스텔라레이터 ( stellarator )는 核融合을 目的으로 高溫의 플라즈마 를 磁氣場 을 利用해 가두기 위해 考案된 裝置를 말한다. 스텔라레이터의 이름은 恒星(Stellar)李 일으키는 核融合 의 模倣에 對한 可能性으로부터 起因하였다 ^[1] .

스텔라레이터는 1951年 프린스턴 플라즈마 物理 硏究所 (PPPL)의 라이먼 스피처 에 依해서 發明되었다. 플라즈마 自體에 흐르는 電流에 依해서 磁氣場이 만들어지는 핀치 裝置와 달리, 스텔라레이터에는 磁氣場이 純全히 外部 코일에 依해서만 形成된다. 스텔라레이터는 꼬인 吐露이드 形態의 磁氣場에 플라즈마를 가둬, 粒子들이 꼬인 經路를 따라 돌도록 한다. 이러한 構造는 純粹한 吐露이드 構造에서 나타나는 플라즈마의 不安定을 減殺시킨다.

1953年에 開發된 스텔라레이터 모델 A는, 裝置의 規模가 增加할 때 理論을 凌駕하는 플라즈마의 流出이 發生한다는 問題가 있었다. 1960年代 核融合 裝置의 效率에 對한 關心이 커지고 蘇聯의 토카막 硏究資料가 公開되자, 스텔라레이터 모델 C는 對稱形 토카막의 製作으로 硏究의 方向을 돌렸다. 그러나 토카막 亦是 窮極的으로 비슷한 問題를 안고 있었고, 1990年代에 스텔라레이터가 다시 注目받게 되는 原因이 되었다. 技術의 發達은 스텔라레이터의 磁氣場 效率을 증가시켰고, 다양한 裝置들이 만들어졌다. 最近의 裝置는 獨逸의 Wendelstein 7-X, 美國의 Helically Symmetric Experiment (HSX), 日本의 Large Helical Device (LHD) 等이 있다.

歷史 [ 編輯 ]

以前의 硏究 [ 編輯 ]

1934年 어니스트 러더퍼드가 마크 올리펀트(Mark Oliphant), 폴 下텍(Paul Harteck)과 함께 粒子加速器를 利用해 重水素 核을 重水素, 리튬 等을 包含한 金屬箔에 衝突시켜 처음으로 人爲的인 核融合을 성공시켰다. ^[2] 이 過程은 다양한 核融合 反應에서의 核 斷面的 을 測定할 수 있게 했고, 重水素-三重水素 反應이 100 keV 程度의 낮은 에너지 準位에서 일어난다는 事實을 밝혀냈다. 100 keV는 約 10億 keV의 溫度에 該當한다. ^{[3] [a]}

맥스웰-볼츠만 分布 에 依하면, 훨씬 낮은 溫度에서도 機體는 100keV를 뛰어넘는 粒子들을 包含하고 있다. 核融合 反應은 投入되는 에너지보다 더 큰 에너지를 放出하기 때문에, 적은 數의 粒子만이 反應할지라도 核融合에서 發生하는 에너지를 통해 氣體 全體를 높은 溫度로 維持 시킬 수 있다. 1944年 엔리코 페르미 는 이러한 일이 約 攝氏 5千萬度에서 일어난다는 것을 보였다. 한便 重要한 課題는 높은 溫度의 플라즈마를 가두는 일이었다. 어떠한 材料도 플라즈마의 높은 溫度를 견디지 못했다. 그러나 플라즈마는 電氣 傳導性이 있어, 電氣場과 磁氣場에 依한 影響을 받는다. ^[4]

磁氣場 안에서 플라즈마는 磁氣力線을 따라 運動한다. 粒子를 가두기 위한 한 가지 方法은 바로 솔레노이드를 使用하는 것이다. 솔레노이드 는 中心軸과 平行한 磁氣力線을 形成해, 粒子들이 壁으로부터 距離를 두고 運動하게 만든다. 한便 有限한 길이의 솔레노이드로는 플라즈마를 가둘 수 없다. 이 問題는 솔레노이드를 구부려 도넛 模樣(토러스)으로 만드는 것으로 簡單히 解決할 수 있다. 한便, 純粹한 토러스 構造는 道詵의 空間上 配置가 不均一하다는 限界 있다. 페르미는 이러한 特徵으로 인해 裝置 內部에서 電荷의 分離로 인해 큰 電壓이 發生할 것이라고 指摘했다. ^[5]

스텔라레이터의 誕生 [ 編輯 ]

第 1次 世界大戰 以後, 플라즈마를 가두기 위한 다양한 方法이 考案되었다. 조지 패짓 톰슨 은 플라즈마에 電流를 흘려보내는 제타핀치(z-pinch)를 開發했다. 이 電流에 依해 形成된 磁氣場은 로렌츠 힘에 따라 플라즈마를 磁氣場에 가둔다. 1940年代 英國의 硏究陣들은 이 原理를 應用해 다양한 小型 實驗 裝置들을 構成했다. ^[6]

한便, 戰爭 後 아르헨티나로 移住한 獨逸의 科學者 로널드 리히터 는 아크放電과 音波에 依한 壓縮을 利用해 物質을 加熱하고 가두는 裝置인 써모트론(Thermotron)을 發明했다. 그는 후안 페론(Juan Peron)에게 칠레 國境 隣近의 외딴 섬에 實驗用 原子爐를 開發하기 위해 資金 支援을 要請했고, 1951年 原子爐가 完成되었다. 이 프로젝트에 參與했던 다른 이들의 否定的인 意見에도 不拘하고, 리히터는 그의 核融合 實驗이 成功했다고 믿었고 ^[7] , 1951年 3月 24日 뉴스를 통해 이 實驗이 全 世界에 알려졌다. ^[8]

