구부려 토러스 (도넛) 모양으로 만들어 해결할 수 있다. 그러나 순수한 토러스 구조는 도선의 공간상 배치가 불균일하다는 한계가 있었다. 페르미는 이러한 특징으로 인해 장치 내부에서 전하 분리가 일어나 큰 전압이 발생할 것이라고 지적했다.

2. 2. 스텔라레이터의 탄생

제2차 세계 대전 이후, 플라스마 가둠을 위한 여러 방법들이 연구되었다. 조지 패짓 톰슨은 플라스마에 전류를 흘려 자기장을 만드는 Z-핀치 방식을 개발했다.^[42] 이 방식은 로렌츠 힘을 이용하여 플라스마를 가두는 방식이었다. 1940년대 후반, 영국의 여러 연구팀들이 이 기술을 이용한 실험 장치들을 만들었다.^[42]

한편, 아르헨티나로 이주한 독일 과학자 로널드 리히터는 전기 아크와 음파 압축을 사용하는 써모트론(Thermotron)을 개발했다. 그는 후안 페론을 설득하여 우에물 프로젝트라는 실험 원자로 개발 자금을 지원받았다. 리히터는 핵융합에 성공했다고 주장했지만, 다른 참여자들은 이에 동의하지 않았다.^[5]

라이먼 스피처는 뉴욕 타임스에 실린 리히터의 실험 관련 기사를 읽고, 핵융합 실험의 문제점을 파악했다. 그는 리히터의 방식은 충분한 에너지를 공급할 수 없다고 판단했다. 스키 리프트를 타던 중, 스피처는 스텔라레이터라는 새로운 개념을 고안했다.^[6]

스텔라레이터는 토러스를 8자 형태로 만들어 플라스마 입자의 불안정한 움직임을 줄이는 방식이었다. 이 방식을 통해 플라스마를 충분히 오랫동안 가두어 핵융합 온도에 도달할 수 있을 것으로 기대되었다.^[42]

2. 3. 마터호른 프로젝트

1950년 로스앨러모스에서 일하던 존 아치볼드 휠러는 프린스턴 대학교에 비밀 연구실 설립을 제안했고, 스피처는 핵융합 연구를 위해 이 프로젝트에 참여했다.^[43] 스피처는 스텔라레이터의 기본 구조, 문제점, 플라스마 안정성, 가열 방법, 불순물 처리 등에 대한 심층적인 분석을 담은 논문을 발표했다.

스피처는 에너지 부서(DOE)에 자금 지원을 요청하여 모델 A, 모델 B, 모델 C 개발을 순차적으로 진행하는 계획을 제안했다. 모델 A는 플라스마 생성이 가능하고 유지 시간이 토러스보다 길다는 것을 입증하는 것이 목표였다. 모델 A가 성공하면 모델 B는 플라스마를 핵융합 온도까지 가열하고, 모델 C는 대규모 핵융합 반응을 실제로 일으키는 것을 목표로 했다.

비슷한 시기에 짐 턱은 옥스퍼드 대학교 클라렌던 연구소에서 핀치 장치를 고안해냈다. 턱은 미국에서 일자리를 제안받아 로스앨러모스로 가게 되었고, 그곳에서 다른 연구원들에게 핀치 장치에 대해 설명했다. 스피처가 스텔라레이터를 홍보하러 온다는 소식을 듣고 턱은 스피처에게 핀치 장치를 만들어볼 것을 제안했지만, 스피처만 DOE로부터 50000USD를 지원받았다.

1951년 7월 1일, 핵융합 연구 프로젝트 "매터호른 프로젝트"가 공식적으로 시작되었다. 이 프로젝트의 이름은 열렬한 등산가였던 스피처가 '연구는 마치 마터호른 산을 오르는 것처럼 힘들다'는 이유에서 제안한 것이었다. 연구는 스피처가 스텔라레이터를 연구하는 S 부서와 휠러가 폭탄 제조를 연구하는 B 부서로 나누어 진행되었다.

