스텔라레이터

스텔라레이터는 플라즈마를 가두기 위해 주로 외부 자석에 의존하는 플라즈마 장치이다.자기 구속 융합을 연구하는 과학자들은 핵융합 반응을 위한 용기로서 스타레이터 장치를 사용하는 것을 목표로 하고 있다.그 이름은 ^[1]태양과 같은 별들의 동력원을 이용할 수 있는 가능성을 의미한다.Z 핀치 및 자기 미러와 함께 최초의 핵융합 동력 장치 중 하나입니다.

이 스텔라레이터는 1951년 프린스턴 대학의 미국인 과학자 라이먼 스피처(Lyman Spitzer)에 의해 발명되었고, 초기 개발의 대부분은 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소가 된 그의 팀에 의해 수행되었다.Lyman's Model A는 1953년에 작동을 시작했고 플라즈마 가두는 것을 시연했다.더 큰 모델이 뒤따랐지만, 이는 이론적인 예측보다 훨씬 더 나쁜 속도로 플라즈마를 잃는 저성능을 보여주었다.1960년대 초, 상업용 기계를 빨리 생산할 수 있다는 어떤 희망도 사라졌고, 관심은 고에너지 플라스마의 기본 이론을 연구하는 데로 돌아갔습니다.1960년대 중반까지 스피처는 이 항성계가 Bohm 확산률과 일치한다고 확신했는데, 이는 이것이 결코 실용적인 핵융합 장치가 될 수 없다는 것을 암시했다.

1968년 소련의 토카막 설계에 대한 정보가 공개되면서 성능이 비약적으로 향상되었다.미국 업계에서의 큰 논쟁 끝에 PPPL은 이러한 결과를 확인 또는 부정하기 위한 방법으로 모델 C의 스텔라레이터를 Symmetrical Tokamak(ST)로 변경했다.ST는 이를 확인했고, 이후 20년 동안 토카막이 가장 주목받으면서 미국에서 스타레이터 컨셉에 대한 대규모 작업이 종료되었다.독일과 일본에서는 디자인에 대한 연구가 계속되어 여러 개의 새로운 디자인이 만들어졌다.

토카막은 궁극적으로 항성들과 비슷한 문제를 가지고 있는 것으로 밝혀졌지만, 다른 이유들이 있었다.1990년대 이후, 스텔라레이터 디자인은 새로운 관심을 ^[2]받고 있다.새로운 공법으로 자기장의 품질과 파워가 향상되어 ^[3]성능이 향상되었습니다.이러한 개념을 테스트하기 위해 많은 새로운 장치가 개발되었습니다.주요 예로는 독일의 웬델슈타인 7-X, 미국의 헬리컬 대칭 실험(HSX), 일본의 대형 헬리컬 장치가 있다.

역사

전작

1934년, 마크 올리판트, 폴 하텍, 어니스트 러더포드는 중수소 원자핵을 중수소, 리튬 또는 다른 ^[4]원소를 포함한 금속박에 쏘기 위해 입자 가속기를 사용하여 지구상에서 핵융합을 이룬 최초의 인물이었다.이러한 실험을 통해 핵 간 융합의 다양한 반응의 핵 단면을 측정할 수 있었고, 삼중수소-중수소 반응이 약 100,000 전자볼트(100 keV)^[5][a]에서 정점을 이루며 다른 연료보다 낮은 에너지에서 발생했다고 결정했다.

100 keV는 약 10억 켈빈의 온도에 해당합니다.Maxwell-Boltzmann 통계로 인해, 온도가 훨씬 낮은 벌크 기체는 훨씬 높은 에너지에서도 여전히 입자를 포함할 것입니다.핵융합 반응이 너무 많은 에너지를 방출하기 때문에, 이러한 반응의 적은 수라도 가스를 필요한 온도로 유지하기에 충분한 에너지를 방출할 수 있습니다.1944년, 엔리코 페르미는 이것이 섭씨 약 5천만도의 부피 온도에서 일어날 것이라는 것을 증명했는데, 이는 여전히 매우 뜨겁지만 현존하는 실험 시스템의 범위 내에 있다.중요한 문제는 그러한 플라즈마를 가두는 것이었습니다. 어떠한 재료 용기도 이러한 온도를 견딜 수 없었습니다.하지만 플라즈마는 전기 전도성이기 때문에 많은 ^[6]해결책을 제공하는 전기장과 자기장의 영향을 받습니다.

자기장에서는 플라즈마의 전자와 핵이 힘의 자기선 주위를 돈다.연료 튜브를 솔레노이드의 열린 코어 내부에 배치하는 것이 어느 정도 제한되는 한 가지 방법입니다.솔레노이드는 중심을 따라 흐르는 자성선을 만들고, 연료는 이러한 힘의 선 주위를 돌면서 벽으로부터 멀리 떨어지게 됩니다.그러나 이러한 배열은 혈장을 튜브의 길이에 따라 제한하지 않습니다.분명한 해결책은 튜브를 토러스(도넛) 모양으로 구부려 하나의 선이 원을 이루고 입자가 영원히 원을 ^[7]이룰 수 있도록 하는 것입니다.

그러나 이 솔루션은 실제로 작동하지 않습니다.순전히 기하학적인 이유로, 토러스를 울리는 자석은 내부 곡선의 "도넛 홀" 안쪽에 더 가까이 있습니다.페르미는 이로 인해 전자가 핵에서 멀어져 결국 전자가 분리되고 큰 전압이 발생하게 될 것이라고 언급했다.결과적으로 발생하는 전기장은 원자로 ^[7]벽에 부딪힐 때까지 토러스 내부의 플라즈마 고리가 팽창하는 원인이 될 것이다.

스텔라레이터

제2차 세계대전 이후, 많은 연구자들이 혈장을 가두는 다른 방법들을 고려하기 시작했다.임페리얼 칼리지 런던의 조지 패짓 톰슨은 플라즈마에 전류를 ^[8]흐르게 하는 z-pinch로 알려진 시스템을 제안했습니다.로렌츠 힘 때문에, 이 전류는 플라즈마를 스스로 끌어당기는 자기장을 만들어, 플라즈마를 원자로 벽으로부터 멀리 떨어뜨립니다.이것은 페르미가 지적한 문제를 피하기 위해 외부에 자석이 필요하지 않습니다.영국의 여러 ^[8]팀은 1940년대 후반까지 이 기술을 사용하여 많은 작은 실험 장치를 만들었습니다.