그 時期 아스펜으로의 스키 旅行을 準備하고 있던 라이먼 스피처는 그의 아버지로부터 뉴욕 타임즈 ^[9] 에 실린 記事에 對한 電話를 받았다. 記事를 본 스피처는 리히터의 核融合 實驗이 成功할 수 없다고 結論지었다. 그는 리히터의 實驗은 充分한 溫度까지 加熱할 程度의 에너지를 供給할 手段이 없다고 생각했다. 한便 스피처는 이를 克服할 아이디어가 떠올라, 作動 可能한 形態의 裝置를 考案하기 始作했다. 그가 스텔라레이터가 생각해낸 때는 바로 그가 스키 리프트를 타고 있었을 때였다. ^{[10] [b]}

스텔라레이터는 페르미가 提示한 問題點을 토러스의 構造를 變形시킴으로써 解決했다. 토러스를 圓으로 만드는 代身 8字로 비틀어, 道詵의 치우침에 依해 發生하는 플라즈마 粒子의 不安定한 움직임을 減殺시킬 수 있었다. 이 方法은 目標 溫度까지 加熱시키기에 充分할 程度로 오랫동안 플라즈마를 가둘 수 있을 것으로 보였다. ^[11] }}

마터호른 프로젝트 [ 編輯 ]

1950年 로스앨러모스 에서 일하는 동안, 존 아치볼드 휠러 는 프린스턴 大學의 硏究室에 祕密裏에 水素 爆彈 프로젝트를 進行할 것을 提案했고, 이듬해 大學으로 돌아오자 核融合에 對한 理論的인 硏究를 進行했다. 스텔라레이터에 關한 硏究로 인해, 스피처는 이 프로그램에 參與할 것을 제안받았다. ^[12]

그러나 아스펜을 訪問할 즈음 스피처는 核爆彈에 對한 興味를 잃었고, 代身 核融合 發展으로 關心을 돌리게 되었다. ^[13] 以後 몇 달 동안 스피처는 스텔라레이터의 設計를 위한 論文들을 냈다. 이 論文들은 스텔라레이터의 基本 構造 및 問題點과 함께, 플라즈마의 安定性과 加熱 方法, 不純物 處理와 같은 問題에 對한 精密하고 深層的인 分析을 다루었다. ^[14]

이 作業을 進行하며 스피처는 시스템 開發을 위한 資金 調達을 위해 에너지 部署 (DOE)에 로비를 하기 始作했다. ^[14] 가장 먼저 그는 플라즈마 生成이 可能한 일이며 플라즈마의 維持 時間이 토러스보다 길다는 것을 立證하기 위해 모델 A를 製作했다. 萬一 모델 A가 成功的인 結果를 보인다면 모델 B에서는 플라즈마를 核融合이 可能한 溫度까지 加熱하는 것을, 모델 C에선 核融合 反應을 큰 規模에서 實際로 發生시키는 것을 目標로 두었다. ^[15] 이 모든 것들은 數十 年에 걸쳐 進行될 것으로 豫想했다. ^[16]

비슷한 時期에 짐 턱은 옥스퍼드 大學의 클래렌던 硏究所에서 일하며 핀치 裝置를 考案해냈다. 그는 美國에서 일자리를 提案받아 로스앨러모스에 가게 되었는데, 그곳에서 그는 다른 硏究員들에게 핀치 裝置에 對하여 說明했다. 스피처가 스텔라레이터를 弘報하러 온다는 消息을 接했을 때, 그는 스피처에게 핀치 裝置를 만들어볼 것을 提案하기 위해 워싱턴을 訪問했다. 그는 스피처의 스텔라레이터가 “宏壯히 야심차다”고 말했다. 哀惜하게도 스피처는 DOE로부터 5萬 달러를 支援받았지만 턱은 아무것도 받지 못했다.. ^[15]

核融合 硏究 프로젝트는 “마터호른 프로젝트”라는 이름으로 1951年 7月 1日에 公式的으로 始作되었다. 이 프로젝트의 이름은 熱烈한 登山家인 스피처에 依해 ‘硏究는 마치 마터호른 山을 오르는 것처럼 힘들다’는 理由에서 提案되었다. ^[17] 硏究는 스피처 下에서 스텔라레이터를 硏究하는 S 部署, 그리고 휠러 下에서 爆彈 製造를 硏究하는 B 部署로 나누어 樹立되었다. 마터호른 프로젝트는 프린스턴 週 矯正으로부터 約 5km 떨어진 포레스脫 캠퍼스에서 進行되었다. ^[18]

머지않아 다른 硏究所에서도 DOE에 核融合 硏究를 위한 資金 支援을 要請하기 始作했다. 짐 턱은 로스앨러모스 國立 硏究所(LANL)로부터 그가 考案한 裝置인 Perhapsatron을 建設하기 위한 資金을 겨우 支援받았으나, ORNL 等 LANL의 다른 팀들 또한 그들의 아이디어를 提出하기 始作했다. DOE는 結局 이러한 프로젝트에 對한 새로운 部署를 設立했고, 後에 “셔우드 프로젝트”로 發展했다. ^[19]

初期의 裝置들 [ 編輯 ]

