핵융합장치 Wendelstein(벤델스타인) 7-X의 새로운 기록
- 에너지 / 문광주 기자 / 2023-02-23 11:36:09
3'00" 읽기
- 2023년 2월 15일, 시스템은 1.3기가줄에서 8분 동안 실행
- 스텔라레이터형 원자로의 핵융합 플라즈마, 방전 지속시간과 발열량에서 새로운 기록
- 50개의 초전도 자기 코일 링, 뜨거운 융합 플라즈마를 가두는 복잡한 비틀림 자기장 생성
- 몇 년 안에 Wendelstein 7-X의 에너지 소비는 18기가줄로 증가하고 플라즈마는 30분 동안 안정적으로 유지할 것
핵융합은 미래의 가능한 에너지 공급원으로 간주된다. 다양한 원자로 유형이 현재 이 목적을 위해 테스트되고 있다. 여기에는 최근 핵융합 플라즈마 점화를 달성한 미국 National Ignition Facility와 같은 레이저 융합 설비가 포함된다. 다른 테스트 원자로는 강한 자기장을 사용하는 플라즈마 제한에 의존한다. 핵융합 장치는 모양에 따라 JET 또는 대형 원자로 ITER와 같은 토카막 시스템과 Wendelstein 7-X와 같은 스텔라레이터 원자로로 구분된다.
세계 최대의 스텔라레이터
Greifswald의 Wendelstein 7-X는 세계에서 가장 큰 스텔라레이터 유형의 핵융합 장치다. 50개의 초전도 자기 코일 링은 뜨거운 융합 플라즈마를 가두는 복잡한 비틀림 자기장을 생성한다. 짧은 간격으로만 플라즈마를 융합할 수 있는 토카막과 달리 스텔라레이터는 지속적으로 작동할 수 있으므로 이론적으로 발전소에 더 적합하다. Wendelstein-7X 테스트 시설은 이를 입증하기 위한 것이다.
독일 스텔라레이터는 2016년 2월에 첫 번째 수소 플라즈마를 생산했으며 2018년 6월에는 플라즈마 열, 밀도 및 구속 시간의 조합인 소위 융합 제품에 대한 세계 기록을 달성했다. 이 성공 이후 Wendelstein 7-X는 3년에 걸쳐 재건됐으며 무엇보다도 벽 요소를 위한 수냉식과 확장된 난방 시스템을 갖추고 있었다. 이를 통해 융합 반응기는 이전보다 두 배 많은 에너지를 플라즈마에 투입할 수 있다.
8분 동안 1.3기가줄
Wendelstein-7X는 이제 또 다른 이정표에 도달했다. 처음으로 물리학자들은 이 시스템에서 1.3기가줄의 에너지 회전율을 측정했다. 이렇게 하면 변환 전 시간에서 17배로 최상의 값이 증가한다. 1.3기가줄은 2.7메가와트의 평균 가열 출력으로 달성되었으며 방전은 480초 이상 지속됐다.
그라이프스발트(Greifswald)에 있는 막스 플랑크 플라즈마 물리학 연구소(IPP)의 Thomas Klinger는 "우리는 이제 더 높은 에너지 값에 접근하고 있다"고 설명했다. "시스템에 과부하가 걸리거나 손상되지 않도록 단계별로 진행해야 한다.“
세 부분으로 구성된 플라즈마 가열이 에너지를 공급
세 부분으로 구성된 플라즈마 가열 시스템은 주로 Wendelstein 7-X가 세운 현재 기록을 담당한다. 첫 번째 구성요소는 가속된 수소 원자 제트가 플라즈마에 주입되는 중성 입자 주입 가열이다. 입자는 충돌을 통해 에너지를 플라즈마 입자로 전달하여 가열한다. 두 번째 히터는 전파를 사용하여 플라즈마의 이온을 진동시켜 전자레인지처럼 가열한다.
세 번째 구성요소인 마이크로웨이브 전자 가열은 마이크로웨이브가 플라즈마의 전자를 진동시킨다는 점을 제외하고는 유사한 방식으로 작동한다. 그들은 몇 분에 걸쳐 많은 양의 에너지를 플라즈마로 전달할 수 있기 때문에 이 가열 구성요소는 Klinger와 그의 팀이 설명한 것처럼 핵융합의 에너지 전환에 특히 중요하다.
