스타렐레이터의 스타일 정의
스테라레터
벤델슈타인 7-X
2015년 12월 17일
드디어 독일인들은 19년이라는 긴 세월 끝에 이 기술적으로 극도로 복잡한 스테라레터의 조립을 마쳤다. 12월 초, 이 기계는 ITER보다 수십 년 앞서 처음으로 플라즈마를 생성했다. 물론 내 웹사이트를 방문하는 사람들이 이 기계에 대해 수많은 질문을 쏟아냈다.
이 프로젝트가 현실화되기까지 19년이 걸렸고, 약 100만 시간의 노동이 필요했다. 이 장치는 평면 코일 20개와 비평면 코일 50개를 포함한다. 왜 이렇게 구분하는가? 이러한 코일 내부에 강한 전류를 흘리면 최대 12,000 암페어에 이를 수 있는데, 이는 코일에 중심력이 작용하게 되어 원형 형태로 변형되게 만든다. 만약 이 힘이 너무 강해지면 코일이 파손될 수 있다. 독일 스테라레터의 챔버는 매우 복잡한 기하학적 형태를 가지고 있다.
따라서 원형이 아닌, 더욱 복잡한 형태의 코일을 설계해야 했다.
왜 이렇게 복잡한 기하학적 형태인가? 유튜브에 게시한 5개의 영상을 시청하면 토카막의 기본 원리가 설명되어 있다. 이 아이디어는 안드레이 사흐아르프와 아르티시모비치가 제안한 냉각에서 비롯된다. 원형 코일을 고르게 배열한 토로이드 형태의 챔버를 갖추면, 코일이 서로 가까운 축 근처에서 자기장이 더 강해진다. 플라즈마는 자기장이 약한 지역으로 향하려는 성향이 있기 때문에, 이 자기장은 챔버 내에서 생성된 플라즈마를 바깥쪽으로 밀어내려 한다. 토카막은 이 문제에 대한 첫 번째 해결책이다. 장치 축에 따라 배치된 솔레노이드를 통해 점차 증가하는 자기장을 생성(ITER에서는 13테슬라에 달함)하고, 이 자기장이 챔버를 감싸게 하면 플라즈마 내부에 유도 전류가 발생하게 된다. 이 전류는 플라즈마 내에서 원형으로 순환하며, 자체적으로 '폴로이드' 자기장을 생성한다. 이 자기장은 챔버를 감싸는 코일이 생성한 자기장과 합쳐져 나선형 형태의 자기장 선을 만든다.
전하를 띤 입자는 자기장선 주위를 나선형으로 움직이려는 성향이 있기 때문에, 이 자기장선을 따라 움직이게 된다. 이로 인해 플라즈마는 챔버의 중심에 유지될 수 있다. 다른 해결책은 1950년대에 미국의 라이먼 스피처가 제안한 스테라레터이다. 벤델슈타인 X-7은 스테라레터의 한 예이다.
노란색은 장치의 챔버, 파란색은 수많은 코일을 나타낸다. 독일 스테라레터 설계 시에는 챔버의 형태와 코일의 배치를 최적화하기 위해 수많은 컴퓨터 계산이 이루어졌다. 이 모든 작업은 엄청난 노동과 약 100만 시간의 노력이 필요했다.
왜 스테라레터를 토카막보다 선택했는가? 토카막(그리고 ITER)의 주요 문제는 '파열(디스럽션)'이 발생할 가능성이다. 챔버 내부에서 '플라즈마 전류'(ITER에서는 1,500만 암페어)는 마치 꼬리를 물고 도는 뱀처럼 상상할 수 있다. 매우 단순하게 설명하면, 파열은 이 전류의 감속 방식이 갑자기 끊어지는 것으로 볼 수 있다. 뱀이 꼬리를 놓치고 벽을 물게 되는 것이다. ITER에서는 이 '물림'의 전류가 1,100만 암페어에 달한다.
원인은 MHD 난류이다. 더 나쁜 것은, 이 자기장 왜곡은 전하 입자를 가속시키는 기울기를 동반한다. 주로 전자들이 이 기울기에 의해 가속된다. 이들은 빛의 속도에 가까운 상대론적 속도를 얻고, 매우 높은 에너지를 갖게 된다. 일정 속도 이상에 도달하면 이들은 이온과 거의 상호작용하지 않게 된다. 이러한 입자를 '분리된 전자'라 부른다. 그러나 'avalanche 효과'로 인해 다른 전자를도 가속시킨다. 이는 ITER에서 매우 큰 증폭 효과를 초래한다.
