토카막

Tokamak
이 글은 핵융합 반응 장치에 관한 것입니다.기타 용도는 토카막(동음이의)을 참조하십시오.
1980년대 후반 완공된 이후 연구에 활용되고 있는 샌디에이고 제너럴 아토믹스가 운영하는 실험용 토카막 융합 원자로 DIII-D의 반응실.토러스 모양의 독특한 챔버는 극심한 더위를 견딜 수 있도록 흑연으로 덮여 있습니다.

토카막(/ˈ에서 ʊk əm æk/; 러시아어: токам라 к)은 강력한 자기장을 사용하여 플라즈마를 토러스 모양으로 가두는 장치입니다.토카막은 제어된 열핵융합력을 생산하기 위해 개발되고 있는 여러 종류의 자기구속장치 중 하나입니다.2016년 현재 실용적인 핵융합로의 유력한 후보였습니다.[1]"토카막"이라는 단어는 "자기 코일이 있는 토로이드 챔버"를 의미하는 러시아어 두문자에서 유래되었습니다.

토카막에서 에너지를 추출하는 방법으로는 열전달, 직접에너지 변환, 자기유체역학 변환 등이 있습니다.

토카막스는 1950년대 소련의 물리학자 이고르 탐과 안드레이 사하로프에 의해 처음 개념화되었으며 올레크 라브렌티예프의 편지에서 영감을 받았습니다.카막에 대한 최초의 작업은 1958년 Natan Yavlinsky의 T-1에 대한 작업 덕분입니다.[2]안정적인 플라즈마 평형을 위해서는 나선형으로 토러스를 감는 자기장선이 필요하다는 것이 증명되었습니다.z-pinch나 stellarator와 같은 장치들은 이것을 시도했지만 심각한 불안정성을 보여주었습니다.토카막 개발을 유도한 것은 안전 인자(수학적 표기법에서 q로 표시됨)로 알려진 개념의 개발이었습니다. 이 임계 인자 q가 항상 1보다 크도록 원자로를 배치함으로써 토카막은 초기 설계를 괴롭혔던 불안정성을 강하게 억제했습니다.

1960년대 중반까지 토카막 디자인은 크게 향상된 성능을 보이기 시작했습니다.1965년에 최초의 결과가 발표되었지만 무시되었습니다. 라이먼 스피처는 온도를 측정하는 시스템에 잠재적인 문제가 있다는 것을 지적한 후 그것들을 무시했습니다.1968년에 두 번째 결과가 발표되었는데, 이번에는 다른 어떤 기계보다 훨씬 앞선 성능을 보여주었습니다.이런 것들이 회의적으로 받아들여졌을 때, 소련은 영국의 대표단을 초청하여 자체적인 측정을 했습니다.이것들은 소련의 결과를 확인했고, 그들의 1969년 출판은 토카막 건설의 우르르 몰려드는 결과를 낳았습니다.

1970년대 중반까지 전 세계에서 수십 개의 토카막이 사용되었습니다.1970년대 후반까지, 이 기계들은 비록 동시에 혹은 하나의 원자로에 있지는 않지만, 실용적인 핵융합에 필요한 모든 조건에 도달했습니다.손익분기점(1과 동일한 핵융합 에너지 이득 인자)을 목표로, 중수소와 삼중수소의 핵융합 연료로 작동하는 새로운 일련의 기계가 설계되었습니다.이 기계들, 특히 조인트 유럽 토러스(JET)와 토카막 핵융합 시험로(TFTR)는 손익분기점에 도달하는 명백한 목표를 가지고 있었습니다.

대신, 이 기계들은 성능을 제한하는 새로운 문제들을 보여주었습니다.이러한 문제를 해결하려면 어느 한 국가의 능력을 넘어서는 훨씬 더 크고 값비싼 기계가 필요합니다.1985년 11월 로널드 레이건과 미하일 고르바초프 사이의 최초 합의 이후, 국제 열핵 실험 원자로(ITER) 노력이 시작되었고, 실용적인 핵융합력을 개발하기 위한 주요한 국제적 노력으로 남아 있습니다.구형 토카막과 같은 더 작은 설계 및 오프슈트는 성능 매개 변수 및 기타 문제를 조사하는 데 계속 사용됩니다.2022년 현재 JET는 5초 동안 59 MJ의 에너지를 방출하여 융합 출력의 기록적인 보유자로 남아 있습니다.