통제된 핵융합로를 연구하던 또 다른 사람은 전쟁 후 아르헨티나로 이주한 독일 과학자 로널드 리히터였다.그의 열전자는 가열과 가둬두기 위해 전기 아크와 기계적 압축(음파) 시스템을 사용했다.그는 후안 페론을 설득하여 칠레 국경 근처의 고립된 섬에 실험용 원자로를 개발하도록 했다.희물프로젝트로 알려진 이것은 1951년에 완성되었다.Richter는 이 프로젝트에서 일하는 다른 사람들의 ^[9]반대에도 불구하고 핵융합이 이루어졌다고 곧 확신했다."성공"은 1951년 3월 24일 페론에 의해 발표되어 전 ^[10]세계 신문 기사의 화제가 되었다.

아스펜으로 스키 여행을 준비하던 중, 라이만 스피처는 그의 아버지로부터 전화를 받았는데, 그는 뉴욕 ^[11]타임즈에 희물에 대한 기사를 언급했다.기사의 설명을 살펴본 스피처는 이 시스템이 핵융합 온도로 연료를 가열하기에 충분한 에너지를 공급할 수 없다고 결론지었다.하지만 그는 그 생각이 마음에 남았고, 그는 작동할 수 있는 시스템을 고려하기 시작했다.그는 스키 리프트를 타면서 스텔라레이터 ^[12][b]컨셉을 떠올렸다.

기본 개념은 토러스 레이아웃을 수정하여 장치의 기하학적 구조를 통해 페르미의 우려를 해결하는 것이었습니다.토러스의 한쪽 끝을 다른 쪽과 비교하여 비틀어 원 대신 그림 8의 레이아웃을 형성함으로써 자성선은 더 이상 일정한 반지름으로 튜브 주위를 이동하지 않고 토러스 중심에서 점점 더 가까워졌다.이 선들 주위를 도는 입자는 토러스 소축을 가로질러 끊임없이 왔다갔다 하는 것을 발견할 것이다.그것이 원자로의 한 부분을 통과하는 동안 위로 떠내려가는 것은 반바퀴의 궤도 후에 역전되어 다시 아래로 떠내려갈 것이다.취소는 완벽하지는 않았지만, 이는 순 드리프트 속도를 크게 감소시켜 연료가 필요한 ^[13]온도로 가열될 수 있을 만큼 오랫동안 갇힌 상태로 유지될 것으로 보였다.

1958년 그의 묘사는 단순하고 직설적이었다.

스텔라레이터의 자기 구속은 트로이덜 튜브를 둘러싼 솔레노이드 코일에 의해 생성되는 강한 자기장에 기초합니다.이 구성은 '회전 변환'으로 특징지어집니다. 즉, 시스템 주위로 이어지는 단일 자력 라인이 연속적으로 자기 축을 중심으로 회전하는 지점에서 단면과 교차합니다. ...회전변환은 비틀린 튜브 또는 8자형 튜브의 솔레노이드 필드 또는 헬리컬 ^[14]대칭을 가진 추가적인 횡방향 다극 헬리컬 필드를 사용하여 생성될 수 있다.

마터호른

1950년 로스앨러모스에서 일하던 중 존 휠러는 1951년 귀국한 뒤 프린스턴대에 수소폭탄에 대한 이론적 연구를 수행할 비밀 연구소를 설립할 것을 제안했다.스피처는 성간 플라스마에 ^[15]대한 그의 이전 연구를 고려할 때 이 프로그램에 참여하도록 초대받았다.

그러나 아스펜으로 여행을 떠날 무렵 스피처는 폭탄 디자인에 흥미를 잃고 돌아와서는 전력원으로서 ^[16]핵융합에 전념했다.이후 몇 달 동안 스피처는 잠재적인 문제뿐만 아니라 스타레이터의 개념적 근거를 설명하는 일련의 보고서를 작성했다.이 시리즈는 깊이 있는 것으로 잘 알려져 있는데, 플라즈마의 수학과 안정성뿐만 아니라 플라즈마를 가열하고 ^[17]불순물을 다루는 것과 같은 많은 추가적인 문제들을 개괄적으로 다루고 있다.

이 작업을 진행하면서 스피처는 미국 원자력 위원회(AEC)에 시스템 ^[17]개발을 위한 자금 지원을 위한 로비를 시작했다.그는 세 단계를 포함하는 계획의 개요를 설명했다.첫 번째는 플라즈마가 생성될 수 있고 토러스보다 감금 시간이 더 좋다는 것을 증명하는 것이 목적이었던 모델 A의 건설을 볼 수 있을 것이다.A 모델이 성공하면 B 모델은 플라즈마를 핵융합 온도로 가열하려고 합니다.그런 다음 실제로 대규모로 ^[18]핵융합 반응을 일으키려고 시도하는 C 모델이 뒤따를 것입니다.이 전체 시리즈는 약 ^[19]10년이 걸릴 것으로 예상되었다.

비슷한 시기에 짐 턱은 옥스포드 대학의 클라렌던 연구소에서 일하는 동안 핀치 개념을 알게 되었다.그는 미국에서 일자리를 제안받았고 결국 로스앨러모스에서 다른 연구원들과 그 개념을 알게 되었다.스피처가 스타레이터를 홍보한다는 소식을 들었을 때, 그는 또한 핀치 장치를 만들자고 제안하기 위해 워싱턴으로 여행했다.그는 스피처의 계획을 "믿을 수 없을 만큼 야심적"이라고 여겼다.그럼에도 불구하고 스피처는 AEC로부터 5만달러의 자금을 받는 데 성공했고 Tuck은 아무것도 ^[18]받지 못했다.

