새로운 핵융합 시스템의 가스 주입 설정은 공공-민간 연구에 의해 안내됩니다

핵융합 시스템 내부의 플라스마가 제대로 작동하지 않기 시작하면, 장치가 손상되는 것을 막기 위해 빠르게 냉각해야 합니다. Commonwealth Fusion Systems의 연구원들은 가장 좋은 방법은 대량의 가스 주입이라고 생각합니다.

본질적으로, SPARC라고 알려진 핵융합 시스템 내부에 적절한 시기에 빠르게 냉각 가스를 분사하는 것입니다. 하지만 태양보다 더 뜨거운 플라스마를 빠르게 길들이려면 얼마나 많은 가스 밸브가 필요할까요? 연구팀은 완벽한 균형을 맞춰야 합니다. 밸브가 너무 적으면 SPARC의 일부 부품이 과열될 수 있습니다. 너무 많으면 용기 내부의 귀중한 공간이 낭비될 것입니다.

이 질문에 답하기 위해 연구자들은 미국 에너지부(DOE)의 프린스턴 플라스마 물리학 연구소(PPPL)의 과학자들이 개발하고 유지 관리하는 M3D-C1이라는 컴퓨터 코드를 사용했습니다.

이 코드는 다양한 밸브 구성을 모델링하는 데 사용되었으며, 결과에 따르면 융합 용기 주위에 6개의 가스 밸브를 배치하면(상단에 3개, 하단에 3개) 최적의 보호가 가능하다는 것이 밝혀졌습니다.

PPPL, 매사추세츠 공과대학(MIT), General Atomics, Commonwealth Fusion Systems의 팀이 수행한 이 연구는 Nuclear Fusion 에 게재된 논문에 실렸습니다 . 이 프로젝트는 국가 연구소, 대학, 민간 핵융합 기업 간의 협업을 가속화하도록 설계된 이니셔티브인 Innovation Network for Fusion Energy(INFUSE) 프로그램에서 부분적으로 자금을 지원했습니다. 연구팀은 혼란 완화 전략을 발전시킴으로써 핵융합 전력을 현실에 한 걸음 더 가까이 다가가도록 돕고 있습니다.

"이 연구는 또한 M3D-C1이 이전 시뮬레이션보다 좁고 더 현실적인 가스 제트를 사용하여 대량의 가스 주입을 통해 빠른 정지를 모델링할 수 있음을 보여줍니다."라고 PPPL의 직원 연구 과학자이자 연구의 주 저자인 안드레아스 클라이너가 말했습니다. 그는 "저희 연구는 또한 SPARC의 설계에 직접적인 영향을 미쳤습니다."라고 말하며, SPARC의 설계 계획에는 이 연구에 크게 기반한 6개의 가스 밸브가 통합되어 있다고 언급했습니다.

완성되면 SPARC는 강력한 자기장을 사용하여 도넛처럼 생긴 모양으로 플라스마를 유지합니다. SPARC는 실험적 핵융합 시스템이겠지만 언젠가는 유사한 장치가 전기 그리드에 전력을 공급할 만큼 충분히 개량되기를 바랍니다.

이 개량의 핵심 부분은 초고온 입자 제트가 핵융합 용기의 내벽을 손상시키지 않도록 하는 시스템을 만드는 것입니다. 이 문제는 특히 강한 자기장을 사용하여 플라스마를 유지하는 SPARC와 같은 핵융합 시스템에서 증폭됩니다.

"SPARC가 중단된 후 신속히 재시작할 수 있도록 하려면 대규모 가스 주입 완화가 필요합니다." 이 논문의 공동 저자이자 Commonwealth Fusion Systems의 중단 과학자인 Ryan Sweeney의 말입니다.

핵융합선의 장기 수명을 보장하려면 불안정성도 관리해야 합니다.

"현재 우리는 그러한 사건 동안 퇴적될 수 있는 면적당 전력을 견딜 수 있는 재료가 없습니다."라고 클라이너는 말했습니다. 그래서 플라즈마를 빠르게 냉각하기 위한 거대한 가스 주입 시스템에 대한 세부 사항을 올바르게 하는 것이 중요합니다. "이러한 사건을 관리하지 않으면 첫 번째 벽을 향해 방출되는 열이 벽을 녹일 수 있습니다."

