핵융합을 개발하는 과학자들은 실험용 원자로와 상업용 전기 사이에 있는 가장 완고한 엔지니어링 퍼즐 중 하나를 해결하기 위한 새로운 계획을 시작했습니다.
캘리포니아의 DIII-D 국가 핵융합 시설은 일본 엔지니어링 회사인 교토 퓨저니어링(Kyoto Fusioneering)과 협력하고 있습니다. 그들은 함께 핵융합로 내부에서 생성되는 맹렬한 열을 처리하도록 설계된 특수 배기 시스템을 구축하고 테스트할 것입니다. 이 시스템은 미국 에너지부가 자금을 지원하는 테스트베드 장치인 DIII-D의 토카막에 직접 설치됩니다.
핵융합은 태양에 연료를 공급하는 것과 동일한 과정인 가벼운 원자를 서로 융합하여 청정 전력을 생성합니다. 대부분의 연구는 토카막이라고 알려진 도넛 모양의 자기 챔버 내부에서 이루어집니다. 그러나 섭씨 1억도 이상으로 가열된 물질을 포함하면 기계 벽에 심각한 위험을 초래할 수 있습니다.
토카막을 위한 새로운 운영 접근 방식
표준 원자로는 시간이 지남에 따라 내부 표면을 침식할 수 있는 강렬하고 갑작스러운 열 펄스로 인해 어려움을 겪습니다. 이를 극복하기 위해 연구자들은 “음의 삼각형”으로 알려진 설계로 눈을 돌리고 있습니다.
“음의 삼각형 또는 역 ‘D’ 모양의 플라즈마는 자기장이 있는 플라즈마를 포함하는 도넛 모양의 융합 장치인 토카막에 대한 잠재적으로 변형적인 운영 접근 방식입니다.”라고 교토 퓨셔니어링은 설명했습니다.
이 대체 기하학은 우아한 물리적 이점을 제공합니다. 이는 불안정한 열 폭발을 완화하고 원자로 벽에 부딪히기 전에 과도한 열 에너지를 원활하게 방출합니다. 그러나 이러한 약속에도 불구하고 누구도 고유한 입자 흐름을 처리할 수 있는 산업용 등급 배기 시스템 구성을 테스트하지 않았습니다.
특수 제작된 ‘전환기’ 구축
새로운 벤처는 그 사각지대를 직접적으로 겨냥합니다. 교토 퓨셔니어링(Kyoto Fusioneering)은 원자로의 굴뚝 역할을 하는 부품인 특수 목적의 “전환기”를 구성하기 위해 내열 타일을 제조할 예정입니다. 일단 설치되면 DIII-D, 교토 퓨저니어링(Kyoto Fusioneering) 및 컬럼비아 대학의 연구원들은 광범위한 시험을 위해 토카막을 발사할 것입니다.
DIII-D 융합 기술 지원 코디네이터인 홍석호는 “상업적으로 관련된 장치 설정에서 음의 삼각관계를 이해해야 하는 필요성이 협력으로 이어졌습니다.”라고 말했습니다. 그는 이 프로젝트를 통해 과학자들이 적극적이고 비용 효과적인 테스트 플랫폼에 대한 접근 방식을 평가할 수 있을 것이라고 언급했습니다.
엔지니어들은 챔버 내부에서 섬세한 균형 조정 작업에 직면합니다. 기계는 핵융합이 일어날 만큼 뜨거운 코어를 유지해야 하며, 외부 가장자리는 주변 장비를 녹이지 않을 만큼 차가운 상태를 유지해야 합니다. 시험에서는 확장된 작업 중에 역D 플라즈마가 얼마나 잘 작동하는지 테스트하고 내부 구성 요소의 열 부하와 기계적 변형을 측정합니다.
미래 원자로 설계 개선
“높은 중성자 부하와 열 유속은 핵융합 발전소의 생존 가능성에 있어 가장 중요한 과제 중 하나입니다.”라고 교토 퓨셔니어링 아메리카(Kyoto Fusioneering America)의 사장인 Bibake Uppal은 결론을 내렸습니다. 그는 새로운 전환기 개념을 테스트하는 것이 상업적 생존 가능성을 입증하는 데 필수적이라고 강조했습니다.
이번 연구 결과는 미국 에너지부가 설정한 더 광범위한 로드맵에 반영될 것입니다. 테스트 결과는 물리학자가 전체 공장 컴퓨터 모델을 검증하고, 플라즈마 안정성을 평가하고, 미래 파일럿 플랜트에 필요한 재료를 개선하는 데 도움이 됩니다.
실험 데이터는 국제 DIII-D 사용자 네트워크를 통해 자유롭게 공유됩니다. 연구를 공개함으로써 파트너십은 전 세계의 상업적 핵융합 벤처 기업이 그리드에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 원자로를 설계하도록 돕는 것을 목표로 합니다.