2. 4. 초기의 장치들

모델 A는 총 길이가 350cm 정도인 파이렉스 튜브로 제작되었으며, 약 1,000 가우스의 자력을 낼 수 있는 자석을 사용했다.^[44] 1953년 초에 작동을 시작한 이 장치는 단순한 토러스보다 향상된 가둠을 분명히 보여주었다.^[44]

이후 모델 B가 제작되었지만, 자석이 제대로 장착되지 않아 50,000 가우스의 최대 용량으로 전원을 공급하면 움직이는 문제가 있었다. 두 번째 설계도 같은 이유로 실패했지만, 이 기계는 수백 킬로볼트의 X선을 보여주며 가둠이 잘 이루어지고 있음을 시사했다. B-1은 오믹 가열(아래 참조)을 사용하여 플라즈마 온도를 약 100,000도까지 올렸다.^[44] 이 기계는 플라즈마 내 불순물이 플라즈마를 빠르게 냉각시키는 큰 X선 방출을 유발한다는 것을 보여주었다. 1956년, B-1은 불순물을 줄이기 위해 초고진공 시스템으로 재건되었지만, 소량에서도 여전히 심각한 문제임을 발견했다. B-1에서 관찰된 또 다른 효과는 가열 과정에서 입자가 수십 밀리초 동안만 가두어지는 반면, 전장이 꺼지면 남아있는 입자는 10밀리초 동안 가두어진다는 것이었다. 이는 플라즈마 내의 "협력 효과" 때문인 것으로 보였다.^[44]

B-2는 B-1과 유사했지만 펄스 전원을 사용하여 더 높은 자기 에너지를 낼 수 있었고, 자기 펌핑이라고 알려진 두 번째 가열 시스템을 포함했다. 이 기계는 또한 초고진공 시스템을 추가하도록 수정되었다. 불행히도, B-2는 자기 펌핑으로 인한 가열이 거의 나타나지 않았는데, 이는 이 메커니즘이 더 긴 가둠 시간을 필요로 했고, 이것이 달성되지 않았기 때문이다. 1958년 제네바에서 열린 원자력 평화 이용 전시회에 보내졌다.^[44] 그러나 가열 시스템이 수정되자 결합이 극적으로 증가하여 가열 섹션 내의 온도가 1000eV까지 나타났다.^[44]

펄스 작동을 연구하기 위해 두 대의 기계가 추가로 제작되었다. B-64는 1955년에 완성되었으며, B-1 기계의 더 큰 버전이었지만 최대 15,000 가우스를 생성하는 전류 펄스로 구동되었다. 이 기계는 다이버터를 포함하여 플라즈마에서 불순물을 제거하여 이전 기계에서 관찰된 X선 냉각 효과를 크게 줄였다. B-64는 곡선 끝 부분에 직선 구간을 포함하여 사각형 모양을 나타냈다. 1956년에는 튜브의 뒤틀림 없이 기계를 재조립하여 입자가 회전 없이 이동할 수 있도록 하는 실험이 진행되었다.^[44]

1957년에 완성된 B-65는 새로운 "경주로" 레이아웃을 사용하여 제작되었다. 이는 장치의 곡선 부분에 나선형 코일을 추가하면 결과 자기장만으로 회전을 유도하는 자기장이 생성된다는 관찰의 결과였다. 이것은 자기장이 ''전단''을 포함한다는 이점을 추가로 제공했으며, 이는 안정성을 개선하는 것으로 알려져 있었다.^[44] B-3는 초고진공과 최대 50,000 가우스의 펄스 가둠 및 최대 0.01초의 예상 가둠 시간을 가진 대폭 확대된 B-2 기계였다. 1957년에 완성되었다. B-시리즈 기계의 마지막은 1958년에 완성된 B-66으로, B-65의 경주로 레이아웃과 B-3의 더 큰 크기 및 에너지를 기본적으로 결합한 것이었다.^[44]