어원

토카막(tokamak)은 러시아어인 токамак를 번역한 단어로, 다음과 같은 약자가 있습니다.

тороидальная камера с магнитными катушками
토로이달나야 카메라스 마그니트니미 카투슈카미
자기 코일이 있는 토로이달 챔버;

아니면

тороидальная камера с аксиальным магнитным полем
토로이달나야 카메라 saksial'nim magnitnym polem
축 자기장이 있는 토로이드 챔버.[4]

이 용어는 1957년에 오늘날의 쿠르차토프 연구소의 측정 장치 연구소의 부소장 이고르 골로빈에 의해 만들어졌습니다.[5][a]비슷한 용어인 토코매그도 한동안 제안되었습니다.[7]

역사

소련 우표, 1987: 토카막 열핵 시스템

첫번째 단계

1934년 마크 올리펀트, 폴 하텍, 어니스트 러더퍼드는 입자 가속기를 사용하여 중수소 핵을 중수소 또는 다른 원자를 포함하는 금속 호일에 쏘아 넣음으로써 지구상에서 최초로 핵융합을 이루었습니다.[8]이것은 그들이 다양한 핵융합 반응의 핵 단면을 측정할 수 있게 했고, 중수소-중수소 반응이 약 100,000 전자볼트(100 keV)에서 정점을 이루는 다른 반응보다 낮은 에너지에서 발생한다고 결정했습니다.[9][b]

가속기 기반 융합은 반응기 단면이 작아서 실용적이지 않습니다. 가속기에 있는 대부분의 입자는 연료와 융합되지 않고 연료를 흩뿌립니다.이러한 산란은 입자가 더 이상 융합을 겪을 수 없을 정도로 에너지를 잃게 만듭니다.따라서 이 입자들에 투입된 에너지는 손실되고, 이것이 핵융합 반응이 방출할 수 있는 에너지보다 훨씬 더 많은 에너지라는 것을 입증하기 쉽습니다.[11]

핵융합을 유지하고 순 에너지 출력을 생성하기 위해서는 연료의 부피를 고온으로 상승시켜 원자가 지속적으로 고속으로 충돌하도록 해야 합니다. 이는 연료를 발생시키는 데 필요한 높은 온도 때문에 열핵이라는 이름을 갖게 됩니다.1944년 엔리코 페르미는 반응이 약 50,000,000 K로 자생적일 것이라고 계산했습니다. 그 온도에서 반응에 의해 에너지가 방출되는 속도는 주변의 연료를 충분히 빠르게 가열하여 환경에 대한 손실로부터 온도를 유지하고 반응을 계속합니다.[11]

맨하탄 프로젝트 동안, 원자폭탄을 사용하여 이러한 온도에 도달할 수 있는 최초의 실용적인 방법이 만들어졌습니다.1944년 페르미는 당시 가상의 수소폭탄의 맥락에서 핵융합의 물리학에 대해 강연했습니다.그러나, 제어된 핵융합 장치에 대해서는 이미 몇 가지 생각이 들어 있었고, 제임스 L. 턱과 스타니슬라브 울람은 중수소가 주입된 금속 호일을 구동하는 형상의 전하를 사용하여 이러한 시도를 했지만 성공하지 못했습니다.[12]

실용적인 핵융합 기계를 만들기 위한 첫 번째 시도는 1945년 조지 패젯 톰슨이 유망한 기술로 핀치 효과를 선택한 영국에서 일어났습니다.자금 조달에 실패한 후, 그는 포기하고 두 명의 대학원생 Stanley (Stan) W. Cousons와 Alan Alfred Ware (1924–2010[13])에게 여분의 레이더 장비로 장치를 만들 것을 요청했습니다.이것은 1948년에 성공적으로 운영되었지만, 뚜렷한 핵융합의 증거를 보여주지 못했고 원자력 연구 기관의 관심을 얻지 못했습니다.[14]