DOE의 資金 支援과 함께, 스피처는 제임스 밴 앨런 을 招請해 實驗 프로그램을 만들었다. 앨런은 작은 裝置부터 始作해나갈 것을 提案했다. 이것은 1952年 모델 A의 建設로 이어졌다. 모델 A는 全體 길이가 約 350cm인 5cm 높이의 棺으로 製作되었으며, 1000G 程度의 磁氣場을 형성시킬 수 있었다. ^[20] 裝置는 1954年에 稼動되어, 토러스에 비해 確然히 向上된 가둠 性能을 보여주었다. ^[21]

以後 모델 B가 建設되었는데, 모델 B는 코일들이 잘 固定되지 않아 50,000G 程度의 前歷을 加했을 때 코일이 이리저리 흔들리는 傾向이 있었다. 같은 理由에서 두 番째 디자인도 失敗했고, 裝置로부터 數十萬 볼트의 X線이 觀察되었다. 이 두 모델 以後에 製作된 B-1은, 옴 加熱(아래 項目 參照)을 통해 플라즈마를 100,000度까지 상승시킬 수 있었다. ^[21] 이 裝置를 통해 플라즈마 內의 不純物이 엄청난 量의 X船을 放出시켜 플라즈마를 冷却시켰다는 것이 밝혀졌다. 1956年 B-1은 플라즈마의 不純物을 除去하기 위한 眞空 챔버를 裝着한 채로 再開發되었다. 그러나 적은 量의 不純物度 큰 影響을 줄 수 있었다. B-1의 作動에 影響을 준 또 다른 問題는, 加熱 途中 粒子들이 10 分의 1 밀리秒 水準에서만 磁氣場에 머무르며 磁氣場이 사라지면 最大 10 밀리秒 程度 동안만 남아있을 수 있었다는 것이다. 이것은 플라즈마 粒子 間의 “協同 效果”에 依한 것으로 밝혀졌다. ^[22]

한便, 두 番째 裝置인 B-2街 建設되었다. 이것은 B-1과 비슷하지만 펄스型 電力을 利用해 더 높은 에너지 水準에 到達할 수 있었고, 自己 펌핑(magnetic pumping)이라는 새로운 加熱 方式을 追加했다. 不幸하게도 B-2의 自己 펌핑 시스템은 熱을 거의 發生시키지 못했는데, 自己 펌핑 시스템은 더 긴 가둠 時間을 必要로 하기에 完全히 豫想 밖의 結果는 아니었다. 이 시스템으로부터는 더 以上 얻어낼 것이 없다고 判斷되어, 이 裝置는 1958年 스위스 제네바의 ‘平和를 위한 原子力 展示會(Atom for Peace show)’로 보내졌다. ^{[20] [c]}

펄스型 戰力에 對한 追加的인 硏究를 위해 두 臺의 裝置가 더 製作되었다. B-64는 1955年에 完成되었는데, 이는 本質的으로는 B-1의 더 큰 버전이지만, B-1보다 더 큰 15,000G의 磁氣場을 形成할 수 있는 電流를 供給했다. 이 裝置에는 不純物을 除去할 수 있는 다이버터(divertor)가 裝着되어있어, X線에 依한 冷却 效果를 크게 낮출 수 있었다. B-64는 四角形 模樣의 形態를 가졌다. 1956年 B-64는 官의 꼬임 없이 再組立되어 粒子가 回轉하지 않고 移動할 수 있도록 했다. ^[23]

B-65는 1957年에 完工되었다. B-65는 고리形의 새로운 形態로 製作되었다. 이는 裝置의 曲線 區間에 螺旋形의 코일을 追加하는 것이 磁氣場에 依한 粒子의 回轉을 誘發한다는 實驗 結果를 適用한 것이다. 이러한 構造는 磁氣場의 安定性을 크게 높일 수 있다는 長點을 갖고 있었다. ^[23] B 시리즈의 마지막 裝置인 B-66은 1957年에 完成되었다. B-66은 B-2의 超大型 버전으로 高眞空 官과 50,000G의 磁氣場을 갖추어 0.01秒까지 가둠 時間을 延長시킬 수 있을 것으로 期待되었다. ^[22]

한便 不幸하게도 이 모든 大型 裝置들은 ‘펌프 아웃(pump out)‘으로 알려진 問題를 안고 있었다. 이 效果는 旣存 理論에 依한 數値를 凌駕할 뿐만 아니라, 洑옴 比率(Bohm rate)보다 훨씬 높은 水準의 플라즈마 不安定을 誘發했다. 그 數値는 豫想値의 3倍에 達했고, 가둠 維持 時間은 數十 마이크로초 程度에 그쳤다. ^[23]

모델 C [ 編輯 ]

1954年 B 시리즈에 對한 硏究가 繼續되면서 모델 C의 設計가 具體化되었다. 모델 C는 여러 個의 熱 供給源과 다이버터를 가진 大型 實驗 裝置로, B-66보다 더 큰 規模로 製作되었다. 모델 C는 1958年에 工事가 始作되어 1961年에 完工되었다.