하지만, 이 모든 더 큰 기계는 "펌프 아웃"으로 알려지게 된 문제를 보여주었다. 이 효과는 플라즈마 드리프트 속도를 고전 이론에서 제시된 것보다 높을 뿐만 아니라 뵘 속도보다 훨씬 더 높게 만들었다. B-3의 드리프트 속도는 최악의 경우 뵘 예측의 세 배나 되었으며, 수십 마이크로초 이상 가둠을 유지하는 데 실패했다.^[44]

2. 5. 모델 C

모델 C는 여러 개의 열 공급원과 다이버터를 가진 대형 실험 장치로, 1958년에 건설이 시작되어 1961년에 완공되었다.^[44] 이전 모델들의 실험 결과는 자기력선을 가로지르는 이온 수송이 고전 이론적 계산보다 훨씬 높아 핵융합 발전이 어렵다는 것을 보여주었다. 자기장 크기를 늘려도 가둠 시간이 쉽게 개선되지 않아, 연구자들은 플라즈마 이론 연구에 집중했다.

1961년, 멜빈 고틀리브가 스피처의 마터호른 프로젝트를 인계받았고, 프로젝트는 프린스턴 플라즈마 물리 연구소(PPPL)로 이름이 변경되었다. 모델 C에 대한 지속적인 실험과 개선을 통해 가둠 시간은 예측값과 일치하는 수준으로 향상되었다. 1964년에는 이온 입자를 발사하여 핵융합로 내부에서 충돌시켜 온도를 높이는 중성 입자 빔(NBI) 방식이 개발되었다.^[44]

1969년, 모델 C는 자기 시스템 수정과 새로운 가열 방식 추가를 통해 400eV의 전자 온도에 도달했다. 한편, 단일 전자석 코일 세트를 이용한 여러 스텔라레이터들이 등장했다. 모델 C는 분리된 나선 코일을 사용했지만, 이 코일들을 합칠 수 있다는 것이 확인되어 토르사트론이 등장하게 되었다.

2. 6. 토카막

1968년, 소련 과학자들은 토카막 T-3의 연구 결과를 발표했고, 전 세계적으로 토카막 연구 경쟁이 시작되었다. 영국의 전문가 팀은 소련의 ZETA 핵융합로에서 개발된 레이저 기반 시스템을 이용하여 1,000eV 수준의 온도 조건을 달성해냈음을 확인했다.

1969년 7월, 모델 C의 연구 방향이 토카막으로 전환되었고, 12월에 가동이 중단되었다가 이듬해 5월에 대칭 토카막(ST)으로 재개되었다. ST는 소련의 토카막 성능에 필적하는 결과를 보였고, 모델 C의 결과를 10배 이상 뛰어넘었다. 이 시기에 PPPL은 미국의 토카막 개발을 주도하게 되었고, 다양한 장치들을 고안해냈다.

2. 7. 스텔라레이터의 부상

토카막 방식의 문제점이 커지면서, 스텔라레이터 방식에 대한 관심이 다시 떠올랐다.^[2] 이는 복잡한 자석 설계를 가능하게 하는 첨단 컴퓨터 지원 계획 도구의 개발과 일치했다. 이러한 자석은 이전에는 알려져 있었지만, 설계 및 제작이 너무 어렵다고 여겨졌다.^[9]^[10]

새로운 재료와 건설 방법은 자기장의 품질과 강도를 높여 성능을 향상시켰다. 이러한 개념을 시험하기 위해 새로운 장치가 건설되었다. 주요 사례는 다음과 같다.

독일의 벤델슈타인 7-X
미국의 나선형 대칭 실험(HSX)
일본의 대형 나선 장치

W7-X와 LHD는 초전도 자석 코일을 사용한다.

내부 전류가 없기 때문에 토카막의 일부 불안정성이 제거되어, 스텔라레이터는 유사한 작동 조건에서 더 안정적일 것으로 예상된다. 단점으로는, 토카막에서 발견되는 전류에 의한 가둠이 없기 때문에, 스텔라레이터는 주어진 가둠 수준에 도달하기 위해 더 강력한 자석을 필요로 한다. 스텔라레이터는 본질적으로 정상 상태 기계이며, 이는 여러 가지 엔지니어링적 장점을 가진다.