라브렌티예프의 편지

1950년, 당시 사할린에 주둔하고 있던 붉은 군대 병장이었던 올레크 라브렌티예프는 소련 공산당 중앙위원회에 편지를 썼습니다.이 편지는 핵융합 연료를 점화하기 위해 원자폭탄을 사용하는 아이디어의 개요를 설명한 다음, 에너지 생산을 위해 뜨거운 플라즈마를 포함하기 위해 정전기 장을 사용하는 시스템에 대해 설명했습니다.[15][16][c]

이 편지는 안드레이 사하로프에게 보내져 의견을 구했습니다.사하로프는 "저자는 매우 중요하고 반드시 절망적이지는 않은 문제를 공식화했다"고 언급했고, 그의 주요 관심사는 플라즈마가 전극선에 부딪히는 것과 "거의 모든 입사핵을 원자로로로 다시 반사시켜야 하는 넓은 그물과 얇은 전류 전달 부분"이라고 말했습니다.아마도 이 요구사항은 장치의 기계적 강도와 양립할 수 없을 것입니다.[15]

라브렌티예프의 편지는 처리 속도에서 중요성을 알 수 있습니다. 사하로프는 7월 29일 중앙위원회에 의해 편지를 받았고, 8월 18일 사하로프와 이고르 탐은 10월까지 핵융합로에 대한 첫 번째 상세한 연구를 마쳤습니다.그리고 그들은 1951년 1월에 그것을 짓기 위한 자금을 요청했습니다.[17]

자기구속

핵융합 온도로 가열되면 원자의 전자가 해리되어 플라스마로 알려진 핵과 전자의 유체가 생성됩니다.전기 중성 원자와 달리 플라즈마는 전기 전도성이므로 전기장이나 자기장에 의해 조작될 수 있습니다.[18]

사하로프는 전극에 대한 걱정으로 정전보다는 자기 구속을 사용하는 것을 고려하게 되었습니다.자기장의 경우, 입자들은 힘의 선 주위를 돌게 됩니다.[18]입자들이 빠른 속도로 움직이고 있기 때문에, 그들의 결과적인 경로는 나선처럼 보입니다.힘의 선들이 평행하고 가까이 있도록 자기장을 배치하면, 인접한 선들을 도는 입자들이 충돌하여 융합될 수 있습니다.[19]

이러한 필드는 외부를 둘러싼 자석이 있는 실린더인 솔레노이드에서 생성될 수 있습니다.자석들의 결합된 장들은 실린더의 길이를 따라 내려가는 평행한 자기선들을 만들어냅니다.이 배열은 입자가 실린더의 벽 쪽으로 옆으로 이동하는 것을 방지하지만, 입자가 끝에서 떨어지는 것을 방지하지는 못합니다.이 문제의 명백한 해결책은 원기둥을 도넛 모양으로 구부리는 것입니다. 그래서 선들이 일련의 연속적인 고리를 형성하도록 말이죠.이 배열에서 입자들은 끝없이 원을 그리게 됩니다.[19]

사하로프는 이 구상을 이고르 탐과 상의했고, 1950년 10월 말에 두 사람은 제안서를 작성하여 소련 내의 원자폭탄 프로젝트 책임자인 이고르 쿠르차토프와 그의 대리인 이고르 골로빈에게 보냈습니다.[19]그러나 이 초기 제안은 근본적인 문제를 무시했습니다. 직선 솔레노이드를 따라 배열될 때 외부 자석은 균일한 간격으로 배치되지만 회전체로 구부러질 때 외부보다 링 내부에서 함께 더 가깝습니다.이로 인해 입자가 자기선에서 멀어지게 되는 불균일한 힘이 생깁니다.[5][20]