以前 모델들의 實驗 結果는 大規模의 核融合 發展이 힘들다는 것을 分明히 보여주고 있었다. 磁氣力線을 가로지르는 이온 輸送은 古典 理論的 計算보다 훨씬 높은 數値를 보였기 때문이다. 磁氣場의 크기를 증가시키는 것은 이에 對한 解決策이 되지 못했고, 가둠 時間은 쉽게 改善되지 못했다. 이 때문에 硏究者들은 플라즈마에 對한 理論的 理解에 重點을 두기 始作했다. 1961年 멜빈 고틀리브는 스피처의 마터호른 프로젝트를 引繼받았고, 이은 2月 1日 이 프로젝트는 프린스턴 플라즈마 物理 硏究所(PPPL)로 이름이 變更되었다. ^[18]

모델 C에 對한 持續的인 實驗을 통해 모델은 천천히 改善되었고, 結果的으로는 가둠 時間이 豫測값과 一致하는 水準까지 改善되었다. 또한 새로운 加熱 方式들이 考案되었는데, 注目할만한 것은 1964年에 開發된 粒子加速器를 利用해 이온 粒子를 發射시켜 核融合爐 內部에서의 衝突을 통해 溫度를 증가시키는 方法이었다. 이 方法은 後에 中性 粒子 빔(NBI)으로 發展하였다. ^[24]

모델 C에서는 大部分 이온 輸送에 關한 硏究가 이루어졌다. 1969年 自己 시스템의 修正과 새로운 加熱 方式의 追加를 통해 모델 C는 窮極的으로 400eV의 電子 溫度에 到達할 수 있었다. 그동안, 單一 電磁石 코일 세트를 利用한 여러 스텔라레이터들이 登場했다. 모델 C는 서로 分離된 나선 코일들을 使用했지만, 이 코일들을 합칠 수 있다는 것이 確認되었고, 이는 토르社트론의 登場으로 이어졌다. ^{[25] [d]}

토카막 [ 編輯 ]

1968年 蘇聯의 科學者들은 T-3 토카막에 對한 最新 硏究 結果를 發表했다. 이를 試驗하기 위해 蘇聯은 英國의 專門家 팀을 招聘했고, 科學者들은 英國의 ZETA 核融合爐로부터 開發된 레이저 基盤의 시스템을 利用해 1,000eV 水準의 溫度 條件을 達成해냈다. 이로써 토카막 建設을 向한 世界的인 競爭이 始作되었다. ^[26]

몇 番의 論爭 以後, 1969年 7月 모델 C의 硏究 方向을 토카막으로 돌리자는 決定이 내려졌다. 이 決定은 그 해 12月에 撤廢되고, 이듬해 5月에 토카막 프로젝트는 對稱形 토카막(ST)으로 再開되었다. ST는 蘇聯의 토카막이 보인 性能에 匹敵하였고 모델 C의 結果를 10倍 以上 뛰어넘었다. 이 時期에 PPPL은 美國의 토카막 開發 先驅者로서, 實驗을 위한 다양한 裝置들을 考案해냈다. 1975年 프린스턴 大型 토러스 裝置(Princeton Large Torus)는 商用化를 위한 目標들을 빠르게 達成해냈고, 1980年代 初에 임계조件을 突破할 수 있을 것으로 期待되었다. 그들에게 必要한 것은 더 큰 裝置, 더 强力한 前歷과 充分히 높은 溫度 條件이었다.

토카막은 핀치 裝置의 한 種類로, 安全 計數(흔히 q로 불리며, 클수록 安定하다)가 特定 값을 超過해 플라즈마가 相當히 安定的으로 存在한다(ZETA는 1/3 程度의 安全 係數를 보였고, 토카막은 最小 1의 數値를 보였다). 토카막을 基盤으로 한 裝置들은 時間이 흐르며 性能이 크게 向上되었으나, 1980年代 中盤 障礙物을 맞이했다. 裝置에 흐르는 電流가 增加함에 따라, 裝置에는 새로운 形態의 플라즈마 不安定이 나타났다. 이 問題는 解決될 수 있었지만, 磁氣場을 大幅 증가시키는 것이 唯一한 解答이었으며, 이는 큰 規模의 裝置와 많은 超傳導體를 必要로 했다. 裝置의 費用 負擔으로 因해 核融合爐 硏究를 위한 世界的인 組織이 形成되었고, 이는 ITER 프로젝트로 이어졌다.

스텔라레이터의 負傷 [ 編輯 ]

토카막 接近에 對한 問題點이 漸漸 드러나자, 스텔라레이터에 對한 關心이 다시 增加했다. 進步된 컴퓨터 技術은 過去에는 不可能하리라 생각되던 複雜한 形態의 電磁石 建設을 可能하게 해 스텔라레이터에 對한 可能性을 보여줬다. 新素材 및 새로운 建築 工法이 磁氣場의 質과 世紀를 增加시켜 裝置의 性能을 크게 向上시켰다. 最近에 이르러서는 스텔라레이터를 實驗하기 위해 獨逸의 W7-X, 美國의 HSX, 日本의 LHD 等의 많은 새로운 裝置가 考案되었다.

스텔라레이터는 플라즈마에 電流가 흐르지 않아 토카막에서 나타나는 不安定을 一部 除去하기 때문에, 비슷한 作動 條件에서 스텔라레이터는 더 높은 安定性을 보여주었다. 한便으로는, 토카막과는 달리 플라즈마 電流에 依한 街둠이 不可能하기 때문에, 스텔라레이터는 더 强力한 電磁石을 必要로 했다. 덧붙여 스텔라레이터는 플라즈마가 正常 狀態를 維持하기 때문에, 엔지니어링 觀點에서 여러 利點을 가지고 있다.