스테라레터에서는 이러한 현상이 발생하지 않는다. 이는 다른 불안정성이 나타나지 않는다는 의미는 아니다. 그에 대한 답은 실험을 통해 나올 것이다. 지난 50년간 플라즈마 장치는 너무 많은 예상치 못한 문제를 안겨왔기 때문에, 점진적인 접근이 필수적이다.
독일 장치는 자기장 강도가 3테슬라에 도달하는 자화 시스템을 갖추고 있다. 마이크로파를 이용한 가열 시스템은 1050초 동안 작동할 예정이다. 중성입자 주입 시스템은 8메가와트의 에너지를 공급한다. 이 장치를 통해 연구자들은 챔버 내 플라즈마의 밀도를 1m³당 3×10²⁰개의 핵으로, 온도를 6,000만1억 2,000만 도까지 끌어올리기를 기대하고 있다.
독일 스테라레터는 '자기유지' 플라즈마, 즉 융합에서 발생하는 에너지가 플라즈마의 온도를 유지하는 데 충분한 조건을 만들 수는 없다. 이러한 장치들은 모두 '핵반응의 불꽃'을 켜는 것을 목표로 한다. 마치 습한 나무를 약간의 나무 조각이나 불꽃 뿌리기 장치로 태우려는 시도와 같다. 습한 나무가 타기 시작하면, 이는 외부 에너지를 공급받는 과정이다. 그러나 건조한 나무 조각이나 불꽃 뿌리기 장치가 다 타면 두 가지 경우가 생긴다. 또는 습한 나무가 충분한 열을 내어 자가유지 불꽃을 유지할 수 있거나, 그렇지 못하면 불꽃이 꺼지고 다시 새로운 불꽃 뿌리기 장치를 사용해야 한다.
지금까지 지구상의 어떤 플라즈마 장치도 이러한 조건을 만족시키지 못했다. 가장 성능이 뛰어난 장치인 JET은 Q계수(공급된 에너지/생산된 에너지)를 0.6까지 올렸다. ITER의 목표는 Q계수가 1을 넘는 것이었다. 한편, 급격히 자기유지되는 융합 플라즈마의 행동 방식에 대해서는 전혀 알지 못한다. 이와 같은 문제에 대해 이론적 예측은 매우 어렵다.
독일 스테라레터는 복잡성에 비례해 높은 비용이 들었다. 나는 비용이 약 10억 유로에 달한다고 생각한다. 그러나 이는 성숙한 프로젝트이다. 장치는 완성되었고, 자기장 장치는 작동 중이며, 12월 초 연구자들은 처음으로 플라즈마를 얻었다. 앞으로는 마이크로파와 중성입자 주입을 통해 에너지 공급을 늘릴 계획이다. 이 기술들은 이미 익숙해져 있다. 첫 번째 질문은: '이 장치는 플라즈마의 갇힘 성능에 대해 기대에 부응하는가?' 현재 긍정적인 초기 결과가 나온 것으로 보인다.
스테라레터는 융합을 통한 에너지 생산의 해결책인가? 아직 판단하기엔 너무 이른 시점이다. 그러나 그 비용은 ITER보다 16배 낮다. 이 장치는 거대한 프로젝트인 ITER에 비해 엄청난 장점이 있다. 그것은 작동 중이며, 연구자들은 즉각적인 파열로 인한 손상에 대한 걱정이 없다. ITER는 그렇지 않다.
이 위험은 ITER 프로젝트를 극도로 방해한다. ITER의 설계를 보면, 어떤 부품도 교체하는 것이 매우 어려운 문제로 이어진다. 파열의 주요 타깃이 되는 부품은 '디버터'의 구성 요소들이다.
첫 번째 이미지는 장치 전체에 비해 부품의 크기를 보여준다. 기술자들이 부품을 설치하기 위해 어떤 기술적 난관을 겪어야 하는지 보여주는 영상도 있다. 교체 역시 매우 어려울 것이다. 자세한 내용은 다음 링크를 참조하라:
https://www.youtube.com/watch?v=pt70mO2nQac
한편, 파열 위험은 플라즈마에서 추출하려는 전력이 증가함에 따라 커진다.