사하로프는 소련 원자력 연구 센터인 소련 과학원 계측기 연구소(LIPAN)를 방문한 자리에서 이 문제에 대한 두 가지 가능한 해결책을 제시했습니다.하나는 토러스 중앙에 전류가 흐르는 링을 매달아 놓는 것이었습니다.고리의 전류는 외부의 자석에서 나오는 자기장과 섞일 수 있는 자기장을 생성할 것입니다.결과적인 장은 나선형으로 꼬여져서 주어진 입자는 토러스의 바깥쪽, 안쪽에서 반복적으로 발견됩니다.울퉁불퉁한 장들에 의해 발생하는 드리프트들은 안쪽과 바깥쪽에서 서로 반대 방향에 있기 때문에, 토러스의 장축을 중심으로 여러 궤도를 도는 동안, 반대 드리프트들은 상쇄될 것입니다.그 대신, 그는 같은 효과를 낼 수 있는 별도의 금속 고리 대신 외부 자석을 사용하여 플라즈마 자체에 전류를 유도할 것을 제안했습니다.[5]

1951년 1월, 쿠르차토프는 사하로프의 개념을 고려하기 위해 LIPAN에서 회의를 열었습니다.그들은 광범위한 관심과 지지를 얻었고, 2월에 이 주제에 대한 보고서가 소련의 원자력 노력을 감독하는 라브렌티 베리아에게 전달되었습니다.한동안 아무 소리도 들리지 않았습니다.[5]

Richter와 융합 연구의 탄생

후안 도밍고 페론(오른쪽)과 함께 로날드 리히터(왼쪽.리히터의 주장은 전 세계의 핵융합 연구를 촉발시켰습니다.

1951년 3월 25일, 후안 페론 아르헨티나 대통령은 독일의 전직 과학자 로널드 리히터가 후에물 프로젝트의 일환으로 실험실 규모의 핵융합을 성공시켰다고 발표했습니다.전세계의 과학자들은 이 발표에 흥분했지만 곧 그것이 사실이 아니라는 결론을 내렸습니다. 간단한 계산은 그의 실험 장치가 필요한 온도까지 핵융합 연료를 가열하기에 충분한 에너지를 생산할 수 없다는 것을 보여주었습니다.[21]

핵 연구자들에 의해 기각되었지만 광범위한 뉴스 보도는 정치인들이 갑자기 핵융합 연구를 인지하고 수용했다는 것을 의미했습니다.영국에서 톰슨은 갑자기 상당한 자금을 지원받았습니다.이후 몇 달 동안 핀치 시스템을 기반으로 한 두 개의 프로젝트가 운영되었습니다.[22]미국에서 라이먼 스피처는 휴물 이야기를 읽고 그것이 거짓임을 깨닫고 작동할 수 있는 기계를 설계하기 시작했습니다.[23]5월에 그는 5만 달러를 수여받아 그의 별똥별 개념에 대한 연구를 시작했습니다.[24]짐 턱은 잠시 영국으로 돌아와 톰슨의 핀치 머신을 보았습니다.그가 로스앨러모스로 돌아왔을 때 그는 로스앨러모스 예산에서 직접 5만 달러를 받았습니다.[25]

소련에서도 비슷한 사건이 일어났습니다.4월 중순, 전기 물리 장치 과학 연구소의 드미트리 에프레모프는 왜 아르헨티나 사람들에게 당했는지를 알려달라고 요구하며 리히터의 연구에 대한 이야기를 담은 잡지를 들고 쿠르차토프의 서재에 들이닥쳤습니다.쿠르차토프는 즉시 베리아에게 레프 아르시모비치를 소장으로 하는 별도의 핵융합 연구소를 설립하자는 제안을 했습니다.며칠 후인 5월 5일, 요제프 스탈린은 이 제안에 서명했습니다.[5]

새로운 아이디어

656 nm의 빛을 방출하는 수소 알파선에 의해 지배되는 가시광선 복사를 가진 EAST의 적색 플라즈마.

10월에 사하로프와 탐은 그들의 원래 제안에 대한 훨씬 더 상세한 검토를 마쳤고, 12미터(39피트)의 주요 반경과 2미터(6피트 7인치)의 작은 반경을 가진 장치를 요구했습니다.이 제안은 이 시스템이 하루에 100그램(3.5온스)의 삼중수소를 생산하거나 하루에 10킬로그램(22파운드)의 U233을 번식시킬 수 있음을 시사했습니다.[5]

아이디어가 추가로 개발됨에 따라, 플라즈마의 전류가 플라즈마를 가두기에 충분히 강한 장을 만들어 외부 코일이 필요 없게 할 수 있다는 것을 깨달았습니다.[6]이 시점에서 소련 연구진은 영국에서 개발 중인 핀치 시스템을 다시 발명했습니다.[12] 비록 매우 다른 출발점에서 이 설계를 하게 되었지만 말입니다.