2023년, 미국 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)는 주로 상업용 부품을 사용하여 640000USD의 비용으로 실험 장치를 제작했다. 이 장치의 핵심은 9,920개의 영구 자석을 고정하는 3D 프린팅 나일론 쉘로 둘러싸인 유리 진공 챔버이다. 16개의 전자석이 쉘을 감싸고 있다.^[11]

3. 원리

2018년경부터 핵융합 발전에 대한 새로운 추진의 일환으로, 민간 부문 스텔라레이터 프로젝트가 등장하여 토카막 프로젝트와 경쟁하고 있지만, 그 개발 정도는 훨씬 뒤쳐져 있다.^[12] 르네상스 퓨전(Renaissance Fusion)^[13]이나 막스 플랑크 플라스마 물리학 연구소에서 분사하여 뷔르츠부르크 W7-X 실험을 주도한 뮌헨 기반의 프로시마 퓨전(Proxima Fusion) 등이 그 예이다.^[14]

3. 1. 핵융합 발생 조건

기체를 수억 도까지 가열하면 기체의 에너지가 증가하여 대부분의 입자가 핵융합을 일으킬 수 있는 최저 에너지에 도달할 수 있다. 평균 온도가 그보다 매우 낮더라도, 맥스웰-볼츠만 분포에 따라 일부 입자들은 핵융합 발생 하한선을 넘는 에너지를 갖는다. 핵융합 반응은 발생하는 에너지가 투입하는 에너지보다 월등히 크기 때문에, 적은 양의 반응만으로도 주변 입자들을 핵융합이 가능한 온도까지 가열시킬 수 있다. 1944년 엔리코 페르미는 중수소-삼중수소 반응이 섭씨 5천만 도에서 외부 에너지 투입 없이 자립 가능하다는 것을 계산했다.^[4]

수만 도 이상으로 가열된 물질은 원자핵과 전자가 분리된 플라즈마 상태가 된다. 이상기체 방정식에 따라 플라즈마는 온도가 증가하면 내부 압력이 증가해 팽창한다. 플라즈마의 온도는 매우 높아 일반적인 방법으로는 가두기 어렵다. 대신 플라즈마의 전기 전도성과 전자기장 영향을 이용해, 자기장을 통해 원자핵이 자기장을 따라 운동하게 하는 자기 가둠 방식이 고안되었다. 이러한 핵융합 장치는 수 테슬라 이상의 자기장을 필요로 하며, 보통 전자석 코일을 이용한다.^[4]

3. 2. 자기 가둠

가장 단순한 자기 가둠 구조는 솔레노이드를 이용하여 만들 수 있다. 솔레노이드 내부를 진공으로 만들고 플라스마를 채우면, 솔레노이드가 만드는 자기장에 의해 플라스마는 솔레노이드 축을 따라 움직이게 된다. 이를 통해 플라스마가 팽창하여 옆으로 퍼지는 것을 막을 수 있다. 그러나 솔레노이드의 길이가 한정되어 있기 때문에, 플라스마는 결국 양쪽 끝으로 빠져나가 안정적인 상태를 유지할 수 없다.^[5]

이러한 문제를 해결하기 위해 토러스 형태의 코일이 사용되었다. 토러스 구조에서는 입자들이 옆으로 움직이는 것이 제한되고, 자기장을 따라 축을 중심으로 움직이게 된다. 그러나 엔리코 페르미는 솔레노이드가 고리 형태로 변형되면 토러스 중심에 가까운 도선이 바깥쪽보다 밀집되어 자기장이 불균일해지고, 이로 인해 입자들이 점차 바깥쪽으로 밀려날 것이라고 지적했다. 이때 전자와 원자핵이 반대 방향으로 이동하면서 전하 불균형에 의한 전기력이 발생하고, 이 힘이 자기력보다 강해진다. 따라서 플라스마를 장기간 가두기 위해서는 추가적인 힘이 필요하다.^[6]^[5]