독일 스테라레터는 융합 전력 발전을 위한 예비 장치가 아니라, 연구용 도구이다. 이 점에서 이 프로젝트는 합리적인 접근을 보여준다. 반면 ITER는 처음부터 거대한 프로젝트였다. 기술적·과학적 문제들을 극도로 과소평가했다.
프랑스에는 스테라레터가 없으며, 실험실용 장치조차 없다. 개인적으로 나는 '세잎 나비' 형태의 구성을 제안한 바 있다. 이 구조는 자기장선의 나선형 감김을 나타내며, 동시에 원형 코일만으로도 이를 구현할 수 있다.
이 챔버는 다음과 같은 방정식을 가진 '심장부'를 중심으로 설계되었다:
x = Cos t + 2 Cos 2t
y = sin t - 2 sin 2t
z = 2 sin 3t
직선 단면에서 자기장 최대점은 한 바퀴마다 270도 회전하므로, 플라즈마의 균일성을 보장하는 데 충분할 수 있다. 코일이 원형이기 때문에 자기장을 10테슬라까지 끌어올릴 수 있다(ITER 챔버의 정격 자기장은 11.8테슬라).
그러나 전문 실험실에서 50cm 규모의 소형 모형조차 제작하려는 모든 노력은 실패로 끝났다. 중요한 점은, 프랑스 국립과학연구원(CNRS)의 플라즈마 연구 부서가 이 연구의 가능성을 두 가지로 요약했다는 것이다:
- ITER
- 메가줄
참고로, 메가줄의 형제 프로젝트인 미국의 NIF(National Ignition Facility)는 결과가 매우 실망스러웠다. 따라서 메가줄을 이용한 레이저 융합 연구에 대한 희망 역시 허상이 되었다. 미국의 NIF는 192개의 네오디뮴 도핑 유리 레이저를 보유하고 있지만, 프랑스의 메가줄은 176개의 레이저를 갖추고 있다. NIF의 실패에도 불구하고 프랑스 프로젝트는 완성될 예정이다.
그런데 왜 이처럼 실패했는가?
1970년대 중반, 초기 비밀 연구 프로젝트인 '센투리온 할라이트'를 통해 미국은 디테륨-트리튬 구형체를 압축해 융합을 일으키기 위해 1020메가줄의 에너지가 필요하다는 것을 알고 있었다. 그러나 NIF는 이 구형체에 0.18메가줄만 집중할 수 있었고, 이는 55배나 낮은 에너지였다. 레이저는 1.8메가줄의 에너지를 생성했지만, '홀라룸(Hohlraum)' 시스템에서 이 에너지의 8090%는 금으로 만든 이 작은 오븐을 가열하는 데 소비되었다.
금으로 만든 작은 오븐 안에 있는 타겟
실제로 타겟에 전달되는 에너지 비율
레이저를 50배 더 늘리는 것은 불가능했다. 프로젝트의 이론가들, 특히 존 뉴홀스는 대신 구형체 대신, 미세한 유리 병 내부에 고체화된 D-T 층을 압축하는 방식을 제안했다. 그러나 이 방식의 위험은 레일리-테일러 불안정성으로 인해 압축이 제대로 이루어지지 않을 수 있다는 점이었다. 이는 한 유체가 다른 유체 위에 압력을 가할 때 발생하는 현상이다. 쉽게 설명하면, 밀도가 높은 유체가 아래에 있는 유체에 압력을 가할 때 일어나는 현상을 생각해볼 수 있다.
레일리-테일러 불안정성
뉴홀스는 자신의 수치 시뮬레이션 결과에 자신감을 갖고, 이 불안정성이 실험 결과에 거의 영향을 주지 않을 것이라고 확신했다. 그는 초기 실험(2012년)에서 융합이 달성될 것이라며, 실험자들이 해야 할 일은 시뮬레이션 매개변수를 실험 데이터와 맞추는 것뿐이라고 주장했다. 그러나 시험 캠페인은 완전한 실패로 끝났다. 측정 결과는 레일리-테일러 불안정성이 극도로 작용함을 보여주었다.
이를 어떻게 확인할 수 있는가? 단순히 타겟에 도핑된 트레이서 원자를 넣어 도플러 효과로 수축 속도를 측정하면 된다. 융합을 위해서는 수축 속도가 370km/s에 도달해야 했지만, 실제 속도는 훨씬 낮았고, 수축 속도는 매우 흩어져 있었으며, 규칙성이 전혀 없었다.