原理 [ 編輯 ]

核融合 發生 條件 [ 編輯 ]

機體를 數億 度까지 加熱해 氣體의 에너지를 증가시키면 大部分의 粒子는 核融合을 發生시키기 위한 最低의 에너지에 到達할 수 있다. 平均 溫度가 그보다 매우 낮을지라도, 맥스웰-볼츠만 分布 에 따라, 一部의 粒子들은 核融合 發生의 下限線을 넘는 에너지를 가진다. 核融合 反應은 發生하는 에너지가 投入하는 에너지보다 越等히 크기 때문에, 작은 量의 反應만으로도 그를 둘러싼 粒子들에서 核融合이 發生하기 위한 溫度까지 加熱시킬 수 있다. 1994年, 엔리코 페르미 는 重水素-三重水素 反應이 攝氏 50,000,000度에서 外部의 에너지 投入 없이 自立 可能하다는 것을 計算했다. ^[27]

數萬 度 以上으로 加熱된 物質은 原子核과 電子가 分離되어 플라즈마 狀態가 된다. 異常氣體 方程式 에 따라, 플라즈마는 一般的인 氣體와 같이 溫度가 增加하면 內部 壓力이 增加해 膨脹한다. ^[28] 플라즈마의 溫度는 알려진 모든 物質을 녹여버릴 程度로 높아 一般的인 方法으로는 플라즈마를 잡아두기 힘들다. 代身, 플라즈마는 電氣 傳導性이 있고 電磁氣場의 影響을 받기 때문에, 磁氣場을 利用해 原子核이 磁氣場을 따라 運動하게 하는 自己 가둠 方式이 考案되었다. 이러한 方式의 核融合 裝置는 數 테슬라 以上의 磁氣場을 必要로 하며, 普通 電磁石 코일을 利用한다. ^{[29] [30]}

自己 가둠 [ 編輯 ]

가장 單純한 自己 가둠 救助는 솔레노이드를 利用해 만들 수 있다. 솔레노이드 內腔은 眞空狀態에서 플라즈마로 채워진다. 솔레노이드가 形成하는 磁氣場은 플라즈마가 솔레노이드의 軸을 따라 運動하게 해, 플라즈마의 膨脹으로 인한 側面으로의 流出을 防止한다. 그러나 限定된 길이의 솔레노이드에서 플라즈마는 結局 洋緞으로 빠져나가, 安定된 狀態를 維持할 수 없다. ^[31]

이러한 솔레노이드의 限界를 解決하기 위해 토러스 形態의 코일이 使用되었다. 토러스 構造에서 粒子들은 側面으로의 움직임이 制限된 狀態로, 軸을 周圍로 磁氣場을 따라 運動하게 된다. 그러나 페르미는, 솔레노이드가 고리 形態로 變形되면, 토러스의 中心으로부터 가까운 곳의 道詵이 바깥쪽보다 密集되어, 不均一한 磁氣場에 依해 漸次 粒子들이 外郭으로 치우칠 것이라고 警告했다. 이때 電子와 原子核이 서로 反對 方向으로 移動해 殿下 不均等에 依한 電氣力을 發生시키며, 이 힘은 磁氣力을 凌駕한다. 따라서 長期的 維持를 위해선 追加的인 힘을 發生시킬 必要가 있었다. ^{[5] [31]}

스텔라레이터 [ 編輯 ]

스피처는 페르미가 提起한 問題를 管의 形態를 物理的으로 變形시킴으로써 解決했다. 單純한 토러스 構造에서, 磁氣場이 剛해질 때 토러스 中心으로부터 가까운 곳의 粒子들은 上昇하는 反面, 바깥쪽의 粒子들은 下降한다(반대의 境遇에도 同一하게 適用된다). 한便, 萬一 粒子가 바깥쪽와 안쪽을 번갈아 지나간다면, 上昇과 下降의 두 效果가 서로 相殺되어 粒子의 不安定한 움직임을 抑制할 수 있다. 이러한 過程에서도 移動에 對한 알짜成分이 存在하기에 制御가 完璧하진 않으나, 計算 結果 粒子를 가두고 目標 溫度까지 加熱하기에 充分하다는 것이 밝혀졌다.

스피처는 簡單하게 그의 생각을 實現할 方法을 提案했다. 單純 토러스를 使用하는 代身, 그는 토러스를 半으로 자른 構造를 생각했다. 스피처는 두 半쪽 토러스의 兩 끝을 線形 코일을 利用해 서로 交叉시켜서 連結해, 全體的인 構造가 8字 形態를 그리도록 했다. 두 交叉하는 道詵이 서로를 通過하게 配置할 수 없었기에, 이 裝置는 45度 程度 비틀어진 立體的인 構造를 갖게 되었다.

이 方式이 어떻게 粒子의 移動은 制御하는지 理解하기 위해, 하나의 粒子가 中央의 直線 區間에서 出發해 棺을 따라 移動하는 經路를 考慮하자. 萬一 粒子가 完璧하게 管 中央에 있다면, 粒子는 中心에서 벗어나지 않은 狀態로 한 바퀴를 돌 수 있다. 이제 첫 番째 粒子와 平行하게 運動하나 管의 壁 近處에 있는 粒子를 생각하면, 한 半쪽 토러스에선 바깥쪽 壁을 따라 돌며 下降하고, 다른 半쪽 토러스로 進入하면 안쪽 壁을 따라 돌며 上昇해 元來의 位置로 되돌아올 수 있다.