3. 3. 스텔라레이터

페르미가 제기한 토러스형 핵융합 장치의 문제점을 해결하기 위해, 라이먼 스피처는 토러스 구조를 8자 형태로 변형하는 스텔라레이터 방식을 고안했다. 8자 형태에서는 입자가 토러스의 안쪽과 바깥쪽을 번갈아 이동하면서, 토러스 내부 자기장 세기 차이로 인해 발생하는 불안정한 상하 이동이 서로 상쇄된다. 이러한 설계는 입자의 움직임을 안정화시켜 가둠 시간을 늘리는 데 기여했다.^[45]

하지만, 입자 간 충돌과 같은 다른 요인들도 고려해야 했다. 원자핵과 전자는 서로 반대 방향으로 빠르게 움직이면서 충돌을 일으키고, 이는 입자가 바깥쪽으로 이동하여 장치 벽과 충돌하거나 전하 분리를 유발할 수 있다. 이를 해결하기 위해 스피처는 플라즈마 가장자리의 불순물과 불안정한 이온을 제거하는 장치인 '다이버터(divertor)'를 제안했다.^[45]

초기 계산에서는 고전 이론에 따른 입자 유실 비율이 낮게 예측되었으나, 실제로는 '보옴 확산(Bohm diffusion)'이라는 현상으로 인해 더 큰 유실이 발생한다는 사실이 밝혀졌다. 스피처는 플라스마 불안정성이 보옴 확산의 주요 원인이라고 결론지었다.^[45]

3. 4. 문제점과 대안

초기 8자형 스텔라레이터는 여러 문제점을 가지고 있었다. 우선, 특정 속도로 움직이는 입자만 가둘 수 있어, 속도가 다른 입자들은 가둠 효율이 떨어졌다. 속도가 느린 입자는 유출되고, 빠른 입자는 벽과 충돌했다. 이를 해결하기 위해 스피처는 직선 구간에 다이버터를 연결하여 속도가 다른 입자를 제거했다.^[15]

8자형 구조는 두 직선 구간이 교차할 수 없어 두 반쪽 토러스가 약 135° 각도를 이루는 구조적 문제도 있었다. 초기 스텔라레이터 B-2는 S자형 구조를 통해 대칭성을 확보했다.

입자 회전 문제를 해결하기 위해 B-64와 B-65는 교차 구간을 제거하고 타원형으로 제작하여 평면화했다. 또한, 양 끝에 새로운 코일을 배치하여 입자 경로를 180° 회전시키는 코르크 마개 와인딩 방식을 적용했다. 하지만 이 방식은 완벽한 대칭을 이루기 어려웠다.

3. 5. 플라즈마의 가열

핵융합 반응을 위해서는 플라즈마를 수억 도 수준으로 가열해야 한다. 일반적인 방법으로는 이러한 온도에 도달하기 어렵기 때문에, 여러 가지 효율적인 가열 방법이 연구되었다. 핵융합 에너지가 임계 조건(breakeven)에 도달하면 투입 에너지와 발생 에너지가 같아지고, 점화 조건(ignition)에 도달하면 추가 가열 없이 핵융합 반응을 유지할 수 있다.

초기 스텔라레이터에서는 플라즈마에 전류를 흘려 저항열을 발생시키는 옴 가열(ohmic heating) 방식이 사용되었다. 하지만 플라즈마 온도가 상승하면 전기 전도도가 증가하여 옴 가열의 효율이 낮아지는 문제가 있었다. 이로 인해 시스템 온도는 약 100만 K로 제한되었다.

