핵융합 에너지의 한계를 깨는 새로운 기본법칙

ITER 토카막 핵융합로에서 구름과 같은 이온화된 플라즈마의 그림. 신용: ITER

EPFL의 물리학자들은 유럽의 주요 협력에서 확립된 기본 법칙 중 하나를 수정했습니다.[{” attribute=””>plasma and fusion research for over three decades, even governing the design of megaprojects like ITER. The update demonstrates that we can actually safely utilize more hydrogen fuel in fusion reactors, and therefore obtain more energy than previously thought.

Fusion is one of the most promising future energy sources . It involves two atomic nuclei merging into one, thereby releasing enormous amounts of energy. In fact, we experience fusion every day: the Sun’s warmth comes from hydrogen nuclei fusing into heavier helium atoms.

There is currently an international fusion research megaproject called ITER that seeks to replicate the fusion processes of the Sun to create energy on the Earth. Its goal is to generate high-temperature plasma that provides the right environment for fusion to occur, producing energy.

Plasmas — an ionized state of matter similar to a gas – are made up of positively charged nuclei and negatively charged electrons, and are almost a million times less dense than the air we breathe. Plasmas are created by subjecting “the fusion fuel” – hydrogen atoms – to extremely high temperatures (10 times that of the core of the Sun), forcing electrons to separate from their atomic nuclei. In a fusion reactor, the process takes place inside a donut-shaped (“toroidal”) structure called a “tokamak.”

Swiss Plasma Center Tokamak Thermonuclear Fusion Reactor

The tokamak thermonuclear fusion reactor at Swiss Plasma Center. Credit: Alain Herzog (EPFL)

“In order to create plasma for fusion, you have to consider three things: high temperature, high density of hydrogen fuel, and good confinement,” says Paolo Ricci at the Swiss Plasma Center, one of the world’s leading research institutes in fusion located at École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL).

Working within a large European collaboration, Ricci’s team has now released a study updating a foundational principle of plasma generation – and showing that the upcoming ITER tokamak can actually operate with twice the amount of hydrogen and therefore generate more fusion energy than previously thought.

“One of the limitations in making plasma inside a tokamak is the amount of hydrogen fuel you can inject into it,” says Ricci. “Since the early days of fusion, we’ve known that if you try to increase the fuel density, at some point there would be what we call a ‘disruption’ – basically you totally lose the confinement, and plasma goes wherever. So in the eighties, people were trying to come up with some kind of law that could predict the maximum density of hydrogen that you can put inside a tokamak.”

답은 1988년에 핵융합 과학자 Martin Greenwald가 연료 밀도를 작은 토카막 반경(도넛 내부 원의 반경)과 토카막 내부의 플라즈마에 흐르는 전류와 관련된 유명한 법칙을 발표했을 때 나왔습니다. 그 이후로 “그린발트 한계”는 융합 연구의 기본 원칙이 되었습니다. 사실 ITER의 토카막 구축 전략은 이를 기반으로 한다.

Ritchie는 다음과 같이 설명합니다. “Greenwald는 이 법칙을 경험적으로 도출했으며 이는 검증된 이론이나 우리가 ‘첫 번째 원칙’이라고 부르는 것이 아니라 전적으로 경험적 데이터에서 나온 것입니다.” 그러나 그 한계는 연구에서 잘 작동했습니다. 그리고 어떤 경우에는 DEMO(ITER의 후속 제품)와 같이 이 방정식은 연료의 밀도를 특정 수준 이상으로 높일 수 없다고 나와 있기 때문에 작동에 큰 제한이 있습니다.”

스위스 플라즈마 센터는 토카막 팀과 협력하여 첨단 기술을 사용하여 토카막에 주입되는 연료의 양을 정확하게 제어할 수 있는 실험을 설계했습니다. 대규모 시험은 세계 최대 토카막인 영국의 JET(Joint European Tokamak)와 독일의 ASDEX 업그레이드(Max Planck Institute), EPFL의 TCV 토카막에서 진행되었습니다. 이 주요 실험 노력은 유럽에서 핵융합 연구를 조정하는 유럽 조직인 EUROfusion Consortium에 의해 가능했으며 현재 EPFL은 독일의 Max Planck Institute for Plasma Physics를 통해 참여하고 있습니다.

동시에 Ricci 그룹의 박사 과정 학생인 Maurizio Giacomene은 연료 밀도를 토카막 부피와 연관시킬 수 있는 기본 원리 법칙을 도출하기 위해 토카막 밀도를 제한하는 물리적 과정을 분석하기 시작했습니다. 그 중 일부는 컴퓨터 모델을 사용하여 플라즈마의 고급 시뮬레이션을 사용하는 것과 관련이 있습니다.

Ritchie는 “시뮬레이션은 CSCS, 스위스 국립 슈퍼컴퓨팅 센터 및 EUROfusion에 의해 구현된 것과 같은 세계에서 가장 큰 컴퓨터 중 일부를 활용합니다.”라고 말합니다. “그리고 시뮬레이션을 통해 우리가 발견한 것은 플라즈마에 더 많은 연료를 추가함에 따라 플라즈마가 더 난기류가 되기 때문에 플라즈마의 일부가 토카막의 바깥쪽 차가운 층인 경계에서 핵심으로 이동한다는 것입니다. 그런 다음, 전기 구리선은 가열하면 저항이 커지고 플라즈마는 냉각되면 저항이 커지므로 같은 온도에서 연료를 더 많이 넣으면 일부가 냉각되고 전류가 흐르기 더 어려워집니다. 난기류를 일으킬 수 있는 플라즈마.”

이것은 시뮬레이션하기 위한 도전이었습니다. “유체의 난류는 실제로 고전 물리학에서 가장 중요한 미해결 문제입니다.”라고 Ritchie는 말합니다. “하지만 플라즈마의 난류는 전자기장도 있기 때문에 더 복잡합니다.”

결국, Ritchie와 그의 동료들은 코드를 해독하고 실험과 잘 일치하는 tokamak의 최대 연료 한계에 대한 새로운 방정식을 도출하기 위해 “종이에 펜”을 넣을 수 있었습니다. 잡지에 게재됨 물리적 검토 편지 2022년 5월 6일에 그린왈드 국경에 가까워지면서 정의를 내리지만 중요한 방식으로 현대화합니다.

새로운 방정식은 Greenwald 한계가 ITER에서 연료 측면에서 약 2배 증가할 수 있다고 가정합니다. 이것은 ITER와 같은 토카막이 난기류에 대한 걱정 없이 플라즈마를 생성하는 데 실제로 두 배의 연료를 사용할 수 있음을 의미합니다. “이것은 토카막에서 달성할 수 있는 강도가 그것을 실행하는 데 필요한 힘과 함께 증가한다는 것을 보여주기 때문에 중요합니다.”라고 Ritchie는 말합니다. “실제로 DEMO는 현재의 토카막 및 ITER보다 훨씬 더 높은 출력에서 작동할 것입니다. 즉, 그린왈드의 법칙과 달리 출력을 줄이지 않고도 연료 밀도를 더 추가할 수 있다는 것을 의미합니다. 그리고 이것은 매우 좋은 소식입니다.”

참조: “난류 가장자리 전송 및 ITER에 대한 반영에 기반한 첫 번째 원칙 tokamak 밀도 제한 측정기” 작성자: M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, ASDEX 업그레이드 팀, JET 주주 및 TCV 팀 , 2022년 5월 6일, 물리적 검토 편지.
DOI: 10.1103/ PhysRevLett.128.185003

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