토카막의 원리 및 구조

지난번 게시글에 이어서 토카막의 원리 및 구조에 대해서 조사하여 정리해 보았다.

 

자기력 선이 있으면 플라스마 입자가 자기력 선을 따라 나선을 그리듯 뱅뱅 돌면서 붙잡혀 있게 된다. 하지만 뱅뱅 돌며 움직이다 보면 언젠가는 자기장의 영향권을 벗어난다는 문제점이 발생한다. 그래서 자기장 영역의 시작과 끝을 밀봉할 수 있는 방법을 연구하기 시작하였다. 일자로 펴져있던 자기장의 끝을 서로 붙여서 도넛 형태를 만들면 자기장을 따라 움직이는 플라스마는 출구 없이 트랙을 끝없이 돌게 된다. 이것을 토로이달 장치라고 부르며 여기에 플로이달 자석 등을 추가로 넣어 이것의 성능을 향상시켜 나온 것이 토카막이다. 

토카막의 구성요소는 크게 TF coil, PF coil, CS coil 등의 3가지 초전도 전자석과 고주파를 발생시키는 IVC 파워, 전자 공명장치인 ECH, 이온 공명장치인 ICRF, 냉각수 가열 및 삼중수소를 만드는 블랑켓 등이 있다.

 

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TF coil, PF coil, CS coil

초전도 전자석인 TF 코일은 토카막의 종단면에 설치되는 D자형 코일이며 ITER 토카막 기준 18개의 TF 코일이 들어간다 이 18개의 TF 코일은 진공 용기를 둘러싸고 강력한 자기장을 생성하여 용기 내의 고온, 고밀도 플라스마를 가두는 역할을 한다. PF 코일은 토카막의 횡단면에 설치되는 O자형 코일이며. ITER 토카막 기준 6개의 PF 코일이 들어간다. 이 코일은 플라스마를 벽에서 떨어뜨려 부양된 상태로 만든다. 또한 CS 코일은 토카막의 중심부에 설치되는 I자형 코일이며 펄스를 이용해 플라스마를 가두며 조정하는 백본 코일의 역할을 한다.

 

 

IVC 파워, ECH, ICRF

IVC 파워는 고속 스위칭으로 고주파를 발생시켜 플라스마를 가열하는데 기여한다. 또한 ECH 및 ICRF는 공명을 이용한 가열 장치이다. ECH는 플라스마 안의 전자를 공명시켜 가열시키고, ICRF는 이온의 공명을 이용하여 플라스마의 이온을 가열한다.

 

 

블랑켓

수소 핵융합이 이루어지면 헬륨과 중성자가 나오는데 중성자는 전기적으로 중성이어서 자기장의 영향을 받지 않아 용기 내부 벽인 블랑켓에 부딪히게 된다. 이때 중성자가 충돌하며 블랑켓이 가열되며 냉각수를 데워 터빈을 돌리게 한다. 또한 중성자는 블랑켓의 리튬 동위 원소층에 흡수되어서 다시 삼중수소가 만들어진다. 블랑켓에서 토카막의 열을 받아 발전이 되는 것이다.

 

 

앞으로의 목표 및 분석

핵 융합로인 토카막은 전자석으로 내부를 가열하며 플라스마를 유지시키기 떄문에 토카막의 효율적인 운영을 위해서는 전자석에 들어가는 전력량을 최대한 낮춰야 할 것이고 이는 초전체 전자석을 필요로 하기 때문에 무엇보다도 토카막의 핵심기술은 초전도체 분야에서 많은 연구와 투자가 필요할 것으로 보인다.