프린스턴 프로그램은 1951년 7월 1일 공식적으로 만들어졌다.열렬한 ^[c]등산가인 스피처는 "산 등반처럼 ^[20]눈앞의 작업이 어려워 보였다"고 느꼈기 때문에 "Project Matterhorn"이라는 이름을 제안했다.스피처 밑에서 스텔라레이터 작업을 하는 S팀과 휠러 밑에서 폭탄 설계를 하는 B팀 등 두 개의 섹션이 처음 설치되었다.마터호른은 록펠러가 ^[d]맨해튼으로 이사했을 때 이 대학이 록펠러 의학 연구소에서 매입한 825에이커(334ha) 부지의 새로운 포레스타 캠퍼스에 세워졌다.이 땅은 프린스턴 캠퍼스에서 약 3마일(4.8km) 떨어진 곳에 위치해 있었고 이미 16개의 실험실 건물이 있었다.스피처는 예전 토끼 ^[21]오두막에 극비인 S팀을 설치했다.

얼마 지나지 않아 다른 연구실들도 자금을 마련하기 위해 운동을 시작했다.Tuck은 LANL의 재량 예산으로 Maybeatron에 대한 자금을 마련했지만 LANL, Berkeley 및 Oak Ridge(ORNL)의 다른 팀도 아이디어를 제시했습니다.AEC는 결국 이 모든 프로젝트를 위한 새로운 부서를 조직하여 "프로젝트 셔우드"^[22]가 되었습니다.

초기 장치

AEC의 자금으로 스피처는 제임스 반 앨런을 그룹에 초대하여 실험 프로그램을 설립하는 것으로 작업을 시작했다.앨런은 작은 "테이블탑" 장치부터 시작할 것을 제안했습니다.이것은 1952년에 건설을 시작한 모델 A의 설계로 이어졌다.그것은 총 길이가 약 350 cm (11.5 피트)인 5 센티미터 (2.0 인치)의 파이렉스 튜브와 약 1,000 가우스의 ^[23]자석으로 만들어졌습니다.이 기계는 1953년 초에 작동하기 시작했고 단순한 ^[24]토러스보다 향상된 구속력을 분명히 보여주었다.

이는 자석이 잘 장착되지 않고 최대 용량인 50,000 가우스로 구동될 때 움직이는 경향이 있는 B 모델의 건설로 이어졌다.두 번째 설계도 같은 이유로 실패했지만, 이 기계는 수백 킬로볼트의 X선을 통해 양호한 구속을 시사했다.이 두 가지 설계에서 얻은 교훈은 B-1로 이어졌고, B-1은 약 100,^[24]000도의 플라즈마 온도에 도달하기 위해 오믹 가열(아래 참조)을 사용했습니다.이 기계는 플라즈마 내의 불순물이 대량의 X선 방출을 일으켜 플라즈마를 빠르게 냉각시킨다는 것을 증명했습니다.1956년, B-1은 불순물을 줄이기 위해 초고진공 시스템으로 재건되었지만, 적은 양으로도 여전히 심각한 문제임을 알게 되었습니다.B-1에서 발견한 또 다른 효과는 가열 과정에서 입자가 10분의 몇 밀리초 동안만 갇혀 있는 반면 필드를 끄면 남은 입자는 10 밀리초 동안 갇혀 있는 것입니다.이는 ^[25]혈장 내 "협력 효과"에 의한 것으로 보인다.

한편, B-2로 알려진 두 번째 기계가 만들어지고 있었다.이는 B-1 기계와 유사하지만 펄스 전력을 사용하여 더 높은 자기 에너지에 도달할 수 있도록 했으며, 자기 펌핑으로 알려진 두 번째 가열 시스템을 포함했습니다.이 기계도 초고진공 시스템을 추가하도록 개조되었다.불행하게도, B-2는 자기 펌핑의 발열을 거의 보여주지 않았다. 이는 이 메커니즘에 더 긴 감금 시간이 필요했기 때문에 전혀 예상하지 못한 것은 아니었다. 그리고 이것은 달성되지 않았다.현재의 형태로는 이 시스템에서 배울 수 있는 것이 거의 없어 보였기 때문에 1958년 제네바에서 열린 '^[25]평화를 위한 원자' 전시회에 보내졌다.그러나 난방 시스템이 개조되었을 때 커플링이 급격히 증가하여 난방 섹션 내의 온도가 1,000 전자볼트(160 aJ)^[23][e]에 달했습니다.

펄스 작동을 연구하기 위해 두 대의 기계가 추가로 제작되었다.B-64는 1955년에 완성되었으며, 기본적으로는 더 큰 버전의 B-1 기계이지만 최대 15,000 가우스를 생성하는 전류 펄스에 의해 구동됩니다.이 기계에는 플라즈마에서 불순물을 제거하는 다이버터가 포함되어 있어 이전 기계에서 볼 수 있었던 X선 냉각 효과를 크게 줄였습니다.B-64는 곡선 단부에 직선 단면을 포함시켜 사각형의 외관을 구현했다.이 모양은 "그림-8, 제곱" 또는 8의 제곱 또는 64라는 이름으로 이어졌다.이것은 1956년에 튜브의 비틀림 없이 기계를 재조립하여 입자가 ^[26]회전하지 않고 이동할 수 있도록 하는 실험으로 이어졌다.

1957년에 완공된 B-65는 새로운 "레이스 트랙" 배치를 사용하여 제작되었습니다.이는 장치의 곡선 부분에 헬리컬 코일을 추가하면 순수하게 자기장을 통해 회전을 유도하는 장이 생성된다는 관찰의 결과였다.이것은 ^[26]자기장이 안정성을 향상시키는 것으로 알려진 전단(shear)을 포함한다는 추가적인 이점을 가지고 있었다.1957년 완성한 B-3는 초고진공 펄스 구속 최대 5만 가우스와 0.01초의 구속 시간을 가진 B-2 기계였다.마지막 B시리즈 머신은 1958년에 완성된 B-66으로, 기본적으로 B-65의 레이스 트랙 레이아웃과 B-3의 ^[25]더 큰 크기와 에너지를 조합한 것입니다.

불행히도, 이러한 큰 기계들은 모두 "펌프 아웃"이라고 알려진 문제를 보여 주었습니다.이 효과는 플라즈마 드리프트 속도가 고전 이론이 제시한 것보다 높을 뿐만 아니라 Bohm 속도보다 훨씬 더 높은 원인이 되었다.B-3의 드리프트 속도는 최악의 경우 Bohm 예측의 3배에 달했고, 수십 ^[26]마이크로초 이상 제한 상태를 유지하지 못했다.