핀치 효과를 감금에 사용하는 아이디어가 제안되고 난 후, 훨씬 더 간단한 해결책이 분명해졌습니다.큰 토로이드 대신에, 단순히 전류를 선형 튜브로 유도하면 내부의 플라즈마가 필라멘트로 붕괴될 수 있습니다.이것은 큰 장점이 있었습니다. 플라즈마의 전류는 일반적인 저항 가열을 통해 플라즈마를 가열하지만, 이것은 플라즈마를 융합 온도까지 가열하지 않습니다.하지만 플라즈마가 무너지면서 단열과정을 거치면 핵융합을 하기에 충분한 온도 이상으로 온도가 급격하게 상승하게 됩니다.이러한 발전으로 더 정적인 토로이드 배열을 고려한 것은 골로빈과 나탄 야블린스키 뿐이었습니다.[6]

불안정성

1952년 7월 4일 니콜라이 필리포프의 연구팀은 선형 핀치 기계에서 방출되는 중성자를 측정했습니다.레프 아르시모비치는 핵융합이 일어났다는 결론을 내리기 전에 모든 것을 확인할 것을 요구했고, 이러한 확인 과정에서 중성자가 핵융합에서 나온 것이 아님을 발견했습니다.[6]이와 같은 선형 배열은 영국과 미국의 연구자들에게도 일어났으며, 그들의 기계도 같은 행동을 보였습니다.그러나 연구 유형을 둘러싼 엄청난 비밀주의는, 같은 문제를 가지고 있는 것은 고사하고, 다른 그룹들도 연구하고 있다는 것을 인지하지 못했다는 것을 의미했습니다.[26]

많은 연구 끝에, 방출된 중성자들 중 일부는 플라즈마의 불안정성에 의해 생성된다는 것이 밝혀졌습니다.불안정에는 두 가지 일반적인 유형이 있었는데, 선형 기계에서 주로 볼 수 있는 소시지와 토로이드 기계에서 가장 흔한 꼬임이었습니다.[26]세 나라의 그룹은 모두 이러한 불안정성의 형성과 이를 해결하기 위한 잠재적인 방법을 연구하기 시작했습니다.[27]미국에서는 마틴 데이비드 크러스칼과 마틴 슈바르츠실트가, 소련에서는 샤프라노프가 이 분야에 중요한 기여를 했습니다.[28]

이러한 연구에서 나온 하나의 아이디어는 "안정화된 핀치"로 알려지게 되었습니다.이 개념은 챔버 외부에 추가 코일을 추가하여 핀치 방전 전에 플라즈마에 존재할 자기장을 생성했습니다.대부분의 개념에서, 외부에서 유도된 장은 상대적으로 약했고, 플라즈마는 반자성이기 때문에, 플라즈마의 외부 영역만을 관통했습니다.[26]핀치 방전이 발생하고 플라즈마가 빠르게 수축할 때, 이 필드는 생성된 필라멘트로 "동결"되어 외부 층에 강력한 필드가 생성됩니다.미국에서는 이것이 "플라즈마에 백본을 주는 것"으로 알려져 있었습니다.[29]

사하로프는 원래의 토로이드 개념을 재검토하여 플라즈마를 안정화하는 방법에 대해 약간 다른 결론에 도달했습니다.레이아웃은 안정화된 핀치 개념과 동일하지만 두 필드의 역할은 반대가 됩니다.안정화를 제공하는 약한 외부 유도 자기장과 구속을 담당하는 강력한 핀치 전류 대신, 새로운 레이아웃에서는 대부분의 구속을 제공하기 위해 외부 자기장이 훨씬 더 강력해지고 전류는 훨씬 더 작아져 안정화 효과를 담당하게 됩니다.[6]

기밀 해제를 위한 단계

1956년 4월 26일, 흐루쇼프(대략 중앙, 대머리), 쿠르차토프(오른쪽, 수염), 불가닌(오른쪽, 흰머리)이 하웰을 방문했습니다.발표자가 새로 개방된 DIDO 원자로에서 테스트 중인 다양한 물질의 모형을 가리키고 있는 동안 Cockcroft는 안경을 쓴 채로 그들의 맞은편에 서 있습니다.

