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새로운 신기록을 수립한 스텔러레이터 벤델슈타인 7-X



 (View inside the vacuum vessel of the stellarator Wendelstein 7-X iat the Max Planck Institute for Plasma Physics in Greifswald, Germany. Credit: MPI for Plasma Physics, Jan Hosan)

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(View into the Wendelstein 7-X experimental hall at the Max Planck Institute for Plasma Physics in Greifswald, Germany. Credit: MPI for Plasma Physics, Jan Hosan)

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(In a future fusion power plant, a plasma with a high triple product (y-axis, logarithmic scale) must be maintained for long periods (x-axis). Previous fusion experiments only achieved high values for plasma durations of a very few seconds. On May 22, 2025, Wendelstein 7-X achieved the world record for plasma times of more than 30 seconds with a high fusion product. In this OP2.3 experiment campaign, further best values were achievedfor plasma durations between 30 and 40 seconds. Tokamaks remain the record holders for short plasma times.. Credit: MPI for Plasma Physics, Dinklage et al (to be published) / X. Litaudon et al 2024 Nucl. Fusion 64 015001)

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독일의 핵융합 실험로인 벤델슈타인 7-X (Wendelstein 7-X)가 완성 10년 만에 새로운 세계 신기록을 수립했습니다. 지난 5월 22일 끝난 OP 2.3 캠페인에서 독일 막스 플랑크 플라즈마 물리학 연구소(Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP))의 과학자들은 유럽과 미국의 파트너들과 함께 삼중곱 (triple product, 벡터나 스칼라 삼중곱이 아니라 핵융합 발전의 지표 중 하나) 상태를 43초간 달성했습니다. 이는 토카막 핵융합로를 포함해 역대 최대 기록입니다.

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이전 포스트: https://blog.naver.com/jjy0501/220519931767

https://blog.naver.com/jjy0501/221407749429

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스텔러레이터(stellarator)는 1951년 미국 프린스턴 대학의 라이만 스피처 (Lyman Spitzer at Princeton University)가 고안한 형태의 핵융합로로 타원 모양의 자기 코일을 서로 조금씩 회전하면서 배치해 자기장의 강약에 따라서 스스로 압축되는 플라즈마 핀치 효과를 사용한다는 특징이 있습니다.

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스텔러레이터는 토카막과 달리 플라즈마 자체에 전류를 흘려보낼 필요가 없어 이론적으로는 더 안정적으로 플라즈마를 유지할 수 있으나 매우 작은 크기로 조금씩 자기 코일을 회전하면서 배치하기가 어려워 주류 연구에서 약간 벗어나 있었습니다. 벤델슈타인 7-X는 이 문제를 극복한 차세대 대형 스텔러레이터로 출범 시점부터 주목을 받아 왔습니다.

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핵융합 삼중곱은 n∙T∙𝜏 = 3 × 1021 m-3 keV s 로 나타내는데, 핵융합 플라즈마의 밀도 (n), 온도 (T), 에너지 갇힘 (𝜏)의 곱입니다. 이 지표는 에너지를 추가 투입하지 않고 자체 핵융합 반응으로 핵융합 플라즈마가 유지되는 것으로 실제 상업 핵융합 발전을 위한 전단계라고 할 수 있습니다. 43초는 짧은 기록이지만, 앞서 1000초 이상 핵융합 플라즈마를 유지한 중국의 EAST보다 사실 앞선 기록입니다. 단순히 플라즈마를 유지하는 게 아니라 핵융합 반응으로 더 많은 에너지가 나왔기 때문입니다.

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이전 포스트: https://blog.naver.com/jjy0501/223741899247

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이번 성과는 미국 에너지부의 오크리지 국립 연구소의 도움도 있었습니다. 여기서 개발한 새로운 수소 연료 펠릿은 3.2mm 지름의 실린더 형태로 초속 300-800미터의 속도로 플라즈마로 발사되어 지름 3mm의 수소 연료를 형성합니다. 새로운 연료 펠릿의 도움으로 벤덴슈타인 7-X은 43초간 핵융합 삼중곱과 순간 최고 온도 4000만도의 기록을 달성했습니다.

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물론 이것은 상업 핵융합 발전과는 거리가 먼 성과인 게 사실입니다. 하지만 한 걸음이라도 조금 더 현실에 가까워진 것 역시 사실입니다. 이 성과가 앞으로 상업 핵융합 발전에 기여할 수 있기를 기대합니다.

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참고

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https://phys.org/news/2025-06-wendelstein-nuclear-fusion.html

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https://www.ipp.mpg.de/5532945/w7x

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