모델 C

1954년 초에 B 시리즈 기계에 대한 연구가 계속됨에 따라 모델 C 장치의 설계는 더욱 명확해졌습니다.여러 개의 열원과 다이버터(기본적으로 훨씬 더 큰 B-66)를 갖춘 대형 레이스 트랙 배치 기계로 부상했습니다.1958년에 착공하여 1961년에 완공되었다.5~7.5cm(2.0~3.0인치)의 플라즈마 단축을 허용하도록 조정할 수 있으며 길이는 1,200cm(470인치)였습니다.트로이덜 필드 코일은 보통 35,000 ^[26]가우스에서 작동합니다.

모델 C가 작업을 시작할 무렵에는 이전 기계에서 수집한 정보로 인해 대규모 핵융합이 불가능하다는 것이 분명해졌습니다.자기장 선을 통과하는 이온 전달은 고전 이론보다 훨씬 더 높았다.후기 기계의 자기장이 크게 증가해도 이 문제를 해결하는데 거의 도움이 되지 않았고, 감금 시간도 개선되지 않았습니다.플라즈마에 대한 이론적 이해에 대한 관심이 훨씬 더 강조되기 시작했다.1961년 멜빈 B. Gottlieb은 Spitzer로부터 Matterhorn 프로젝트를 넘겨받아 2월 1일 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)^[21]로 이름을 변경했다.

모델 C에 대한 지속적인 수정과 실험은 모델 C의 작동을 서서히 개선시켰고, 결국 구속 시간은 Bohm 예측과 일치하도록 증가하였다.온도를 서서히 상승시키는 새로운 버전의 난방 시스템이 사용되었습니다.그 중 주목할 만한 것은 1964년에 연료 이온을 자기장을 통과할 수 있을 만큼 높은 에너지로 가속하기 위해 작은 입자 가속기를 추가해서 이미 내부에 ^[21]있는 다른 이온들과 충돌했을 때 원자로 안에 에너지를 축적한 것이다.현재 중성 빔 주입으로 알려진 이 가열 방법은 그 이후로 자기 구속 융합 기계에서 ^[27]거의 보편화되었습니다.

모델 C는 대부분의 역사를 이온 ^[21]수송 연구에 사용했다.1969년 자기 시스템의 지속적인 튜닝과 새로운 가열 방법의 추가를 통해 모델 C는 결국 400 ^[28]eV의 전자 온도에 도달했다.

기타 접근법

이 기간 동안, 새로운 잠재적 스텔라레이터 디자인이 등장했는데, 이 디자인은 자기 레이아웃을 단순화한 것이 특징이었다.모델 C는 구속 코일만 있는 원래 설계와는 다른 진화 과정이었기 때문에 별도의 구속 코일과 헬리컬 코일을 사용했습니다.다른 연구자들, 특히 독일의 연구원들은 훨씬 간단한 배열로 동일한 전체 자기장 구성을 달성할 수 있다고 언급했다.이것은 토라스트론 또는 헬리오트론의 레이아웃으로 이어졌다.

이러한 설계에서 1차장은 "고전적" 스타레이터의 나선 권선 중 하나와 유사한 단일 나선 자석에 의해 생성됩니다.이러한 시스템과는 대조적으로 하나의 자석만 있으면 되며, 이는 항성보다 훨씬 더 큽니다.그물장을 생성하기 위해 나선 자석의 바깥쪽을 폴로이드 형태로 도는 두 번째 코일 세트는 나선장과 혼합되는 두 번째 수직장을 생성합니다.그 결과, 폴로이드 자석은 일반적으로 훨씬 작고 내부까지 도달할 수 있는 공간이 충분하기 때문에 훨씬 더 간단한 레이아웃이 되었습니다. 반면 원래 레이아웃에서는 트로이덜 자석이 상대적으로 크고 그 사이에 ^[28][29]공간이 거의 없습니다.

전체 필드가 국소장처럼 생긴 일련의 독립 자석을 통해 생성될 수 있다는 인식에서 추가적인 업데이트가 나타났습니다.따라서 일련의 복잡한 자석이 원래 레이아웃의 트로이덜 코일처럼 배열됩니다.이 설계의 장점은 자석이 완전히 독립적이라는 것입니다. 자석 하나가 손상되어도 시스템의 나머지 부분에 영향을 주지 않고 개별적으로 교체할 수 있습니다.또한 요소를 교체하여 전체 필드 레이아웃을 다시 정렬할 수 있습니다.이러한 "모듈형 코일"은 현재 진행 중인 연구의 주요 부분입니다.

토카막 스탬프드

1968년, 소련의 과학자들은 그들의 토카막 기계, 특히 그들의 최신 예인 T-3의 결과를 발표했다.그 결과는 매우 놀라워서 회의론이 확산되었다.이를 해결하기 위해 소련은 영국 전문가들로 구성된 팀을 초청해 기계를 직접 테스트했다.영국의 ZETA 원자로를 위해 개발된 레이저 기반 시스템을 사용하여 만들어진 그들의 실험은 1,000 eV의 전자 온도에 대한 소련의 주장을 입증했다.뒤이어 전 세계적으로 ^[30]토카막 건설의 "진정한 쇄도"가 일어났다.

처음에 미국 연구소는 토카막을 무시했다; Spitzer 자신은 그것을 실험적인 오류라고 일축했다.그러나, 특히 영국의 보고에 의해 새로운 결과가 나왔을 때, 프린스턴은 유용한 실험 기계로서 스텔라레이터를 옹호하려고 하는 입장이었고, 미국 전역의 다른 단체들은 토카막 건설 자금을 요구했습니다.1969년 7월, Gottlieb은 마음이 바뀌어 모델 C를 토카막 레이아웃으로 바꾸겠다고 제안했습니다.12월에 문을 닫았다가 5월에 대칭 토카막(ST)으로 재개장했다.

ST는 소련 기계에서 볼 수 있는 성능과 즉시 일치하여 모델 C의 결과를 10배 이상 앞섰다.그 시점부터, PPPL은 미국에서 Tokamak 어프로치의 주요 개발자로서, 다양한 설계와 수정을 테스트하기 위한 일련의 기계를 도입했습니다.1975년 Princeton Large Torus는 상업용 기계에 필요한 몇 가지 성능 수치를 빠르게 달성했고 1980년대 초에 수익률의 임계치에 도달할 것이라고 널리 믿어졌습니다.필요한 것은 플라즈마를 핵융합 온도로 가열하기 위한 더 큰 기계와 더 강력한 시스템이었다.