1955년에 선형 접근 방식이 여전히 불안정한 상태에서 최초의 트로이달 장치가 소련에서 제작되었습니다. TMP는 같은 시대의 영국과 미국의 모델과 유사한 고전적인 핀치 머신이었습니다.진공 챔버는 세라믹으로 만들어 졌고, 방전의 스펙트럼에는 실리카가 나타나는데, 이는 플라즈마가 자기장에 의해 완벽하게 국한되지 않고 챔버의 벽에 부딪혔다는 것을 의미합니다.[6]구리 껍질을 사용한 두 대의 더 작은 기계가 그 뒤를 이었습니다.[7]전도성 포탄은 플라즈마를 안정화하는 데 도움을 주기 위한 것이었지만, 이를 시도한 어떤 기계에서도 완전히 성공하지는 못했습니다.[30]

1955년, 소련 내에서 핵융합 연구를 여는 것을 궁극적인 목표로 하는 소련 연구자들의 전 연합 회의를 소집했습니다.[31]1956년 4월, 쿠르차토프는 니키타 흐루쇼프와 니콜라이 불가닌의 널리 알려진 방문의 일환으로 영국을 방문했습니다.그는 구 RAF 하웰에 있는 원자력 연구소에서 강연을 하겠다고 제안했고, 그곳에서 소련의 핵융합 노력에 대한 상세한 역사적 개요를 발표함으로써 주최자들을 놀라게 했습니다.[32]그는 특히 초기 기계에서 볼 수 있는 중성자에 주목하고 중성자가 핵융합을 의미하는 것이 아니라고 경고했습니다.[33]

쿠르차토프에게는 알려지지 않았지만, 영국의 ZETA 안정화 핀치 머신은 이전 활주로의 맨 끝에 건설되고 있었습니다. ZETA는 지금까지 가장 크고 가장 강력한 핵융합 기계였습니다.ZETA는 안정화를 포함하도록 수정된 이전 설계에 대한 실험을 지원하여 낮은 수준의 융합 반응을 생성하고자 했습니다.이것은 분명히 큰 성공이었고, 1958년 1월, 그들은 중성자 방출과 플라즈마 온도 측정에 기초하여 ZETA에서 핵융합이 이루어졌다고 발표했습니다.[34]

비탈리 샤프라노프와 스타니슬라프 브라긴스키는 뉴스 보도를 조사하고 그것이 어떻게 작동하는지를 알아내려고 시도했습니다.그들이 고려했던 한 가지 가능성은 약한 "얼어버린" 밭을 사용하는 것이었지만, 그 밭들이 충분히 오래 지속되지 않을 것이라고 믿으면서 이를 거부했습니다.그리고 그들은 ZETA가 강력한 외부 분야와 함께 그들이 연구해온 장치와 본질적으로 동일하다는 결론을 내렸습니다.[32]

퍼스트 토카막스

이때쯤 소련 연구자들은 사하로프가 제시한 노선을 따라 더 큰 토로이드 기계를 만들기로 결정했습니다.특히 크러스칼과 샤프라노프의 연구에서 발견된 중요한 점 중 하나는 입자의 나선형 경로가 토러스의 장축을 순환하는 것보다 플라즈마의 둘레를 더 빠르게 순환하게 한다면 꼬임 불안정성은 강하게 억제될 것입니다.[27]

(분명히 말씀 드리자면,토러스를 감싸고 있는 코일의 전류는 토러스 내부에 토러스 자기장을 형성합니다. 토러스의 구멍을 통해 펄스 자기장이 토러스에 축 방향 전류를 유도하여 토러스를 둘러싼 폴로이드 자기장을 형성합니다. 또한 토러스 위와 아래에 전류 고리가 있어 추가적인 폴로이드 자석을 형성할 수도 있습니다.에틱 필드결합된 자기장은 토러스 내부에 나선형의 자기 구조를 형성합니다.)