657개의 독립적인 냉각 회로가 있는 벽면 냉각
핵융합 반응기의 안전한 작동을 위해 또한 중요한 것은 특히 내열성, 냉각 다이버터 배플 플레이트이다. 이들은 Wendelstein 7-X 내벽의 일부이므로 매우 높은 온도를 견뎌야 한다. 동시에 플라즈마에 의해 운반되는 에너지와 입자의 양을 제거해 관벽과의 접촉 및 플라즈마 오염을 방지해야 한다.
핵융합 시설을 전환하는 동안 냉각 시스템이 있는 120개의 새로운 다이버터 모듈이 설치됐으며, 657개의 독립적인 냉각 회로는 플라즈마에서 생성된 열을 분산시키고 총 6.8km의 파이프를 통해 벽 모듈로 전달된다. 그 결과 Wendelstein 7-X는 이제 훨씬 더 높은 플라즈마 에너지로 작동할 수 있다. 오늘날 세계의 다른 어떤 핵융합 연구 시설도 이처럼 포괄적인 냉각벽을 갖추고 있지 않다.
그러나 이것은 물리학자들이 설명하는 것처럼 시작에 불과하다. 계획에 따르면 몇 년 안에 Wendelstein 7-X의 에너지 소비는 18기가줄로 증가하고 플라즈마는 30분 동안 안정적으로 유지되어야 한다.
출처: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
- 2023년 2월 15일, 시스템은 1.3기가줄에서 8분 동안 실행
- 스텔라레이터형 원자로의 핵융합 플라즈마, 방전 지속시간과 발열량에서 새로운 기록
- 50개의 초전도 자기 코일 링, 뜨거운 융합 플라즈마를 가두는 복잡한 비틀림 자기장 생성
- 몇 년 안에 Wendelstein 7-X의 에너지 소비는 18기가줄로 증가하고 플라즈마는 30분 동안 안정적으로 유지할 것
Wendelstein(벤델스타인) 7-X 핵융합 장치의 새로운 기록
Stellarator(스텔라레이터)는 8분 이상 동안 1.3GJ(Giga Joule 기가줄)의 에너지 소비로 플라즈마를 생성한다.
중요한 이정표:
Greifswald의 Wendelstein-7X 핵융합 테스트 원자로가 플라즈마 에너지 변환에서 새로운 최고점에 도달했다. 2023년 2월 15일, 시스템은 1.3기가줄에서 8분 동안 실행됐다. 따라서 스텔라레이터형 원자로의 핵융합 플라즈마는 방전 지속 시간과 발열량에서 새로운 기록을 달성했다. 이것은 새로운 가열 시스템과 특히 원자로 벽의 포괄적인 냉각을 포함한 광범위한 수정으로 가능했다.
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| ▲ 세계에서 가장 크고 현대적인 스텔라레이터인 그라이프스발트(Greifswald)에 있는 Wendelstein 7-X 융합 장치의 모습. © MPI für Plasmaphysik / Jan Hosan |
핵융합은 미래의 가능한 에너지 공급원으로 간주된다. 다양한 원자로 유형이 현재 이 목적을 위해 테스트되고 있다. 여기에는 최근 핵융합 플라즈마 점화를 달성한 미국 National Ignition Facility와 같은 레이저 융합 설비가 포함된다. 다른 테스트 원자로는 강한 자기장을 사용하는 플라즈마 제한에 의존한다. 핵융합 장치는 모양에 따라 JET 또는 대형 원자로 ITER와 같은 토카막 시스템과 Wendelstein 7-X와 같은 스텔라레이터 원자로로 구분된다.
세계 최대의 스텔라레이터
Greifswald의 Wendelstein 7-X는 세계에서 가장 큰 스텔라레이터 유형의 핵융합 장치다. 50개의 초전도 자기 코일 링은 뜨거운 융합 플라즈마를 가두는 복잡한 비틀림 자기장을 생성한다. 짧은 간격으로만 플라즈마를 융합할 수 있는 토카막과 달리 스텔라레이터는 지속적으로 작동할 수 있으므로 이론적으로 발전소에 더 적합하다. Wendelstein-7X 테스트 시설은 이를 입증하기 위한 것이다.
