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2016년 10월 16일 일요일

가장 높은 압력을 달성한 알카터 C 모드 토카막



(The interior of the fusion experiment Alcator C-Mod at MIT recently broke the plasma pressure record for a magnetic fusion device. The interior of the donut-shaped device confines plasma hotter than the interior of the sun, using high magnetic fields. Postdoc Ted Golfinopoulos, shown here, is performing maintenance between plasma campaigns. Credit: Bob Mumgaard/Plasma Science and Fusion Center)


 MIT의 플라스마 과학 및 융합 센터 (Plasma Science and Fusion Center)의 과학자들이 지난 2016년 9월 30일 역대 최고 압력의 고온 플라스마 기록을 수립했다고 발표했습니다. 이는 알카터 C 모드 토카막 (Alcator C-Mod tokamak)을 이용한 것입니다. 


 핵융합 반응은 매우 고온의 입자와 고압의 환경에서 일어날 수 있습니다. 태양의 중심처럼 압력이 높은 장소에서는 1500만도 정도의 온도에서 수소 핵융합 반응이 일어날 수 있습니다. 하지만 실험실이나 혹은 실험용 핵융합로 내부에서 그 정도 압력을 재현하기는 불가능하므로 보통은 이보다 더 뜨거운 온도의 수소 플라스마를 이용해서 핵융합 반응을 연구합니다. 


 이런 초고온의 수소 플라스마 (핵과 전자가 고온의 상태에서 분리된 것) 를 반응 용기 안에 담기는 불가능하기 때문에 과학자들은 자기장을 만들어 여기에 고온의 플라스마를 가두는 방식을 선택합니다. MIT의 알카터 C 모드 토카막 역시 이런 장치입니다. 


 문제는 고온의 플라스마를 자기장에 장시간 가두기 어렵다는 것입니다. 사실 1억도 이상의 고온 플라스마를 만들기도 어렵습니다. 이 문제를 해결할 방법 가운데 하나는 압력을 높이는 것인데, 자기장에 플라스마를 담기도 어려운 상황에서 고압을 가한다는 것은 더 난해한 일입니다. 


 23년간의 연구 끝에 MIT의 과학자들은 플라스마의 압력을 1.77기압에서 2.05기압으로 올리는데 성공했습니다. 큰 진보가 아닌 것 같지만, 이 덕분에 3500만도의 온도에서 초당 300조개의 핵융합 반응을 유도하는데 성공했습니다. 자기장의 세기는 5.7 tesla 였고 반응이 일어나는 플라스마의 부피는 1입방미터 정도였습니다. 




(동영상) 


 현재 개발 중인 ITER의 경우 부피에서는 알카터 C 모드보다 800배나 크지만 자기장의 세기는 좀 더 낮은 편입니다. 하지만 크기 덕분에 압력은 2.6기압에 도달할 것으로 예상하고 있습니다. 다만 ITER이 완전히 작동하는 것은 2032년 정도가 될 것입니다. 


 알카터 C 모드는 크기는 작지만 강력한 자기장을 이용해서 높은 압력으로 수소 플라스마를 가둘 수 있습니다. 앞으로 목표는 8 Tesla의 자기장을 만드는 것으로 이는 지구 자기장 세기의 16만배에 달합니다. 


 핵융합은 궁극의 에너지원이라고 할 수 있지만, 이를 인간의 마음대로 제어하는 일은 극도로 어렵습니다. 앞으로 이와 같은 연구를 통해서 돌파구가 마련되기를 희망합니다. 


 참고 




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