스텔러레이터

원자력공학 Nuclear Engineering
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1. 개요2. 형태3. 하위 종류4. 역사5. 토카막과의 비교

1. 개요

Stellarator

스텔러레이터는 플라즈마의 자장가둠 핵융합 방식의 한 얼개로, 토카막과 함께 현재 가장 주목을 받고 있는 가둠 방식이다.

2. 형태

파일:stellarator applied Quasisymmetrical Field.png

원환면을 꽈배기처럼 여러 번 꼰 형태로 형태 보존에 필연적인 플라즈마의 나선 운동을 플라즈마 전류(Plasma current)에 의한 유도 자기장없이 유지할수 있는 구조이다. 사진은 Quasisymmetric 자기장 구조가 적용된 스텔러레이터.

3. 하위 종류

스텔러레이터의 하위 변종으로는 스텔러레이터 방식에서 외장 자기 코일을 제거하고 나선형 코일만 이용하는 톨사트론(Torsatron), 독일의 Wendelstein 7-X가 채용한 헬리아스(Helias)와 같은 방식들이 있다. 톨사트론 방식은 독일 등지에서 소규모로 제작되기도 하였다.

4. 역사

1951년 미국의 라이만 스피처가 원환면 형태의 플라즈마 가둠 방식을 고안했다. [1] 이후, 7차례의 정도 거듭된 후속 연구를 진행해 원환면을 꼬은 형태의 플라즈마 가둠 방식의 개념을 AIP Scitation에 1958년에 게재했다.[2]

1960년대까지 안정적인 플라즈마 가둠 방식으로써 촉망받는 핵융합 발전 형태였지만, 안드레이 사하로프와 이고르 탐이 스텔러레이터의 핵심적인 단점인 플라즈마의 온도&밀도 유지를 보완하는 토카막 방식을 개발하면서, 높은 설계 난이도와 맞물려 경제성의 사유로 토카막에게 밀리기 시작했다.

90년대 이후로 슈퍼 컴퓨터의 도움으로 상대적으로 쉽게 설계 및 시뮬레이션이 가능해졌고 여러 나라에서 관심을 가지게 되면서 2000년에는 교토대학에서 스텔러레이터의 chamber에 토카막의 자기 코일을 절충한 Heliotron J를 완공했다.

2015년 12월 독일이 스텔러레이터 디자인을 도입한 세계 최대 핵융합로인 벤델슈타인 7-X를 완공하였다.

2020년대에는 스텔러레이터 자기장이 Quasisymmetry, Quasi-Omnigeneity 특성을 가지도록 설계하는 연구가 많이 진행되고 있다. 이런 방법들을 사용하면 스텔러레이터 방식의 고질적인 문제였던 토카막보다 뒤쳐지는 에너지 가둠 성능을 개선하는 것이 가능한 것으로 알려져 있으며, 현재 국제적으로 미국 PPPL의 영구자석 스텔러레이터[3], 위스콘신 대학교의 HSX, 독일의 W7-X, 중국-일본 합작 CFQS 프로젝트와 같이 다양한 기관들에서 이러한 스텔러레이터 최적화 기법들을 실증하기 위한 연구를 진행중이다.

5. 토카막과의 비교

스텔러레이터는 토카막과 달리 플라즈마 자체에 전류를 흘릴 필요가 없어 플라즈마 유지에는 더 탁월하다.[4] 토카막과 달리 스텔러레이터 장치는 도넛형 모양을 유지하게 하는 자기 코일 외에도 나선형 코일을 추가 배치해 자기장에 의한 플라즈마 회전 경로를 기하학적으로 풀어 플라즈마 전류 없이 플라즈마를 꼬아주게 된다.

또한 스텔러레이터 구조에서는 자연스럽게 디버터가 생겨나게 되어서 토카막보다 디버터 설계에 보다 유리하다는 장점도 있다.

다만 구조가 상당히 복잡하기 때문에 제작하는게 빡세다. ITER이 토카막 방식으로 하기로 확정이 된 상황이라 자금적 여유가 없는 나라들은 토카막 방식을 유지할 것 같다[5]. 이렇게 제작하는 난이도는 높은데 그렇다고 성능면에서 토카막을 압도하지도 못하는 점이 현재 핵융합 발전 방식에서 토카막보다 채택률이 훨씬 떨어지게 만드는 원인으로 꼽힌다.

현재까지의 실험으로 스텔러레이터와 토카막 이 두 가지 방법은 장단점이 명확히 갈리는데, 토카막은 에너지 가둠 성능에서 우위지만 플라즈마 불안정성의 제어가 힘든 반면, 스텔러레이터는 불안정성 제어에는 탁월하지만 에너지 가둠 성능이 뒤떨어진다.

[1] L. Spitzer, U.S. Atomic Energy Comm., Report No.NYO-993 (PM-S-1) (1951). [2] L. Spitzer, The Stellarator Concept, The Physics of Fluids, 1 (4), 253-264, 1958. [3] Halbach array를 사용하는 것으로 알려져 있다. [4] 이미 일본의 LHD에서는 1시간 동안 플라즈마를 유지했을 정도다. 참고로 이 장치에서는 섭씨 1억도의 플라즈마 온도도 달성하였다. [5] 이 때문에 ITER 설립 초기에 토카막 지지파와 스텔러레이터 지지파로 나뉘어 공방이 오갔다.