미국 에너지부(DOE) 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL) 연구원들은 융합으로 알려진 과정에서 전기를 생성하는 데 사용할 수 있도록 플라즈마를 관리하는 다양한 방법을 개발하기 위한 지속적인 탐구에서 두 가지 오래된 방법을 보여주었습니다. 더 큰 유연성을 제공하기 위해 방법을 결합할 수 있습니다.
전자 사이클로트론 전류 구동(ECCD)과 공명 자기 섭동(RMP) 적용으로 알려진 두 가지 방법이 오랫동안 연구되어 왔지만, 연구원들이 이 두 방법을 함께 사용하여 향상된 플라즈마 제어를 제공할 수 있는 방법을 시뮬레이션한 것은 이번이 처음입니다.
PPPL의 연구원인 Qiming Hu는 "이것은 일종의 새로운 아이디어"라고 말했습니다. 핵융합 실험적으로도 입증된 작업에 대해 설명합니다. "전체 기능은 아직 파악 중이지만, 우리의 논문은 잠재적인 이점에 대한 이해를 높이는 데 큰 도움이 됩니다."
궁극적으로 과학자들은 핵융합을 사용하여 전기를 생산하기를 희망합니다. 첫째, ELM(Edge Localized Mode)으로 알려진 플라즈마에서 입자 폭발을 최소화하기 위한 완벽한 방법을 포함하여 몇 가지 장애물을 극복해야 합니다.
“주기적으로 이러한 폭발은 너무 과하기 때문에 약간의 압박감을 풀어줍니다. 그러나 이러한 폭발은 위험할 수 있습니다.”라고 General Atomics가 호스팅하는 DOE 사용자 시설인 DIII-D 국가 핵융합 시설의 PPPL에서 일하는 Hu는 말했습니다. DIII-D는 자기장을 이용해 핵융합 플라즈마를 도넛 모양으로 가두는 장치인 토카막이다. ELM은 핵융합 반응을 종료하고 토카막을 손상시킬 수도 있으므로 연구자들은 이를 방지하기 위한 다양한 방법을 개발했습니다.
논문의 공동 저자 중 한 명인 PPPL 수석 연구 물리학자 Alessandro Bortolon은 “이를 방지하는 가장 좋은 방법은 추가 자기장을 생성하는 공명 자기 섭동(RMP)을 적용하는 것입니다.”라고 말했습니다.
자기장은 섬을 생성하고 마이크로파는 이를 조정합니다.
토카막에 의해 초기에 적용된 자기장은 원환체 모양의 플라즈마 주위에 외부 가장자리 주변의 긴 방향과 외부 가장자리에서 중앙 구멍을 통과하는 짧은 방향으로 감깁니다. RMP에 의해 생성된 추가 자기장은 플라즈마를 통해 이동하여 하수구의 스티치처럼 엮여 들어갔다 나옵니다. 이러한 자기장은 자기섬이라고 불리는 플라즈마에 타원형 또는 원형 자기장을 생성합니다.
“일반적으로 플라즈마의 섬은 정말, 정말 나쁩니다. 섬이 너무 크면 플라즈마 자체가 방해를 받을 수 있습니다.”
그러나 연구자들은 특정 조건 하에서 섬이 유익할 수 있다는 것을 이미 실험적으로 알고 있었습니다. 어려운 부분은 섬을 생성할 만큼 큰 RMP를 생성하는 것입니다. 기본적으로 마이크로파 빔 주입인 ECCD가 들어오는 곳입니다. 연구원들은 플라즈마 가장자리에 ECCD를 추가하면 섬을 만드는 데 필요한 RMP를 생성하는 데 필요한 전류량이 낮아진다는 것을 발견했습니다.
또한 마이크로파 빔 주입을 통해 연구원들은 최대 플라즈마 가장자리 안정성을 위해 섬의 크기를 완벽하게 만들 수 있었습니다. 비유적으로 RMP는 아일랜드를 켜는 간단한 전등 스위치처럼 작동하는 반면, ECCD는 연구자가 관리 가능한 플라즈마에 이상적인 크기로 아일랜드를 조정할 수 있는 추가 조광기 스위치처럼 작동합니다.
Hu는 "우리의 시뮬레이션은 플레이 중인 상호 작용에 대한 이해를 향상시킵니다."라고 말했습니다. “ECCD를 플라즈마 전류와 같은 방향으로 첨가하면 섬의 폭이 줄어들고 받침대 압력이 증가했습니다. ECCD를 반대 방향으로 적용하면 아일랜드 너비가 증가하고 받침대 압력이 떨어지거나 아일랜드 개방이 쉬워지는 등 반대 결과가 나타났습니다."
코어 대신 엣지의 ECCD
ECCD가 일반적으로 사용되는 코어 대신 플라즈마 가장자리에 추가되었다는 점에서도 이 연구는 주목할 만합니다.
Hu는 "보통 사람들은 마이크로파가 용기 내 구성 요소를 손상시킬 수 있기 때문에 플라즈마 가장자리에 국부적인 ECCD를 적용하는 것이 위험하다고 생각합니다."라고 말했습니다. “우리는 이것이 가능하다는 것을 보여줬고 접근 방식의 유연성도 입증했습니다. 이는 미래 장치 설계를 위한 새로운 길을 열 수 있습니다.”
RMP를 생성하는 데 필요한 전류량을 줄임으로써 이 시뮬레이션 작업은 궁극적으로 미래의 상용 규모 핵융합 장치에서 핵융합 에너지 생산 비용을 낮추는 결과를 가져올 수 있습니다.