이 過程에 依해 粒子의 不安定한 움직임을 誘發하는 가장 큰 要因을 除去할 수 있으나, 考慮되어야 할 다른 要素들이 아직 存在한다. 原子核과 電子는 서로 反對 方向으로 매우 빠르게 運動하기에, 서로 다른 經路를 따라 移動하는 粒子 間의 衝突이 발샐할 수 있다. 衝突 過程에서 粒子들은 徐徐히 바깥 方向으로 移動하여, 結局 粒子와 裝置 內壁의 衝突 또는 電荷의 分離를 誘發할 수 있다. 스피처는 棺을 따라 配置되어 플라즈마의 崔外郭을 걷어내는 裝置인 다이버터(divertor)를 提案했다. 다이버터는 이온의 運動이 經路에서 어긋나 壁과 衝突하기 前에 이온을 除去할 뿐만 아니라, 플라즈마 內의 不純物들을 除去하는 役割을 한다.

古典的인 計算法에 따른 粒子의 流失 比率은 純粹한 吐露이드보다도 充分히 낮았다. 그러나 1949年, D. Bohm에 依해 훨씬 큰 量의 流失이 發生한다는 것이 밝혀졌고, 이 效果는 ‘洑옴 擴散(Bohm diffusion)’이라고 命名되었다. 스피처는 이 問題에 對해 相當히 努力했고, 洑옴 擴散에 依해 나타나는 變則的인 比率은 플라즈마의 不安定性 때문이라고 結論지었다. ^[32]

問題點과 代案 [ 編輯 ]

初期의 8者型 裝置는 많은 問題點을 지니고 있었다. 이는 여러 個의 다른 모델들이 登場하게 되는 契機가 되었고, 이를 통해 問題點들에 對한 解決法이 提示되었다.

가장 큰 問題點 中 하나는 裝置 內部의 磁氣場이 주어진 質量, 주어진 速度로 運動하는 粒子만을 正常的으로 가둘 수 있다는 것이었다. 설정 速度보다 더 빠르게 또는 더 느리게 運動하는 粒子들은 시스템에 머무를 수 없었다. 낮은 速度의 粒子(低溫의 粒子)들은 가두어지지 못해 外部로 流出될 수 있었고, 높은 速度의 粒子(高溫의 粒子)들은 커브 區間에서 壁과 衝突할 수도 있었다. 이러한 問題를 解決하기 위해 스피처는 直線 區間에 다이버터를 連結했다. 다이버터는 너무 빠르거나 너무 느리게 運動하는 粒子를 除去하는 一種의 質量 分光器 役割을 했다.

8者型 裝置에서 두 個의 直線 區間은 서로 交叉할 수 없기에, 두 半쪽 토러스가 約 135度의 角을 이루고 있었다. 때문에 平面에 가까운 裝置를 위한 새로운 設計가 進行되었다. 初期의 스텔라레이터 B-2는 서로 平行한 두 平面을 오가도록 度線을 再配置했다. B-2는 S字形 構造를 形成했는데, 이러한 構造는 裝置가 完全한 對稱 構造를 이루게 했다

粒子의 回戰에 對한 더 나은 解決方案은 스텔라레이터 B-64와 B-65에 適用되었다. 이 裝置들은 交叉區間을 除去하고 裝置를 楕圓形으로 製作해 構造를 平面化시켰다. 粒子의 回轉은 두 半쪽 토러스의 兩 끝에 새로운 코일을 配置해, 코일로부터 만들어지는 磁氣場이 旣存의 磁氣場과 重疊되어 粒子의 經路를 180度 회전시키도록 했다. 이 方法은 核融合爐의 設計를 單純化시켰지만, 實際로 完全히 對稱이도록 製作하는 것은 相當히 어려운 일이다.

플라즈마의 加熱 [ 編輯 ]

앞서 言及한 바에 依하면, 核融合이 일어나기 위한 條件을 形成하기 위해선 플라즈마를 數億 도 水準으로 加熱해야 한다. 이 溫度까지 加熱하는 過程은 一般的인 方法으로 行해지기는 어렵고 많은 에너지를 必要로 하기에, 效果的인 加熱을 위한 다양한 方法이 提示되었다. 한便, 核融合 에너지가 臨界 條件(breakeven)에 到達하게 되면 投入하는 에너지가 發生하는 에너지와 같은 水準에 이르며, 이를 넘어서 點火 條件(ignition)에 到達하면 追加的인 加熱 없이 核融合 反應을 維持 시킬 수 있다.

英國과 美國에서 硏究된 제타 핀치(z-pinch)와는 달리, 스텔라레이터는 高分子 水準에서 플라즈마에 誘導電流가 흐르지 않으며, 各各의 粒子들은 끊임없이 돌고 있지만 플라즈마는 中立的인 平衡 狀態를 維持한다. 토카막과 핀치 裝置에서의 境遇, 플라즈마 電流가 加熱을 위한 첫 番째 手段이 되지만, 스텔라레이터의 境遇 이러한 方法을 使用할 수 없다.

初期의 스텔라레이터에서 플라즈마를 加熱을 위한 裝置는 핀치 裝置에서와 비슷한 形態를 가졌다. 이것은 變壓器와 連結된 道詵에 依한 첫 番째 期作과, 플라즈마 電流에 依한 두 番째 期作으로 構成된다. 스텔라레이터 內部의 특정한 部位에 에너지가 電流의 펄스를 통해 供給되면, 粒子들은 에너지가 上昇해 運動을 始作한다. 粒子의 運動은 機體를 流入시켜, 빠른 速度로 모든 氣體를 이온化시킬 수 있다. 이 過程은 旣存의 加熱裝置와는 달리 氣體의 抵抗에 依存해 熱을 發生시키기 때문에, 옴 加熱이라고 한다. 氣體의 溫度가 上昇하면, 플라즈마의 電氣 傳導性은 增加한다. 이는 옴 加熱의 效率을 持續的으로 낮춰, 시스템의 溫度는 約 1百萬 K의 上限線을 가진다. ^[33]

