토카막

1. 개요2. 상세

2.1. 구조2.2. 운전2.3. 장점2.4. 단점

3. 대표적인 토카막

1. 개요 [편집]

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токамак/Tokamak

핵융합 발전 과정에서 플라즈마를 가두기 위해 자기장을 이용하는 도넛형 장치. 러시아어 тороидальная камера с магнитными катушками(자기장 코일로 만든 도넛형의 가둠장치)의 앞 글자들을 딴 줄임말이다.

토카막은 구조상 이런 가두어진 플라즈마 내부에 전류가 흐르고 이렇게 생긴 자기장이 플라즈마 불안정성을 만들어내 플라즈마가 벗어나지 않게 하기 위한 또 다른 자기장이 필요한데, 이런 플라즈마의 움직임을 예측하고 막는 것이 관건이다.

토카막은 기존에 개발중이던 핵융합 장치(스텔러레이터(Stellarator) 등 기타 다른 후보들 포함)보다 온도는 10배, 플라즈마 가둠 시간은 30배로 매우 효율이 좋았다. 1968년 러시아 노보시비르스크에서 열린 제3차 핵융합에너지 회의(FEC)에서 공개되었으며,[1] 이후 핵융합 장치의 대세로 자리잡는다.

러시아(소련)의 유명한 핵물리학자 안드레이 사하로프와 그의 스승 이고르 탐이 개발하였다.

2. 상세 [편집]

2.1. 구조 [편집]

중심으로부터 제1장벽[2], 블랭킷[3], 차폐막[4], 벽[5], 냉각수, 냉각수 속 초전도코일[6]로 이루어진다. 외에도 플라즈마 내부의 불순물을 제거하는 다이버터, 가열장치들, 플라즈마 불안정성을 억제하는 장치들, 갖가지 센서들과 온도 측정을 위한 레이저 등이 있다.

2.2. 운전 [편집]

토카막은 구조상 플라즈마 내부에 전류가 흐르게 되는데, 플라즈마에게도 전기저항이 있어 플라즈마가 가열된다(노를 젓는다 한다). 플라즈마는 에너지가 높아질수록 저항이 낮아져, 이렇게 가열할 수 있는 온도는 4000만K까지 정도라 그 이후부터는 RF가열[7], 중성입자빔 입사장치(NBI)[8]를 이용한다.
이를 이용하는 방식에 따라 운전 모드가 나뉘어진다. RF가열과 NBI를 사용하는 L-모드와, 다이버터와 NBI를 사용하는 H-모드[9], 플라즈마 중심의 에너지를 높여 ELM현상이 없는 ITB모드와, H-모드와 ITB모드를 혼용하는 DTB모드가 있다.[10]

2.3. 장점 [편집]

에너지 가둠 시간이 다른 방식에 비해 압도적으로 높고, 에너지 가둠 시간은 곧 발전 효율을 의미한다. 핵융합발전으로 가장 주목받고 활발히 연구되고 있는 방식이다.

2.4. 단점 [편집]

플라즈마 내부에 전류가 흐른다는 것 때문에 치명적인 단점도 하나 생긴다. 바로 플라즈마 불안정성(플라즈마 난류). 플라즈마 내부에 전류가 흐르니 자기장도 생겨 플라즈마 불안정성이 매우 커지는데, 토카막 속 플라즈마가 흔들린다거나, 갑자기 식어 사라져버려 붕괴되거나 한다. 토카막의 에너지 가둠 시간을 줄이는 주 원인이다. 이것만 아니었으면 이미 토카막으로 핵융합발전 상용화되었을 것이다. 이를 보완한 다른 자장 가둠 방식인 스텔러레이터가 있다.[11]
또 스텔러레이터도 그렇듯이 플라즈마가 원을 그리며 돌며 방향을 바꿀 때 전자기파 복사로 에너지를 빼앗기게 된다. 이게 온도가 높아지면 큰 문제가 돼 5억K정도에선 순식간에 복사로 에너지를 잃고 식어버린다. 제1장벽은 이 복사의 열에서부터 보호하는 역할도 한다.

3. 대표적인 토카막 [편집]

T-1 - 러시아(소련)에서 만든 세계 최초의 토카막 핵융합 반응로
KSTAR - 최초로 초전도코일을 이용한 한국의 토카막
ITER - 프랑스 카다라슈에 위치할 토카막.
TFTR - 미국의 토카막 핵융합 반응로
JET - 영국 옥스퍼드의 토카막
JT-20 - 일본 이바라키현 나카시에 있는 토카막 핵융합 반응로

[1] 이때 공개된 건 최초의 토카막 장치보다 좀더 개선된 T-3이었다.[2] 중심의 뜨거운 플라즈마로부터 보호하기 위함. 주로 열에 강한 높은 카본타일로 만들지만, 플라즈마와의 충돌로부터 유리한 텅스텐을 사용하는 추세이다.[3] DT반응으로 생긴 중성자가 중수소화 리튬으로 이루어진 블랭킷과 충돌하면 삼중수소가 만들어진다. 이렇게 만들어진 삼중수소는 DT반응의 연료로 다시 사용하고, 중성자의 에너지가 전달, 냉각수가 기화되어 증기터빈을 돌려 발전한다.[4] DT반응으로 생긴 중성자를 차폐하기 위함. 중성자는 중간 정도의 방사능을 띈다.[5] 토카막의 벽면이다. 내부를 초고진공 상태로 유지시키는 역할을 하고, 이중으로, 금속으로 만든다.[6] 플라즈마를 가두고 돌리는 TF코일, 플라즈마를 띄우는 PF코일, 전하를 섞는 CS코일이 있다.[7] 내부의 플라즈마나 플라즈마 속 전자의 고유진동수에 맞는 전자기파를 쏴 공명시켜 에너지를 전달한다.[8] DT반응의 연료인 중수소를 이온화시키고 고에너지로 가속시켜 토카막 내부로 발사해 에너지를 전달하고 연료를 공급한다. 플라즈마를 띄우기 위한 강한 자기장 때문에 이온화되어 전하를 띄는 상태에서는 들어갈 수 없고, 가속시킨 상태에서 전자를 붙여 원자 상태가 입사된다.[9] L-모드에 비해 효율이 2배정도 높은데, ELM현상이 문제가 된다.[10] 한국 KFE의 토카막인 KSTAR에서 ITB모드와 DTB모드를 최초로 구현하였다. ITB모드 덕분에 최초로 플라즈마 1분 이상 유지, DTB모드 덕분에 최초로 1억K 20초 이상 유지를 달성할 수 있었다.[11] 대신 스텔러레이터는 코일이 복잡해 제작이 어렵고 노 젓기가 불가능하다.