지금까지 가장 포괄적인 파괴 시뮬레이션

시뮬레이션은 융합 용기 주위에 균등하게 간격을 둔 6개, 4개, 2개의 가스 밸브가 있는 대칭 구성을 고려했으며, 밸브의 절반은 상단에, 절반은 하단에 있습니다. 시뮬레이션은 또한 분사기 1개와 밸브 5개가 있는 비대칭 구성을 고려했습니다.

각 시뮬레이션은 팀이 매우 강력한 엑사스케일 컴퓨터를 사용했음에도 불구하고 실행하는 데 몇 주가 걸리는 매우 시간이 많이 걸립니다.

PPPL의 이론 부책임자이자 연구 공동 저자인 네이트 페라로는 "이것은 그 시점까지 수행된 가장 포괄적인 교란 시뮬레이션입니다."라고 말했습니다.

M3D-C1은 핵융합 연구의 초석이었으며, 페라로는 개발에서 중심적인 역할을 했습니다. PPPL 수석 연구 물리학자 스티븐 자딘과 함께 대학원생으로서 초기 코드를 구축한 페라로는 수년간 그 기능을 개선하는 데 시간을 보냈습니다.

그는 "주입된 가스와 플라즈마 불안정성 간의 상호 작용을 모델링하는 우리의 능력이 크게 향상되어 이 연구가 가능해졌습니다."라고 말했습니다.

구체적으로, 사용된 M3D-C1 버전은 가스 밸브와 같은 특징을 보다 사실적으로 표현합니다. 또한 비등거리 메싱이라는 시뮬레이션을 만드는 새로운 접근 방식을 제공하여 가장 중요한 부분에서 더 세밀한 해상도를 구현할 수 있습니다. M3D-C1 메시는 토카막을 슬라이스로 나눕니다. 하지만 가스 제트는 약 1cm 너비로 토카막 주변 거리가 약 10m인 것에 비해 작기 때문에 이러한 제트를 정확하게 해결하려면 균일한 간격으로 배치한 경우 수백 개의 슬라이스가 필요합니다.

하지만 비등거리 메싱을 사용하면 과학자들은 플라스마를 고르지 않게 슬라이스할 수 있습니다. SPARC 모델의 경우 과학자들이 가장 중요한 변화가 일어날 곳이라고 예상했기 때문에 가스 밸브에 더 가깝게 슬라이스를 더 많이 만들었습니다.

연구자들은 이 접근 방식이 전반적으로 보다 사실적인 시뮬레이션을 가능하게 했다고 말합니다.

클라이너는 "이전에도 이런 모델을 만들 수는 있었지만 이 정도의 정확도로는 불가능했습니다."라고 말했습니다.

이 연구는 핵융합 기술을 발전시키는 데 있어 공공-민간 파트너십의 중요성을 강조합니다. PPPL은 Commonwealth Fusion Systems, General Atomics 및 MIT와 긴밀히 협력하여 SPARC의 설계 최적화에 필요한 고충실도 시뮬레이션을 제공했습니다. 이는 차례로 버지니아주 체스터필드 카운티에 건설될 Commonwealth Fusion System의 ARC 발전소 설계에 도움이 될 것입니다.

"M3D-C1과 같은 코드를 실행하는 것은 매우 복잡합니다. 매우 틈새적인 기술입니다."라고 스위니는 말했습니다. "PPPL은 이러한 유형의 코드를 개발하고 실행할 수 있는 매우 독특한 전문성을 가지고 있으므로 랩과 상호 작용할 수 있어 환상적입니다."

페라로는 민간 파트너와 협력하는 것도 PPPL에 이롭다고 말했습니다. 새로운 기계를 다루는 것은 연구실 과학자들이 새로운 시스템에 지식을 적용하고 새로운 기술을 배울 수 있는 기회를 제공하기 때문입니다.

"이 프로젝트는 핵융합에 관해서는 공공 연구와 민간 연구가 다르다는 것을 보여주는 좋은 예입니다. 우리는 함께 일하고 있습니다. 우리 둘 다 핵융합에 도달하기 위해 해야 할 역할이 있습니다."

Kleiner, Ferraro, Sweeney와 함께 이 연구의 공동 저자로는 General Atomics의 Brendan Lyons와 Commonwealth Fusion Systems의 Matthew Reinke가 있습니다.

이 연구는 INFUSE 프로그램과 DOE의 보조금 번호 DE-AC02-09CH11466 및 DE-AC02-05CH11231에 따라 지원되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250325115122.htm