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May 09, 2023

핵융합 에너지 발전: 연구원들이 기록 달성

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피터 한센/iStock

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핵융합 반응은 많은 양의 에너지를 생성합니다. 핵융합의 대표적인 예는 태양핵에서 일어나는 반응이다. 핵융합 에너지를 활용하는 것은 온실가스 배출이나 장수명 방사성 폐기물을 발생시키지 않기 때문에 오랫동안 과학자와 연구자들의 목표였습니다.

그러나 핵융합 에너지를 생산하는 데는 고온 및 고압 요구 사항, 플라즈마 불안정성, 비용, 확장성 및 에너지 균형 찾기 등 여러 가지 병목 현상이 있습니다.

이러한 과제에도 불구하고 핵융합 에너지 연구에서는 상당한 진전이 이루어졌습니다.

토카막은 자기 감금 융합에 사용되는 장치입니다. 이러한 반응에서는 강력한 자기장이 원자로 노심 내 핵융합 연료의 뜨거운 플라즈마를 제어하고 가두는 데 사용됩니다. 플라즈마는 중성 빔 주입이나 고주파 가열을 사용하여 고온으로 가열됩니다. 주요 목표는 핵융합 반응이 지속적으로 일어날 수 있는 안정적인 플라즈마 상태를 유지하여 무한한 에너지원을 제공하는 것입니다.

ORNL(Oak Ridge National Laboratory), PPPL(Princeton Plasma Physics Laboratory) 및 Tokamak Energy Ltd의 연구원들이 실시한 최근 ​​연구에서는 핵융합 에너지 연구에서 획기적인 발전을 보여줍니다. 연구팀은 핵융합 발전소가 상업용 에너지를 생산하는 데 필요한 거의 섭씨 1억도에 달하는 온도를 달성했습니다.

또한, 이전에는 없었던 소형 토카막으로 고온을 달성했습니다!

이번 연구에서 연구진은 ST40이라고 불리는 고자장 구형 토카막(ST) 장치의 작동 조건을 개선하는 데 중점을 두었습니다. 다른 핵융합 장치에 비해 ST40 장치는 더 작은 크기와 구형 플라즈마로 인해 눈에 띕니다.

연구팀은 1990년대 TFTR 토카막에서 1천만 와트 이상의 핵융합 전력을 생성한 것과 유사한 접근 방식을 사용했습니다. ST40은 2 Tesla보다 약간 높은 값의 환상형(도넛 모양) 자기장으로 작동되었습니다.

연구팀은 플라즈마를 가열하기 위해 180만 와트의 고에너지 중성 입자를 사용했습니다. 플라즈마 방전, 즉 핵융합 반응이 활발하게 일어나는 시간은 0.15초에 불과했지만, 핵의 이온 온도는 섭씨 1억도 이상에 달했다.

연구팀은 PPPL에서 개발한 TRANSP 전송 코드를 사용하여 이온 온도를 측정했습니다. 이 코드는 핵융합로에 사용되는 주요 연료인 불순물과 중수소의 측정된 온도 프로파일을 고려하기 때문에 유용합니다.

그들은 불순물의 온도 범위가 8.6keV(약 섭씨 1억도)보다 높은 반면, 중수소의 온도 범위는 그 값 근처라는 것을 발견했습니다. 이는 실험에 사용된 가열 방식이 원하는 고온을 효과적으로 달성했음을 시사한다.

결과는 소형 고자장 구형 토카막을 기반으로 한 핵융합 발전소의 향후 개발에 대한 낙관론을 제공합니다. 이러한 발전은 보다 효율적이고 경제적으로 실행 가능한 핵융합 에너지 솔루션으로 이어질 수 있으며, 지속 가능하고 청정 에너지 생성을 위한 유망한 길을 제공할 수 있습니다.

이번 연구는 핵융합 저널에 게재됐다.

연구 개요:

ST40 소형 고자기장 구형 토카막(ST)에서는 1억 켈빈(8.6keV)이 넘는 이온 온도가 생성되었습니다. 5keV를 초과하는 이온 온도는 이전에 어떤 ST에서도 도달한 적이 없으며 훨씬 더 많은 플라즈마 가열 전력을 갖춘 훨씬 더 큰 장치에서만 얻어졌습니다. 해당 핵융합 삼중곱은 ni0Ti0τE≒6±2 x 1018m-3keVs로 계산됩니다. 이러한 결과는 상업용 자기 제한 핵융합과 관련된 이온 온도가 소형 고자기장 ST에서 얻어질 수 있으며 고자기장 ST를 기반으로 하는 핵융합 발전소에 좋은 징조임을 처음으로 보여줍니다.