오늘날 이 기본 개념은 안전 요소로 알려져 있습니다.입자가 장축을 공전하는 횟수와 단축을 비교한 횟수의 비율은 q로 표시되며, 크러스칼-샤프라노프 한계는 q > 1인 한 꼬임이 억제될 것이라고 언급했습니다.이 경로는 내부 전류에 의해 생성된 자기장에 비해 외부에서 유도된 자기장의 상대적인 세기에 의해 제어됩니다.q > 1을 가지려면 외부 자석이 훨씬 강력해야 합니다. 그렇지 않으면 내부 전류를 줄여야 합니다.[27]

이 기준에 따라, 오늘날 최초의 진짜 토카막으로 알려진 새로운 원자로인 T-1에 대한 설계가 시작되었습니다.[7]T-1은 ZETA와 같은 안정화된 핀치 머신에 비해 더 강한 외부 자기장과 감소된 전류를 모두 사용했습니다.T-1의 성공은 T-1이 최초의 토카막으로 인정받는 결과를 가져왔습니다.[2][35][36][37]1958년에 "열핵 공정에 필요한 비정상적으로 높은 온도를 얻기 위해 기체에서 강력한 충격 방출"에 대한 연구로 레닌상과 스탈린상을 수상했습니다.야블린스키는 더 큰 모델을 이미 준비하고 있었는데, 나중에 T-3로 만들어졌습니다.분명히 성공적인 ZETA 발표와 함께, Yavlinski의 컨셉은 매우 긍정적으로 여겨졌습니다.[32][38]

ZETA에 대한 자세한 내용은 1월 말 네이처지의 일련의 기사를 통해 공개되었습니다.놀랍게도, 이 시스템은 "겨울왕국" 필드 개념을 사용했습니다.[32]그는 회의적이었지만 세인트루이스에 있는 이오프 연구소의 한 팀이었습니다. 피터스버그는 알파라고 알려진 비슷한 기계를 만들 계획을 시작했습니다.불과 몇 달 후인 5월, ZETA팀은 그들이 핵융합에 성공하지 못했고, 플라즈마 온도의 잘못된 측정으로 오도되었다고 발표했습니다.[39]

T-1은 1958년 말에 운행을 시작했습니다.[40][d]그것은 방사선을 통해 매우 높은 에너지 손실을 보여주었습니다.이는 진공 시스템으로 인해 용기 재료에서 가스가 배출되어 플라즈마의 불순물이 발생한 것으로 추적되었습니다.이 문제에 대한 해결책을 모색하기 위해 또 다른 소형 장치인 T-2가 제작되었습니다.이것은 550°C(1,022°F)에서 구워진 주름진 금속의 내부 라이너를 사용하여 갇힌 가스를 요리했습니다.[40]

평화와 침체를 위한 원자들

1958년 9월 제네바에서 열린 평화를 위한 두 번째 원자 회의의 일환으로 소련 대표단은 그들의 핵융합 연구를 다룬 많은 논문을 발표했습니다.그 중에는 토로이드 기계에 대한 일련의 초기 결과가 포함되어 있었는데, 그 당시에는 아무런 주목할 점이 없었습니다.[41]

이 쇼의 "별"은 스피처의 별똥별의 대형 모델로, 소련의 관심을 즉시 끌었습니다.그들의 설계와는 대조적으로, 스텔라레이터는 축 전류를 생성하는 유도 시스템의 펄스가 아닌 정상 상태에서 작동할 수 있는 일련의 외부 코일(내부 자기장을 생성하는)을 사용하여 전류를 흐르지 않고 플라즈마에서 필요한 꼬인 경로를 생성했습니다.쿠르차토프는 야블린스키에게 그들의 T-3 디자인을 별점으로 바꾸라고 요구하기 시작했지만, 그들은 전류가 별점이 부족했던 난방에 유용한 두 번째 역할을 제공한다고 설득했습니다.[41]