토카막은 핀치 기계의 일종으로, 주로 플라즈마 내 전류량이 다른 설계와 다릅니다. 즉, 안전 계수(q)로 알려진 특정 임계값을 초과하면 플라즈마가 훨씬 안정적입니다.ZETA는 q로 움직였다.1⁄3인 반면, 토카막 실험에서는 적어도 1이 되어야 한다는 것이 입증되었습니다.이 규칙을 따르는 기계는 성능이 크게 향상되었습니다.그러나 1980년대 중반에는 핵융합으로 가는 쉬운 경로가 사라졌습니다. 새로운 기계의 전류량이 증가하기 시작하면서 플라즈마에서 새로운 불안정성이 나타났습니다.이러한 문제는 해결할 수 있지만, 초전도 자석과 거대한 감금 부피를 필요로 하는 자기장의 힘을 크게 높여야만 해결할 수 있습니다.이러한 기계의 비용은 ITER 프로젝트를 시작하기 위해 관련 당사자들이 협력할 정도로 높았습니다.

Stellarator 반품

Tokamak 접근법에 대한 문제가 커짐에 따라 Stellarator 접근법에 대한 관심이 다시 ^[2]대두되었습니다.이는 이전에는 알려져 있었지만 설계와 ^[31][32]제작이 너무 어렵다고 여겨졌던 복잡한 자석을 만들 수 있는 고급 컴퓨터 지원 계획 도구의 개발과 동시에 이루어졌습니다.

새로운 재료와 공법으로 자기장의 품질과 파워가 향상되어 성능이 향상되었습니다.이러한 개념을 테스트하기 위한 새로운 장치가 개발되었습니다.주요 예로는 독일의 웬델슈타인 7-X, 미국의 헬리컬 대칭 실험(HSX), 일본의 대형 헬리컬 장치가 있다.W7X와 LHD는 초전도 자기 코일을 사용합니다.

내부 전류가 부족하면 토카막의 불안정성이 일부 사라집니다. 즉, 스텔라레이터는 유사한 작동 조건에서 더 안정적이어야 합니다.단점으로는, 토카막에서 발견되는 전류에 의해 제공되는 제한이 없기 때문에, 스텔라레이터는 주어진 제한에 도달하기 위해 더 강력한 자석이 필요합니다.스텔라레이터는 본질적으로 안정된 상태의 기계이며, 엔지니어링 측면에서는 몇 가지 이점이 있습니다.

기본 개념

퓨전 요건

가스를 가열하는 것은 그 안에 있는 입자의 에너지를 증가시키기 때문에, 가스를 수억 도까지 가열함으로써, 그 안에 있는 입자의 대부분은 융합에 필요한 에너지에 도달합니다.맥스웰-볼츠만 분포에 따르면 입자의 일부는 훨씬 낮은 평균 온도에서 필요한 에너지에 도달합니다.핵융합 반응에 의해 방출되는 에너지는 그것을 시작하는 데 필요한 것보다 훨씬 크기 때문에, 적은 수의 반응이라도 연료가 융합될 때까지 주변 연료를 가열할 수 있습니다.1944년, 엔리코 페르미는 D-T 반응이 ^[33]섭씨 약 5천만도에서 자급자족할 것이라고 계산했다.

수만 도 이상으로 가열된 물질은 전자와 핵으로 이온화되며 플라즈마라고 알려진 가스 상태의 물질을 생성한다.이상적인 가스 법칙에 따르면, 다른 뜨거운 가스처럼 플라즈마는 내부 압력을 가지고 있기 때문에 ^[34]팽창하기를 원합니다.핵융합로에서는 플라즈마를 억제하는 것이 과제입니다.자기장에서 전자와 핵은 자기장 라인 주위를 공전하며, ^[35][36]자기장에 의해 정의된 영역에 이들을 가둔다.

자기 구속

솔레노이드의 개방 코어 내부에 튜브를 배치함으로써 간단한 감금 시스템을 만들 수 있다.튜브를 진공시킨 후 필요한 가스를 채우고 플라즈마가 될 때까지 가열할 수 있습니다.혈장은 자연스럽게 튜브의 벽까지 바깥쪽으로 팽창하고 튜브를 따라 끝까지 이동하기를 원합니다.솔레노이드는 튜브의 중심을 따라 흐르는 자기장 선을 만들고 플라즈마 입자가 이 선들의 궤도를 돌면서 측면을 향한 움직임을 막습니다.안타깝게도 이 배열은 튜브의 길이를 따라 혈장을 제한하지 않으며 혈장은 ^[37]끝부분에서 자유롭게 흐를 수 있습니다.

이 문제에 대한 분명한 해결책은 튜브를 토러스(^[37]링 또는 도넛) 모양으로 구부리는 것입니다.측면으로의 움직임은 이전과 같이 제한되고 입자는 선을 따라 자유롭게 이동하지만, 이 경우 입자는 튜브의 긴 축을 따라 순환합니다.하지만 페르미가 ^[f]지적한 것처럼 솔레노이드가 링 모양으로 구부러지면 전기 권선은 외부보다 내부에서 더 가까워질 것입니다.이로 인해 튜브 전체에 불균일한 자기장이 발생하며 연료가 천천히 중앙에서 이탈하게 됩니다.전자와 이온은 반대 방향으로 표류하기 때문에 전하 분리 및 정전기로 이어져 결국 자기력을 압도하게 됩니다.이 표류에 대항하기 위해 약간의 추가 힘이 필요합니다. 장기 ^[7][37]감금 상태를 제공합니다.

스텔라레이터 컨셉

스피처의 스타레이터 설계에서 중요한 개념은 페르미가 언급한 드리프트가 진공관의 물리적 배치를 통해 상쇄될 수 있다는 것이다.토러스에서는 자기장이 더 강한 튜브의 안쪽 가장자리에 있는 입자는 위로 떠내려가고 바깥쪽 입자는 아래로 떠내려갑니다(또는 그 반대).그러나 입자가 튜브의 내부와 외부 사이를 번갈아 이동하면 위아래로 이동하면서 상쇄됩니다.소거가 완벽하지 않아 약간의 순 드리프트를 남길 수 있지만, 기본적인 계산에 따르면 드리프트는 충분히 ^[39]열을 가할 수 있을 만큼 혈장을 오래 가둘 수 있을 정도로 낮아질 것입니다.

