미국 에너지부 산하 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(Princeton Plasma Physics Laboratory)의 연구원들은 컴퓨터의 성능을 활용하여 스텔라레이터(stellarator)로 알려진 핵융합 장치의 성능을 향상시키고 있습니다. 거대한 고리 모양의 장치에는태양 표면보다 몇 배 더 뜨거운 플라즈마는 강력하고 제어된 움직임으로 회전합니다. 외부에서 보면 기계는 비계와 통로로 둘러싸인 금속 링처럼 보입니다. 그러나 내부는 태양과 다른 모든 별의 에너지원인 핵융합에 필요한 극한 조건을 재현합니다.

미국 에너지부(DOE) 과학국의 지원을 받아 연구자들은 핵융합을 실행 가능한 상업용 에너지원으로 개발하려는 장기 목표를 가지고 핵융합에 대한 이해를 심화하기 위해 노력하고 있습니다. 미국 에너지부 산하 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)의 과학자들은 최근 플라즈마를 가두는 안정성으로 알려진 유망한 핵융합 장치인 스텔라레이터의 발전에 상당한 진전을 이루었습니다.

핵융합은 깨끗하고 사실상 무제한의 에너지원을 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 화석 연료와 달리 핵융합은 온실가스나 장수명 방사성 폐기물을 생성하지 않습니다. 핵융합은 가벼운 원자핵(예: 수소 핵)이 플라즈마(과열되고 전기적으로 충전된 가스)를 형성할 때까지 가열하여 작동합니다. 별은 플라즈마로 만들어졌기 때문에 플라즈마는 눈으로 볼 수 있는 우주의 약 99%를 차지합니다.

핵심 과제는 이 플라즈마를 제어하는 ​​것입니다. 핵융합 에너지를 실용화하려면 과학자들은 안정적인 핵융합 반응을 유지할 수 있는 장치를 개발해야 합니다. 고온 플라즈마를 효과적으로 제어하고 관리함으로써 핵융합 반응으로 생성되는 에너지는 소비되는 에너지보다 더 큽니다.

자기 감금 장치: Tokamak 및 Stellar Simulator

핵융합 연구자들은 자기 및 관성 구속을 포함한 여러 가지 기술을 연구하고 있습니다. 가장 일반적인 두 가지 자기 감금 구성은 토카막과 스텔라레이터입니다. 둘 다 매우 강한 자기장을 사용하여 플라즈마를 가두어 도넛 모양으로 유지합니다.

대학원생이었던 Alexandra LeViness가 뒤틀린 핵융합 장치인 스텔라레이터의 일부에 손을 얹고 있습니다. 이미지 출처: Elle Starkman, PPPL

그들 사이의 한 가지 차이점은 자기장을 생성하는 방식입니다. 토카막에는 세 세트의 대형 자기장 코일이 있습니다. 코일 중 하나는 플라즈마 중심을 통해 흐르는 전류를 생성합니다. 이 전류에 의해 생성된 자기장은 플라즈마의 구속 효과를 향상시킵니다. 대조적으로, 스텔라레이터는 플라즈마 외부를 둘러싸는 많은 자기 코일을 가지고 있습니다. 이들은 링을 둘러싸는 꼬인 자기장을 형성하므로 중앙 전류가 필요하지 않습니다.

Stellarator는 토카막에 비해 몇 가지 중요한 장점이 있습니다. 핵융합 반응을 유지하는 데 더 적은 전력이 필요하고 설계가 더 유연하며 장치 벽을 손상시키는 플라즈마 중단이 발생할 가능성이 적습니다.

그러나 스텔라레이터에는 한 가지 중요한 문제가 있습니다. 토카막 캔처럼 플라즈마의 열을 유지할 수 없다는 것입니다. 특히, 스텔라레이터는 플라즈마에서 가장 활동적인 입자를 가두는 데 어려움을 겪습니다. 핵융합 반응을 유지하려면 이러한 입자 중 다수를 갇혀 있어야 합니다. 또한 더 많은 에너지 입자가 손실될수록 장치 벽을 손상시킬 가능성이 더 커집니다. 축을 중심으로 한 토카막의 대칭 모양으로 인해 입자를 가두기가 쉽기 때문에 이러한 문제가 발생하지 않습니다. 과학자들은 스텔라레이터가 실행 가능한 설계가 되기 전에 이 근본적인 문제를 해결해야 합니다.

다행스럽게도 PPPL의 연구자들은 이 문제에 대한 몇 가지 해결책을 찾았습니다. 그들은 특정 자기장 구성으로 인해 갇힌 입자가 감금을 촉진하는 방식으로 행동하게 된다는 것을 알고 있었습니다.

이제 과학자들은 자기장의 정확한 모양을 생성하기 위해 자석을 조정하는 방법을 알아야 합니다. 이론적으로 가장 좋은 해결책은 각 입자가 각 자기장에서 어떻게 움직이는지 시뮬레이션하는 것입니다. 그러나 이를 위해서는 거의 무제한의 컴퓨팅 성능과 시간이 필요합니다. 이것은 비실용적입니다.

대신, Auburn 대학, 독일 Max Planck 플라즈마 물리학 연구소, Wisconsin-Madison 대학의 과학자들과 협력하는 PPPL 연구원들은 훨씬 적은 컴퓨팅 성능이 필요한 대체 접근 방식을 사용했습니다. 그들은 각 입자가 어떻게 움직일지 예측하는 대신 입자가 자기장을 얼마나 빨리 떠날지 예측하는 계산하기 쉬운 대리 함수를 개발했습니다. 이 숫자는 자기장이 플라즈마를 가두는 정도와 일치합니다. 이 대리 기능을 사용하여 팀은 고에너지 입자를 더 적게 손실하는 다양한 가능한 플라즈마 구성을 개발할 수 있었습니다.

다른 과학자들은 이전에 이 기술을 사용해 본 적이 있지만 특정 유형의 스텔라레이터에 적용한 적은 없었습니다. 이 프로젝트는 미국 에너지부 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)와 PPPL이 개발한 코드를 사용합니다.

이러한 구성은 특정 장치용으로 설계되지는 않았지만 과학자들이 앞으로 나아가고 나아갈 방향을 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 이 접근 방식을 사용하면 별 연구를 발전시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 궁극적으로 스텔라레이터는 상업용 핵융합 발전을 위한 실행 가능한 옵션이 될 수 있습니다.

/ScitechDaily에서 편집됨