플라즈마를 더 높은 溫度로 加熱하기 위해, 두 番째 熱源으로 自己 펌핑 시스템이 追加되었다. 自己 펌핑 시스템은 眞空 챔버를 따라 配置된 코일을 통해 供給되는 無線 周波원으로 構成되어있다. 이 때 走破원의 振動數는 磁氣力線 周圍의 粒子들이 自然的으로 가지는 振動數人 사이클로트론 振動數와 같은 값으로 設定된다. 이는 粒子들의 에너지를 증가시켜 더 넓은 半徑으로 돌도록 한다. ^[34] 異常氣體 法則에 따라서, 에너지가 增加한 粒子에 依해 溫度가 增加한다. 옴 加熱과 마찬가지로 이 過程은 溫度가 增加함에 따라 效率性이 減少하지만, 더 높은 溫度까지 加熱하는 것이 可能하다. 振動數를 이온이 循環하는 振動數에 맞춰 設定한다면, 이것을 이온-사이클로트론 公明 加熱(또는 이온 公明 加熱)이라고 한다. ^[35]

플라즈마의 加熱 方式 [ 編輯 ]

플라즈마는 電氣的으로 導體이며, 플라즈마로 電流가 흐를 때 自體 抵抗에서 發生하는 熱에 依해 溫度가 上昇한다. 抵抗은 溫度에 反比例하기 때문에, 電流에 依한 加熱法은 加熱 初盤에만 使用된다. 이 方法은 現在까지 알려진 技術 中 가장 效率이 뛰어나다.

電流에 依한 加熱

플라즈마는 電氣的으로 導體이며, 플라즈마로 電流가 흐를 때 自體 抵抗에서 發生하는 熱에 依해 溫度가 上昇한다. 抵抗은 溫度에 反比例하기 때문에, 電流에 依한 加熱法은 加熱 初盤에만 使用된다. 이 方法은 現在까지 알려진 技術 中 가장 效率이 뛰어나다.

中性 粒子 빔 入社裝置(NBI)

中性 粒子 빔 入絲匠치는 電氣場으로 가속된 이온 粒子를 스텔라레이터로 發射한다. 運動中 粒子가 磁氣場의 影響을 받는 것을 防止하기 爲해, 이온은 반드시 中性化되어야 한다. 中性化된 粒子는 플라즈마 粒子들과 衝突해 電子를 잃고 이온 狀態가 된다. 이 이온은 플라즈마 內의 粒子들에 비해 相當히 빠른 速力으로 움직이며, 一連의 周邊에 있는 이온, 電子들과의 衝突로 溫度를 상승시킨다. 中性 粒子 빔은 普通 水素 原子나 重水素 原子를 使用하며, 80 keV 或은 120 keV 以上의 빔 에너지와 50A 以上의 빔 電流가 使用된다. 中性 粒子 빔 加熱裝置는 토카막 裝置에서 가장 널리 利用되고 있고 플라즈마 加熱 및 電流 驅動 側面에서 强力한 性能을 가지고 있다.

이온-사이클로트론 公明 加熱 (ICRH)

磁氣場이 있는 플라즈마에서 플라즈마 粒子들은 磁氣場 周邊에서 일정한 振動數로 回轉한다. 振動數는 粒子의 質量, 電荷量 그리고 磁氣場에 依해 決定되는데, 이것을 사이클로트론이라고 한다. 플라즈마의 密度나 溫度는 사이클로트론 振動數에는 影響을 주지 않으므로 사이클로트론 振動數의 電磁波 或은 RF(Radio frequency)가 플라즈마에 入社할 境遇 플라즈마 粒子와 電磁波가 共鳴해 플라즈마 粒子가 加熱된다.

電子-사이클로트론 公明 加熱 (ECRH)

電子-사이클로트론 公明 加熱裝置, 또는 電子 公明 加熱裝置는 ICRH 加熱裝置의 原理와 비슷하나, 플라즈마 이온 代身 電子와 共鳴을 일으키는 電子波를 使用한다. 前者는 이온보다 約 2000倍假量 가볍기 때문에 10億分의 1 水準의 超高周波 領域 周波數를 使用한다.

위 方法들을 통해 最適化 條件에서의 加熱 成功 與否 및 溫度 制限의 改善 可能性은 電子와 이온의 溫度 및 密度 等 플라즈마의 特性과 放射 分布에 依해 정량화될 수 있다.

構造的 形態 [ 編輯 ]

스텔라레이터는 幾何적 救助, 코일의 形態 等의 基準에 따라 다음을 包含하는 다양한 種類로 區分할 수 있다.

特殊한 스텔라레이터

基하적인 方法으로 磁氣場을 회전시킨 8字 形態의 初期 디자인이 이에 該當한다.

古典的 스텔라레이터

磁氣場의 回轉을 發生시키기 위한 서로 分離된 螺旋形 코일들을 包含한 吐露이드 또는 고리 形態의 디자인이 이에 該當한다.

토르사트론(Torsatron)

一體型 螺旋形 코일을 가진 스텔라레이터를 아우른다. 비슷한 形態의 磁氣場을 형성시키는, 몇 個의 獨立的인 코일들로 構成된 스텔라레이터 또한 包含한다.