이것을 하기 위한 스피처의 제안은 간단했다.일반적인 토러스 대신, 이 장치는 기본적으로 두 개의 하프토리를 만들기 위해 반으로 잘립니다.그런 다음 열린 끝 사이에 두 개의 직선 섹션이 결합됩니다.열쇠는 한쪽 토리의 오른쪽 절반이 다른 한쪽 토리의 왼쪽 끝에 연결되도록 번갈아 연결하는 것이었다.위에서 보면 그림 8과 같은 디자인입니다.직선 튜브가 서로 통과할 수 없기 때문에 설계가 평평하지 않고 양 끝의 토리를 기울여야 했습니다.이는 드리프트 취소가 더욱 줄어들었다는 것을 의미하지만, 계산 결과 시스템이 작동할 ^[40]것으로 나타났습니다.

시스템이 드리프트에 대항하는 구조를 이해하려면 직선 섹션 중 하나에서 시작하는 시스템 내의 단일 입자의 경로를 검토합니다.만약 그 입자가 튜브의 중심에 완벽하게 있다면, 그것은 중앙을 따라 반토리로 이동하고, 다음 튜브의 중앙으로 빠져나갑니다.이 입자는 중심을 떠나지 않고 원자로 전체를 순환시킬 것이다.이제 첫 번째 입자와 평행하게 이동하지만 처음에는 튜브 내벽 근처에 있는 다른 입자를 생각해 보겠습니다.이 경우 반토러스 바깥쪽 가장자리에 들어가 아래로 드리프트하기 시작합니다.그것은 그 구간을 빠져나와 두 번째 직선 구간으로 들어가는데, 여전히 튜브의 바깥 가장자리에 있다.그러나 튜브가 교차되어 있기 때문에 후반부에 이르면 안쪽 가장자리로 들어갑니다.이 섹션을 통과하면서 다시 ^[41]위로 이동합니다.

이 효과는 기계 내 드리프트의 주요 원인 중 하나를 감소시킬 수 있지만 고려해야 할 다른 요인도 있습니다.플라즈마 내의 이온과 전자는 둘 다 자기선 주위를 돌지만, 그들은 반대 방향으로 매우 빠른 회전 속도로 돌 것입니다.이로 인해 원자로를 순환할 때 서로 다른 힘선 주위를 도는 입자 간의 충돌이 발생할 가능성이 있으며, 이는 순전히 기하학적 이유로 인해 연료가 천천히 바깥쪽으로 표류하게 된다.이 과정은 결국 연료를 구조물과 충돌시키거나 이온과 전자 사이에 큰 전하 분리를 일으킵니다.스피처는 플라즈마의 가장 바깥쪽 층을 떼어낸 튜브 주위에 배치된 자석인 다이버터의 개념을 도입했다.이렇게 하면 이온이 너무 멀리 떠내려가 벽에 부딪히기 전에 제거할 수 있습니다.또한 ^[42]플라즈마 내의 무거운 원소도 제거할 수 있습니다.

고전적인 계산을 사용하면 충돌을 통한 확산 속도가 충분히 낮아서 일반적인 트로이드의 불균일한 장 때문에 드리프트보다 훨씬 낮습니다.그러나 1949년 자기 구속 플라스마에 대한 초기 연구는 훨씬 더 높은 손실을 보여주었고 Bohm 확산으로 알려지게 되었다.스피처는 이 문제를 고려하면서 상당한 노력을 기울였고, Bohm에 의해 나타나는 비정상적인 속도는 혈장의 불안정성 때문이라고 결론 내렸고,^[43] 그는 이 문제를 해결할 수 있다고 믿었다.

대체 설계

원래 스텔라레이터 개념의 주요 관심사 중 하나는 시스템의 자기장이 주어진 속도로 이동하는 특정 질량의 입자를 적절히 제한한다는 것입니다.더 빠르거나 더 느리게 이동하는 입자는 원하는 방식으로 순환하지 않습니다.매우 느린 속도(저온에 해당)의 입자는 제한되지 않고 튜브 벽으로 표류할 수 있습니다.에너지가 너무 많은 사람은 곡선 부분의 외벽에 부딪힐 수 있습니다.이러한 우려를 해소하기 위해 스피처는 직선 구간 중 하나에 연결되는 다이버터 개념을 도입했습니다.이것은 기본적으로 너무 빨리 움직이거나 ^[42]너무 느리게 움직이는 입자를 제거하는 질량 분석계였습니다.

두 직선 단면이 교차할 수 없는 물리적 제한은 루프 내의 회전 변환이 완벽한 180도가 아니라 일반적으로 135도에 가깝다는 것을 의미합니다.이 때문에 180에 가까운 각도를 얻기 위해 다른 디자인을 하게 되었습니다.초기에 스텔라레이터 B-2에 두 개의 곡면을 지면에 대해 평평하게 배치했지만 높이는 달랐다.이전에 직선이었던 부분에는 약 45도의 두 부분인 추가 곡선이 삽입되어 확장 S자 모양을 형성하게 되었습니다.이것은 각도에 있어서 완벽한 대칭을 이루면서 서로 주위를 도는 것을 가능하게 했다.

입자를 회전시킬 필요성에 대한 더 나은 해결책은 스텔라레이터 B-64와 B-65에 도입되었다.이를 통해 크로스오버를 없애고 장치를 타원형 또는 경주 트랙으로 평평하게 만들었습니다.입자의 회전은 코르크나사 권선이라는 반토러스 양 끝에 새로운 자기 코일 세트를 배치함으로써 도입되었습니다.이러한 코일의 필드는 원래 구속 영역과 혼합되어 힘의 선을 180도 회전시키는 혼합 필드를 생성합니다.이는 원자로의 기계적 설계를 훨씬 단순하게 만들었지만, 실제로는 혼합장을 완벽하게 대칭적으로 만드는 것이 매우 어렵다는 것을 알게 되었다.