플라즈마를 더 높은 온도로 가열하기 위해 자기 펌핑(magnetic pumping) 시스템이 도입되었다. 자기 펌핑은 진공 챔버를 따라 배치된 코일에 무선 주파수를 가하여 입자들의 에너지를 증가시키는 방식이다. 이때 주파수는 입자들의 사이클로트론 진동수와 같게 설정된다. 이온-사이클로트론 공명 가열(ICRH, 이온 공명 가열)은 진동수를 이온의 순환 진동수에 맞춘 방식이다.^[8]

플라즈마는 전기 전도체이므로 전류가 흐를 때 자체 저항으로 인해 열이 발생하여 온도가 상승한다. 저항은 온도에 반비례하므로 전류에 의한 가열은 초기 가열에만 효과적이다.

스텔라레이터의 플라즈마 가열 방식은 다음과 같다.

전류에 의한 가열: 플라즈마의 전기 전도성을 이용, 전류를 흘려 저항열로 온도를 높인다. 온도 상승에 따라 효율이 감소하여 초기 가열에 주로 사용된다.
중성 입자 빔 입사장치(NBI): 전기장으로 가속된 중성 이온 입자를 스텔라레이터에 발사하여 플라즈마 입자와 충돌시켜 온도를 높인다.
이온-사이클로트론 공명 가열(ICRH): 자기장 속 플라즈마 입자의 회전 진동수(사이클로트론 진동수)와 같은 주파수의 전자파를 가하여 입자를 가열한다.
전자-사이클로트론 공명 가열(ECRH): ICRH와 유사하나, 이온 대신 전자를 가열하기 위해 초고주파 영역의 전자파를 사용한다. 전자는 이온보다 훨씬 가볍기 때문에 사용되는 주파수가 다르다.

이러한 가열 방법들의 성공 여부와 온도 제한 개선 가능성은 플라즈마의 특성과 방사 분포에 따라 결정된다.

4. 플라즈마의 가열 방식

플라즈마는 전기 전도성을 가지므로, 전류를 흘려 자체 저항에서 발생하는 열을 이용해 온도를 높일 수 있다. 이 방법은 가열 초기에만 사용되며, 현재까지 알려진 기술 중 가장 효율이 뛰어나다.^[15]

; 전류에 의한 가열

: 플라즈마는 전기 전도성을 가지므로, 전류를 흘려 자체 저항에서 발생하는 열을 이용해 온도를 높일 수 있다. 저항은 온도에 반비례하므로, 이 방법은 가열 초기에만 사용된다.

; 중성 입자 빔 입사장치(NBI)

: 중성 입자 빔 입사장치는 전기장으로 가속된 이온 입자를 스텔라레이터로 발사한다. 이온은 자기장의 영향을 받지 않도록 중성화되어야 한다. 중성화된 입자는 플라즈마 입자와 충돌하여 전자를 잃고 이온 상태가 되며, 주변 이온 및 전자와의 충돌을 통해 플라즈마 온도를 높인다. 보통 수소나 중수소 원자를 사용하며, 80 keV 또는 120 keV 이상의 빔 에너지와 50A 이상의 빔 전류가 사용된다.

; 이온-사이클로트론 공명 가열 (ICRH)

: 자기장 속에서 플라즈마 입자들은 자기장 주변을 일정한 진동수로 회전하는데, 이를 사이클로트론 진동수라고 한다. 이 진동수는 입자의 질량, 전하량, 자기장에 의해 결정되며, 플라즈마 밀도나 온도에는 영향을 받지 않는다. 이 사이클로트론 진동수에 맞는 전자파(RF)를 플라즈마에 가하면 플라즈마 입자와 전자파가 공명하여 플라즈마가 가열된다.

; 전자-사이클로트론 공명 가열 (ECRH)

: 전자-사이클로트론 공명 가열은 ICRH와 원리가 유사하지만, 플라즈마 이온 대신 전자와 공명하는 전자파를 사용한다. 전자는 이온보다 훨씬 가볍기 때문에 초고주파 영역의 주파수를 사용한다.