헬리오트론(Heliotron)

플라즈마를 가두는 螺旋形 코일과 함께, 垂直 方向의 磁氣場을 發生시키는 極 方向(poloidal) 코일들을 가지는 스텔라레이터를 말한다. 吐露이드 方向(toroidal) 코일은 플라즈마 表面의 磁氣的 性質을 調整하는데에도 活用된다. 日本의 LHD(Large Helical Device)가 代表的인 헬리오트論에 該當한다.

모듈式 스텔라레이터

몇 個의 서로 分離된 모듈式 코일들과 꼬인 吐露이드 形態의 코일로 構成된 스텔라레이터를 말한다. ^[36] 美國의 HSX(Helically Symmetric Experiment)가 이에 該當하며, 헬리아스 또한 모듈式 스텔라레이터에 包含시킬 수 있다.

헬리惡(Heliac)

單純한 고리 形態가 아닌 螺旋形 吐露이드 形態의 磁氣場을 形成하는 螺旋形 軸 對稱 스텔라레이터(helical axis stellarator)를 말한다. 꼬인 形態의 플라즈마는 磁氣力線을 회전시켜 粒子의 運動 制御에 影響을 미치고, 토르社트론과 헬리오트論보다 더 큰 回轉을 줄 수 있다. 初期의 헬리惡은 原形 코일만을 包含했다. H-1NF, TJ-II, TU-Heliac 等의 Flexible Heliac의 境遇 작은 螺旋形의 코일을 追加해 最大 두 倍까지 회전시킬 수 있도록 했다.

헬리아스(Helias)

많은 플라즈마, 낮은 Pfirsch-Schluter 電流, 그리고 좋은 粒子 가둠 性能을 同時에 達成하는데에 最適化된, 모듈式 코일들을 使用하는 螺旋形 尖端 스텔라레이터(helical advanced stellarator)이다. 헬리아스는 모듈式 設計와 함께 最適化된 플라즈마, MHD 및 磁氣場 特性을 가져 核融合 發展에서 가장 有望한 스텔라레이터 形態이다. ^[37] 獨逸의 Wendelstein 7-X는 5番 꼬인 헬리아스에 基盤을 두고 있다.

最近의 硏究 [ 編輯 ]

에너지 輸送의 減縮을 위한 最適化 [ 編輯 ]

自己 가둠 裝置의 큰 課題는 磁氣場을 가로지르는 에너지 輸送을 最少化하는 것이다. 吐露이드 裝置는 粒子들이 磁氣場을 따라 토러스를 回轉할 때 磁氣的 特性이 平準化되어 나타나기에 相對的으로 成功的이라 볼 수 있다. 한便, 粒子에 依해 觀察되는 磁氣場의 世紀는 다양하기 때문에 一部 粒子들은 自己 거울 效果에 依해 갇히게 된다. 이러한 粒子들은 自己 特性에 對한 變因으로 作用하여, 에너지의 輸送을 증가시킨다. 大部分의 스텔라레이터에서, 이러한 自己場 世紀의 不均一함은 토카막에서보다 크기 때문에, 토카막에서보다 에너지의 運送 效果가 더 크게 나타난다.

위스콘신 大學의 David Anderson 敎授와 硏究 助手 John Canik은 2007年 HSX가 이 最大의 難關을 克服할 수 있음을 立證했다. HSX는 類似對稱的(quasisymmetric) 磁氣場을 使用하는 最初의 磁氣場이다. 이 팀은 類似對稱的 構造가 에너지의 輸送을 감소시킬 것이라는 豫測을 바탕으로 HSX를 設計 및 構築했다. 最近의 硏究에 따르면, HSX는 實際로 에너지 輸送이 낮게 나타났다. Canik은 이것이 有史對稱的 構造가 效果를 보인 첫 番째 實驗이며, 實際로 에너지 輸送의 減少를 測定할 수 있다고 밝혔다.

各州 [ 編輯 ]

參考 文獻 [ 編輯 ]

認容 [ 編輯 ]

自敍傳 [ 編輯 ]

• Asimov, Isaac (1972). 《Worlds Within Worlds: The Story of Nuclear Energy》. U.S. Atomic Energy Commission.  
• Bishop, Amasa (1958). 《Project Sherwood; the U.S. program in controlled fusion》 . Addison-Wesley.  
• Bromberg, Joan Lisa (1982). 《Fusion: Science, Politics, and the Invention of a New Energy Source》 . MIT Press. ISBN   9780262021807 .  
• Herman, Robin (1990). 《Fusion: the search for endless energy》 . Cambridge University Press. ISBN   9780521383738 .  
• Johnson, John (December 1982). 《The Stellarator Approach to Toroidal Plasma Confinement》 (PDF) (技術 報告書). Princeton University, Plasma Physics Laboratory.  
• Spitzer, Lyman (1951年 7月 23日). 《A Proposed Stellarator》 (PDF) (技術 報告書). Project Matterhorn. 2019年 7月 19日에 原本 文書 (PDF) 에서 保存된 文書 . 2018年 6月 12日에 確認함 .  
• Spitzer, Lyman (1958). “The Stellarator Concept”. 《Physics of Fluids》 1 (4): 253?264. Bibcode : 1958PhFl....1..253S . doi : 10.1063/1.1705883 .  
• Stix, Thomas (1998). “Highlights in Early Stellarator Research at Princeton” (PDF) . 《Journal of Plasma Fusion Research Series》 1 : 3?8.  
• “Timeline” . Princeton Plasma Physics Laboratory.  

外部 링크 [ 編輯 ]

• Stellarator News from ORNL
• Stellarators Around the World ? inc UST-2
• Spherical Stellarator
• Low-cost Stellarator