현대의 스텔라레이터 디자인은 일반적으로 단일 형태의 필드를 생성하기 위해 더 복잡한 일련의 자석을 사용합니다.이것은 일반적으로 꼬인 리본처럼 보입니다.설계 간의 차이는 일반적으로 필드를 생성하기 위해 자석이 배열되는 방법과 결과 필드의 정확한 배열로 귀결됩니다.다양한 레이아웃이 설계되어 있으며, 그 중 일부는 테스트되고 있습니다.

난방

z핀치 또는 토카막과 달리, 스텔라레이터는 플라즈마 내에 유도 전류가 없습니다. 즉, 거시적인 수준에서, 플라즈마는 중성이며 빠르게 순환하는 입자에도 불구하고 움직이지 않습니다.핀치 기계에서는 전류 자체가 플라즈마를 가열하는 주요 방법 중 하나입니다.스텔라레이터에는 이러한 자연 발열원이 존재하지 않습니다.

초기 스텔라레이터 설계에서는 기체를 플라즈마 온도로 만들기 위해 초기 가열 장치를 사용하는 것과 유사한 시스템을 사용했습니다.이것은 변압기의 단일 권선 세트로 구성되었고 플라즈마 자체가 2차 세트를 형성했습니다.전류 펄스로 통전되면 해당 영역의 입자가 빠르게 통전되어 움직이기 시작합니다.이것은 이 지역에 추가적인 가스를 가져와 가스 덩어리 전체를 빠르게 이온화시킵니다.이 개념은 기존의 저항 히터와 달리 가스의 저항에 의존하여 열을 생성했기 때문에 옴 가열이라고 불립니다.가스의 온도가 상승함에 따라 플라즈마의 전도율이 향상된다.이로 인해 옴 가열 프로세스의 효율이 점점 떨어지며, 이 시스템은 약 100만 켈빈의 ^[44]온도로 제한됩니다.

플라즈마를 더 높은 온도로 가열하기 위해 스피처는 두 번째 열원인 자기 펌핑 시스템을 제안했다.이것은 진공 챔버를 따라 퍼진 코일을 통해 공급되는 무선 주파수 소스로 구성되었습니다.주파수는 자기력선 주변 입자의 고유 주파수인 사이클로트론 주파수와 비슷하도록 선택됩니다.이것은 그 지역의 입자들이 에너지를 얻도록 하고, 이것은 입자들이 더 넓은 반경으로 궤도를 돌게 만든다.다른 입자들이 거시적인 수준에서 그들 자신의 선 주위를 돌고 있기 때문에, 이 에너지의 변화는 ^[42]압력의 증가로 나타납니다.이상 기체 법칙에 따르면, 이것은 온도 상승을 초래한다.옴 가열과 마찬가지로 이 공정도 온도가 상승함에 따라 효율성이 떨어지지만 매우 높은 온도를 생성할 수 있습니다.주파수를 의도적으로 이온 순환 주파수에 가깝게 설정하면, 이 용어는 당시에는 널리 사용되지 않았지만 이온 사이클로트론 공명 ^[45]가열로 알려져 있습니다.

본질적인 문제

제너럴 아토믹스의 오카와 티히로(大川 oh弘)는 1970년대 초 당시 새로운 토카막 개념을 연구한 결과 석면비가 작고 원형 플라즈마가 없는 토로이드는 성능이 ^[46]크게 향상될 것이라고 예측했다.석면비는 장치 전체의 반지름과 진공관 단면의 반지름을 비교한 것입니다.이상적인 원자로는 중앙에 구멍이 없기 때문에 석면비가 최소화됩니다.현대의 구면 토카막은 이것을 실용적 한계까지 가져와서 중앙 구멍을 하나의 금속 기둥으로 줄이고, 튜브의 단면을 수직으로 늘리며, 거의 구면에 가깝고 비율이 2 미만인 전체적인 형태를 만들어냅니다.영국의 MAST 장치는 가장 강력한 설계 중 하나로 비율이 1.^[47]3이다.

스텔라레이터는 일반적으로 원하는 필드를 생성하기 위해 복잡한 자석이 필요합니다.초기 예에서, 이것은 종종 여러 개의 다른 자석 세트의 형태였고, 현대적 디자인은 이것들을 함께 결합하지만, 그 결과로 생기는 디자인은 종종 상당한 작업량을 필요로 했습니다.그 결과 항성들은 토러스 중심에 상당한 양의 작업 공간을 필요로 하며, 그 결과 종횡비도 상대적으로 크다.예를 들어 W7-X의 애스펙트비는 ^[48]10으로 전체 사이즈가 매우 커집니다.가로 세로 비율을 줄이는 것을 목표로 하는 새로운 레이아웃이 몇 개 있지만, 2021년^[update] 현재도 검증되지 않고 있으며, 그 축소는 현대의 ^[49]토카막스에서 볼 수 있는 수준과는 거리가 멀다.

생산 설계에서 자석은 핵융합 반응에 의해 생성되는 14.1 MeV 중성자로부터 보호되어야 합니다.이것은 보통 리튬이 다량 함유된 재료 층인 사육 담요를 사용하여 이루어집니다.대부분의 중성자를 포획하기 위해서는 담요의 두께가 약 1미터에서 1.5미터여야 하는데, 이것은 자석을 플라즈마에서 멀리 이동시키고 따라서 진공 챔버 바깥쪽에 직접 선을 긋는 실험 기계보다 더 강력해야 한다.이는 일반적으로 기계를 매우 큰 크기로 스케일링하여 소형 기계에서 발견되는 최대 10cm의 간격을 약 1m로 선형 스케일링하는 방식으로 해결됩니다.이는 기계를 훨씬 더 크게 만들어 비현실적인 ^[49]크기로 성장시키는 효과가 있습니다.더 빠르게 확장되는 작은 종횡비를 가진 설계는 이러한 영향을 어느 정도 해결할 수 있지만, ARES-CS와 같은 시스템의 설계는 반지름이 약 8m이고 상대적으로 높은 종횡비를 약 4.^[50]6으로 거대하다.

스텔라레이터의 복잡한 자석들은 함께 결합되어 원하는 필드 모양을 만들어냅니다.이를 위해서는 매우 높은 위치 설정 공차가 필요하며, 이로 인해 건설 비용이 상승합니다.이 문제로 인해 미국의 NCSX(National Compact Stellarator Experiment)가 취소되었다.NCSX는 4.4의 저기압 실험이었다.올바르게 동작하기 위해서, 기계 전체의 배치의 최대 편차는 1.5 밀리미터(0.059 인치)였습니다.조립한 결과, 시간이 지남에 따라 부품의 자연스러운 처짐도 허용 한도를 넘어서는 것으로 나타났습니다.2008년 공사가 취소되면서 PPPL의 미래가 ^[51]불투명해졌다.

