핵융합은 인류를 위한 에너지 수확 분야에서 차세대 기술로 여겨지지만, 지속적인 전력 생산을 달성할 수 있는 원자로를 만드는 것은 엄청난 기술적 골칫거리임이 입증되었습니다. 가장 큰 과제 중 하나는 입자가 충돌하고 에너지를 방출하는 데 필요한 초고온 물질 상태인 플라즈마입니다. 이 플라즈마를 가두어 극한의 온도를 유지하는 것은 중요한 단계이자 수년 동안 연구자들을 당황하게 했던 단계이기도 합니다. 이제 일본 국립 핵융합 과학 연구소(NIFS)는 핵융합 반응에서 플라즈마 움직임의 거동을 이해할 수 있는 획기적인 발전을 이루었다고 주장합니다.
비행기의 기류 난류와 마찬가지로 핵융합로의 플라즈마도 난류를 나타냅니다. 이상적으로는 플라즈마의 열이 격리실 중앙에서 주변 영역으로 고르게 퍼져나가야 합니다. 그러나 난류로 인해 열이 다소 우연한 방식으로 다른 지역으로 이동할 수도 있습니다. NIFS 팀은 처음으로 플라즈마 난류의 전달체 및 연결체 역할을 자세히 설명했습니다. 가스가 가열되어 플라즈마로 변할 때, 운반 난류는 중심에서 경계까지 열을 점차적으로 전달합니다. 그러나 커넥터 플라즈마 난류는 대략 1/10,000초 안에 챔버의 전체 플라즈마를 연결할 수 있습니다.
연구원들은 또한 적용된 열과 이 커넥터 플라즈마 거동의 효과 사이에 역의 관계가 있음을 발견했습니다. 간단히 말해서 가열 시간이 짧을수록 커넥터 플라즈마 난류가 강해지고 결과적으로 열이 더 빨리 퍼집니다. 이번 관찰은 대형 나선형 장치(LHD) 내에서 이루어졌으며, 이는 과학자들이 핵융합로에서 플라즈마의 “열 운반체” 및 “열 커넥터” 역할을 실험적으로 증명할 수 있었던 최초의 사례입니다.
이것이 왜 중요합니까?
열, 즉 고온은 핵융합 반응의 비밀 소스입니다. 1억도에 달하는 온도로 가열된 플라즈마는 초전도 자석을 이용해 그 상태를 유지해야 한다. 원자로 벽에 닿으면 즉시 냉각됩니다. 간단히 말해서, 가두어 온도를 유지하는 것이 매우 중요합니다. 플라즈마 난류가 파티를 망칠 수 있는 곳이 바로 여기입니다. NISF의 전문가에 따르면 난기류는 “열을 외부로 전달하여 구속을 약화”할 수 있습니다. 불과 1년 전, 미국 에너지부 역시 플라즈마의 불규칙한 온도의 중요성을 강조했습니다. 이 기관은 어떻게 온도 구배가 자기장을 “파괴”할 수 있는 플라즈마 섬의 생성으로 이어지는지 설명했습니다. 메시지는 분명합니다. 플라즈마의 열 거동을 올바르게 이해해야 합니다. 그리고 이것이 NISF의 최신 혁신이 등장하는 곳입니다.
이제 팀은 플라즈마에서 열이 어떻게 확산되는지 더 깊이 이해했으므로 커넥터와 캐리어 난류로 인해 발생하는 변화를 설명할 수 있습니다. 그리고 더 중요한 것은 이제 가열 시간이 이러한 행동에 어떤 영향을 미치는지 이해한다는 것입니다. 이는 과학자들에게 플라즈마의 온도 변화를 보다 정확하게 예측하고 이에 따라 열 제어 방법을 개발하는 데 도움이 되는 중요한 통찰력을 제공합니다. 플라즈마 온도 및 가열에 대한 향상된 제어는 제어되고 안정적인 핵융합을 달성하는 기본 측면입니다.
연구팀은 Communications Physics 저널에 게재된 연구 논문에서 “이 연구는 오랫동안 가정된 매개체 경로에 대한 최초의 명확한 실험적 증거를 제공하고 플라즈마 물리학의 주요 이론적 예측을 검증합니다”라고 썼습니다. 연구팀은 이번 발견이 핵융합로의 열 전파를 보다 효과적으로 예측하고 제어하는 데 도움이 될 것이며, 현재 플라즈마 난류를 보다 효과적으로 제어할 수 있는 방법을 개발 중이라고 밝혔습니다.