결국 우리는, 매우 무거운 실험(60억 달러)이 고성능 컴퓨터에서 수행한 시뮬레이션에 전적으로 의존한 실패 사례를 마주하게 된다. 또 다른 측면은 뉴홀스와 그 팀이 과학자들에게 자신의 계산 코드를 분석하는 것을 금지했다는 점이다. 그 이유는 '국방 비밀'이기 때문이라고 주장했다.
프랑스는 어떠한가? 1970년대 중반부터 1980년대 초까지 메가줄 프로젝트가 진행되던 시기, 이 10~20메가줄의 타겟 에너지가 융합을 위한 필수 조건이라는 것을 알고 있었는가? 사실 이 정보는 이미 알려져 있었다. 따라서 이 프로젝트는 논리적으로 멈춰야 했다. 프랑스는 유일하게 미국과 함께 이 길을 따라갔다. 다른 모든 국가—러시아, 일본—의 연구자들은 '파워 레이저 라인'(레이저당 테라와트)을 보유하고 있었다. 그러나 다른 국가는 '미국과 프랑스의 결과를 보고 결정하자'고 생각했다. 특히 러시아에서는 군사 엔지니어들이 자체적인 '센투리온 할라이트' 프로젝트를 추진했을 가능성도 있다.
NIF와 메가줄 프로젝트는 처음부터 레이저를 이용한 융합 기반의 에너지 생산을 목표로 하지 않았다. 그 이유는 레이저의 효율이 단지 1.5%였기 때문이다. 레이저를 기반으로 한 융합 발전소가 등장할 것이라고 주장하는 것은 대중을 속이는 것에 불과했다. 사실 이 프로젝트들은 100% 군사적 목적을 가졌다. 타겟 압축은 플루토늄-239 핵분열 장치에서 발생하는 X선 방사로 인해 핵융합 무기 내에서 일어나는 압축을 매우 작은 규모로 재현하는 것이었다.
그런데 왜 이처럼 실패했는가?
프랑스에서는 ITER와 메가줄이라는 거대한 프로젝트 외에는 미니 스테라레터나 Z-머신 연구가 전혀 없다. 그라마에 위치한 군사 기관이 관리하는 스파크스 장치는 MHD 압축을 통한 융합을 가능하게 하지 못한다. 이 장치는 너무 느리다(상승 시간 800나노초). 전류 방전 시간을 단축하는 것은 불가능하다. 다른 시설이 필요하다.
왜 100~150나노초 정도의 짧은 상승 시간이 중요한가? 왜냐하면 이는 약 100메가헤르츠의 변동 전류를 의미하기 때문이다. 고주파 전류는 도체의 내부가 아니라 표면에서만 흐르기 때문이다. 이를 '피부 효과'라 한다. Z-머신에서는 머리카락 굵기의 와이어를 사용하며, 7만 암페어의 전류를 흘린다. 상승 시간이 너무 느리면 전류가 와이어 깊숙이 침투해 증발시킨다. 그러나 짧은 상승 시간에서는 와이어의 '표면'만 플라즈마로 변한다.
다른 구조도 있다. 예를 들어 MagLif는 다른 방식을 사용한다. 프랑스가 이러한 길을 선택했더라면 매우 유익했을 것이다. 그러나 ITER와 메가줄이라는 '괴물' 프로젝트는 이러한 연구를 완전히 금지하고 있다.
이 두 가지 낭비에 대해 더 이상 언급하지 않겠다. 다만 최근 비논에서 동료와 패러글라이딩을 하던 중, 재미있는 일화를 들었다. 이전까지는 중심부 앞쪽이 규칙적인 풍경이었지만, 이제는 ITER를 수용할 거대한 금속 구조물의 뼈대가 서 있다. 이전 달, 스페인 조종사가 이곳에 착륙했다. 현지 사람들과 술을 마신 후, 다시 출발하려 했다. 그러나 이륙 후 왼쪽으로 회전해 바로 ITER 방향으로 날아갔다.
항공 통제소(오래된 트럭에 설치된 통제탑)는 즉시 마이크로폰을 통해 조종사에게 이 지역은 비행 금지구역이라고 경고했다. 조종사는 이를 수신하고 왼쪽으로 회전하며 답했다:
“네, 알겠습니다. 방향을 바꿔 놀이공원을 피하겠습니다.”