독일 스텔라레이터는 2016년 2월에 첫 번째 수소 플라즈마를 생산했으며 2018년 6월에는 플라즈마 열, 밀도 및 구속 시간의 조합인 소위 융합 제품에 대한 세계 기록을 달성했다. 이 성공 이후 Wendelstein 7-X는 3년에 걸쳐 재건됐으며 무엇보다도 벽 요소를 위한 수냉식과 확장된 난방 시스템을 갖추고 있었다. 이를 통해 융합 반응기는 이전보다 두 배 많은 에너지를 플라즈마에 투입할 수 있다.
8분 동안 1.3기가줄
Wendelstein-7X는 이제 또 다른 이정표에 도달했다. 처음으로 물리학자들은 이 시스템에서 1.3기가줄의 에너지 회전율을 측정했다. 이렇게 하면 변환 전 시간에서 17배로 최상의 값이 증가한다. 1.3기가줄은 2.7메가와트의 평균 가열 출력으로 달성되었으며 방전은 480초 이상 지속됐다.
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| ▲ 실험 중 수냉식 핵융합 반응기 내벽의 열 발생. 반응기의 플라즈마는 몇 배 더 뜨겁다. © MPI für Plasmaphysik |
그라이프스발트(Greifswald)에 있는 막스 플랑크 플라즈마 물리학 연구소(IPP)의 Thomas Klinger는 "우리는 이제 더 높은 에너지 값에 접근하고 있다"고 설명했다. "시스템에 과부하가 걸리거나 손상되지 않도록 단계별로 진행해야 한다.“
세 부분으로 구성된 플라즈마 가열이 에너지를 공급
세 부분으로 구성된 플라즈마 가열 시스템은 주로 Wendelstein 7-X가 세운 현재 기록을 담당한다. 첫 번째 구성요소는 가속된 수소 원자 제트가 플라즈마에 주입되는 중성 입자 주입 가열이다. 입자는 충돌을 통해 에너지를 플라즈마 입자로 전달하여 가열한다. 두 번째 히터는 전파를 사용하여 플라즈마의 이온을 진동시켜 전자레인지처럼 가열한다.
세 번째 구성요소인 마이크로웨이브 전자 가열은 마이크로웨이브가 플라즈마의 전자를 진동시킨다는 점을 제외하고는 유사한 방식으로 작동한다. 그들은 몇 분에 걸쳐 많은 양의 에너지를 플라즈마로 전달할 수 있기 때문에 이 가열 구성요소는 Klinger와 그의 팀이 설명한 것처럼 핵융합의 에너지 전환에 특히 중요하다.
657개의 독립적인 냉각 회로가 있는 벽면 냉각
핵융합 반응기의 안전한 작동을 위해 또한 중요한 것은 특히 내열성, 냉각 다이버터 배플 플레이트이다. 이들은 Wendelstein 7-X 내벽의 일부이므로 매우 높은 온도를 견뎌야 한다. 동시에 플라즈마에 의해 운반되는 에너지와 입자의 양을 제거해 관벽과의 접촉 및 플라즈마 오염을 방지해야 한다.
핵융합 시설을 전환하는 동안 냉각 시스템이 있는 120개의 새로운 다이버터 모듈이 설치됐으며, 657개의 독립적인 냉각 회로는 플라즈마에서 생성된 열을 분산시키고 총 6.8km의 파이프를 통해 벽 모듈로 전달된다. 그 결과 Wendelstein 7-X는 이제 훨씬 더 높은 플라즈마 에너지로 작동할 수 있다. 오늘날 세계의 다른 어떤 핵융합 연구 시설도 이처럼 포괄적인 냉각벽을 갖추고 있지 않다.
그러나 이것은 물리학자들이 설명하는 것처럼 시작에 불과하다. 계획에 따르면 몇 년 안에 Wendelstein 7-X의 에너지 소비는 18기가줄로 증가하고 플라즈마는 30분 동안 안정적으로 유지되어야 한다.
출처: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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