초기 스텔라레이터 설계는 변압기와 유사한 시스템을 사용하여 초기 가열을 제공했다. 플라즈마 자체가 2차 권선을 형성하고, 전류 펄스를 통해 기체를 빠르게 이온화했다. 이 개념은 "옴 가열"이라고 불렸지만, 플라즈마 온도가 상승함에 따라 효율이 감소하여 약 100만 켈빈까지만 온도를 올릴 수 있었다.

더 높은 온도로 가열하기 위해 스피처는 "자기 펌핑" 시스템을 제안했다. 이 시스템은 진공 챔버를 따라 펴진 코일을 통해 공급되는 무선 주파수 소스를 사용했다. 주파수는 입자의 고유 진동수인 "사이클로트론 주파수"와 유사하게 선택되어 입자의 에너지를 증가시켰다. 이 과정은 온도 상승에 따라 효율이 감소했지만, 매우 높은 온도를 생성할 수 있었다. 이온 순환 주파수에 가깝게 주파수를 설정하면 "이온 사이클로트론 공명 가열"이라고 불렀다.

5. 구조적 형태

스텔라레이터는 기하학적 구조와 코일 형태에 따라 여러 종류로 나뉜다.

특수한 스텔라레이터: 8자 형태의 초기 디자인으로, 기하학적 방법으로 자기장을 회전시킨다.
고전적 스텔라레이터: 분리된 나선형 코일을 포함한 토로이드(고리) 형태이다. --
토르사트론(Torsatron): 일체형 나선형 코일을 가진 스텔라레이터를 말한다. --
헬리오트론(Heliotron): 나선형 코일과 수직 방향 자기장을 발생시키는 극 방향 코일을 가진다. 일본의 LHD가 대표적이다.
모듈식 스텔라레이터: 분리된 모듈식 코일들과 꼬인 토로이드 형태 코일로 구성된다.^[46] 미국의 HSX가 해당되며, 헬리아스도 여기에 포함된다.
헬리악(Heliac): 나선형 토로이드 형태 자기장을 형성하는 나선형 축 대칭 스텔라레이터이다. -- H-1NF, TJ-II, TU-Heliac 등이 있다.
헬리아스(Helias): 모듈식 코일을 사용하는 나선형 첨단 스텔라레이터이다.^[47] 독일의 벤델슈타인 7-X가 대표적인 예시이다.

6. 최근의 연구

6. 1. 에너지 수송 감축을 위한 최적화

자기 가둠 장치의 주요 과제는 자기장을 가로지르는 에너지 수송을 최소화하는 것이다. 토로이드 장치는 입자들이 자기장을 따라 토러스를 회전할 때 자기적 특성이 평준화되어 나타나기에 상대적으로 성공적이라 볼 수 있다. 한편, 입자에 의해 관찰되는 자기장의 세기는 다양하기 때문에 일부 입자들은 자기 거울 효과에 의해 갇히게 된다. 이러한 입자들은 자기 특성에 대한 변인으로 작용하여, 에너지의 수송을 증가시킨다. 대부분의 스텔라레이터에서, 이러한 자기장 세기의 불균일함은 토카막에서보다 크기 때문에, 토카막에서보다 에너지의 운송 효과가 더 크게 나타난다.

위스콘신 대학교의 데이비드 앤더슨(David Anderson) 교수와 연구 조수 존 캐닉(John Canik)은 2007년 나선형 대칭 실험(HSX)이 이 최대의 난관을 극복할 수 있음을 입증했다. HSX는 유사대칭적(quasisymmetric) 자기장을 사용하는 최초의 자기장이다. 이 팀은 유사대칭적 구조가 에너지의 수송을 감소시킬 것이라는 예측을 바탕으로 HSX를 설계 및 구축했다. 최근의 연구에 따르면, HSX는 실제로 에너지 수송이 낮게 나타났다. 캐닉은 이것이 유사대칭적 구조가 효과를 보인 첫 번째 실험이며, 실제로 에너지 수송의 감소를 측정할 수 있다고 밝혔다.^[24]^[25]

참조

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