마지막으로, Stellarator 설계는 생성된 알파 입자의 약 5%가 누출되어 원자로의 플라즈마 방향 ^[52]구성요소에 대한 스트레스가 증가할 것으로 예상된다.

플라즈마 가열

플라즈마를 가열하는 방법에는 여러 가지가 있습니다(점화가 발생하기 전에 이 작업을 수행해야 함).

전류 가열

플라즈마는 전기적으로 전도성이 있으며 전류가 흐르면(전기 저항에 의해) 뜨거워집니다.저항은 플라즈마 온도에 반비례하므로 초기 가열에만 사용됩니다.

고주파 전자파

플라즈마는 전자파가 가해질 때 에너지를 흡수합니다(전자레인지의 음식과 같은 방식으로).

중성 입자에 의한 가열

중성 입자 빔 인젝터는 이온을 만들어 전계에 의해 가속한다.Stellarator의 자기장의 영향을 받지 않으려면 이온을 중화시켜야 합니다.그런 다음 중화 이온을 플라즈마로 주입한다.높은 운동 에너지는 충돌에 의해 플라즈마 입자로 전달되어 가열됩니다.

구성

Stellarator에는 다음과 같은 몇 가지 다른 구성이 있습니다.

공간별기

기하학을 사용하여 자기장의 회전 변환을 생성한 원래 그림 8 디자인.

고전적 항성기

트로이덜 또는 레이스 트랙 모양의 설계로 양 끝에 별도의 나선형 코일이 있어 회전을 발생시킵니다.

토르사트론

연속 나선 코일이 있는 스텔라레이터.또한 연속 코일을 여러 개의 개별 코일로 대체하여 유사한 필드를 생성할 수도 있습니다.Auburn University의 Compact Auburn Torsatron이 그 예입니다.

헬리오트론

나선형 코일이 한 쌍의 폴로이드 필드 코일과 함께 플라즈마를 제한하기 위해 사용되는 스텔라레이터입니다.트로이덜 계자 코일은 자기 표면 특성을 제어하는 데도 사용할 수 있습니다.일본의 Large Helical Device는 이 설정을 사용합니다.

모듈러 스텔라레이터

모듈러형(분리형) 코일 세트와 트위스트 트로이덜 ^[53]코일이 있는 스텔라레이터.헬리컬 대칭 실험(HSX)(및 헬리어스(아래))

헬리아크

자기축(및 플라즈마)이 나선 경로를 따라 단순한 고리 형태가 아닌 트로이덜형 나선을 형성하는 나선축 스텔라레이터.트위스트 플라즈마는 드리프트 취소를 위해 자기장 라인에 트위스트를 유도하며, 일반적으로 Torsatron 또는 Heliotron보다 더 많은 트위스트를 제공할 수 있으며, 특히 플라즈마(자기축)의 중앙 부근에서 그렇습니다.원래 헬리악은 원형 코일로만 구성되며, 플렉시블 헬리악^[54](H-1NF, TJ-II, TU-Heliac)은 작은 나선형 코일을 추가하여 트위스트를 최대 2배까지 변경할 수 있습니다.

헬리아스

높은 플라즈마, 낮은 Pfirsch-Schluter 전류 및 에너지 입자(즉, 원자로 ^[55]시나리오용 알파 입자)의 양호한 구속을 동시에 달성하도록 설계된 최적화된 모듈러 코일 세트를 사용하는 나선형 고급 스텔라레이터.Helias는 모듈식 엔지니어링 설계와 최적화된 플라즈마, MHD 및 자기장 ^{[citation needed]}특성을 갖춘 발전소에서 가장 유망한 스텔라레이터 개념으로 제안되었습니다.Wendelstein 7-X 디바이스는 5개의 필드 주기 Helias 구성을 기반으로 합니다.

최근 결과

수송 손실을 줄이기 위한 최적화

자기 제한 장치의 목표는 자기장을 통한 에너지 전달을 최소화하는 것입니다.트로이덜 소자는 입자가 토러스 주위를 이동할 때 나타나는 자기 특성이 평균화되기 때문에 비교적 성공적입니다.그러나 입자가 보는 자기장의 세기는 일반적으로 다르므로 일부 입자는 거울 효과에 의해 갇힙니다.이 입자들은 자기 특성을 효과적으로 평균화할 수 없을 것이고, 이는 에너지 전달을 증가시킵니다.대부분의 스타레이터에서 이러한 전계 강도의 변화는 토카막보다 더 크며, 이것이 스타레이터의 운송량이 토카막보다 더 높은 경향이 있는 주요 이유입니다.

위스콘신 대학교 전기공학 교수 데이비드 앤더슨(David Anderson)과 연구 조수 존 캐닉(John Canik)은 2007년에 헬리컬리 대칭 eXperiment(HSX)가 플라즈마 연구의 주요 장벽을 극복할 수 있다는 것을 증명했습니다.HSX는 준대칭 자기장을 이용한 최초의 항성계입니다.이 팀은 준대칭성이 에너지 수송을 줄일 것이라는 예측과 함께 HSX를 설계하고 구축했습니다.이 팀의 최근 연구에서 알 수 있듯이, 그것이 정확히 그것이다.「이것은 ^[56][57]준대칭성이 기능하는 최초의 실증이며, 실제로 수송량의 감소를 측정할 수 있습니다」라고 Canik씨는 말합니다.

독일의 새로운 Wendelstein 7-X는 준대칭성에 ^[58]필요하지만 충분하지 않은 조건인 전천성(평균 방사 드리프트가 0인 자기장 특성)에 근접하도록 설계되었다. 즉, 모든 준대칭 자기장이 전천적이지만 모든 전천적 자기장이 준대칭인 것은 아니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 플라즈마(물리학) 기사 목록

메모들

레퍼런스

인용문

참고 문헌

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외부 링크

• ORNL의 Stellarator 뉴스
• 전 세계 Stellarator – UST-2의 경우