그 쇼 당시에, 그 별똥별자리는 방금 해결되고 있던 일련의 사소한 문제들로 고통을 받았습니다.이를 해결한 결과 플라즈마의 확산 속도가 이론이 예측한 것보다 훨씬 빨랐음을 알 수 있었습니다.비슷한 문제들이 이런 저런 이유로 모든 현대 디자인에서 나타났습니다.미국과 소련의 스텔라레이터, 다양한 핀치 개념, 자기 거울 기계는 모두 감금 시간을 제한하는 문제를 보여주었습니다.[40]

통제된 핵융합에 대한 첫 번째 연구부터, 배경에 숨어있는 문제가 있었습니다.맨하탄 프로젝트 동안 데이비드 봄은 우라늄의 동위원소 분리를 연구하는 팀의 일원이었습니다.전후 시대에 그는 자기장 속에서 플라즈마 작업을 계속했습니다.기본 이론을 사용하면 플라즈마가 장의 세기의 제곱에 반비례하는 속도로 힘의 선을 넘어 확산될 것으로 예상할 수 있으며, 이는 힘의 작은 증가가 구속을 크게 향상시킨다는 것을 의미합니다.하지만 그들의 실험을 바탕으로, 봄은 현재 봄 확산으로 알려진 경험적 공식을 개발했는데, 이 공식은 속도가 그 제곱이 아니라 자기력과 선형임을 시사합니다.[42]

봄의 공식이 맞다면, 자기 구속에 기초한 핵융합로를 만들 수 있을 것이라는 희망은 없었습니다.융합에 필요한 온도로 플라즈마를 가두기 위해서는 자기장이 알려진 어떤 자석보다 몇 배 이상 커야 합니다.스피처는 봄과 고전적인 확산 속도의 차이를 플라즈마의 난류로 설명하고,[43] 항성의 안정된 장들이 이 문제를 겪지 않을 것이라고 믿었습니다.그 당시의 다양한 실험들은 봄율이 적용되지 않았고, 고전적인 공식이 정확하다는 것을 시사했습니다.[42]

그러나 1960년대 초, 다양한 디자인이 플라즈마를 놀라운 속도로 누출시키는 가운데 스피처 자신은 봄 스케일링이 플라즈마의 본질적인 특성이며 자기 구속은 효과가 없을 것이라고 결론지었습니다.[40]전 분야가 극심한 비관론의 시기인 [44]"불황"으로 알려지게 된 시기로 내려갔습니다.[6]

1960년대의 진보

다른 디자인과 대조적으로, 카막에 대한 실험은 잘 진행되고 있는 것처럼 보였고, 그래서 이제 사소한 이론적인 문제가 진짜 관심사가 되었습니다.중력이 존재할 때 플라스마에는 작은 압력 기울기가 존재하는데, 이전에는 무시할 수 있을 정도로 작았지만 지금은 해결해야 할 문제가 되고 있습니다.이로 인해 1962년에 또 다른 코일 세트가 추가되었으며, 이 코일은 이러한 효과를 상쇄하는 수직 자기장을 생성했습니다.이것들은 성공적이었고, 1960년대 중반까지 기계들은 봄 한계를 능가하는 징후들을 보이기 시작했습니다.[45]

1965년 영국에 새로 문을 연 컬햄 핵융합 에너지 센터에서 열린 핵융합에 관한 제2차 국제 원자력 기구 회의에서 아르시모비치는 그들의 시스템이 봄 한계를 10배 초과하고 있다고 보고했습니다.스피처는 발표 내용을 검토하면서 봄 한계가 여전히 적용될 수 있다고 제안했습니다. 결과는 항성계에서 관찰된 결과의 실험 오차 범위 내에 있었고 자기장을 기반으로 한 온도 측정은 단순히 신뢰할 수 없었습니다.[45]

다음 주요 국제 핵융합 회의는 1968년 8월 노보시비르스크에서 열렸습니다.1965년 TM-2, 1968년 T-4 등 2개의 토카막 디자인이 추가로 완성되었습니다.T-3의 결과는 계속해서 개선되었고, 새로운 원자로의 초기 시험에서도 비슷한 결과가 나왔습니다.이 회의에서 소련 대표단은 T-3가 1000 eV(섭씨 1000만도에 해당)의 전자 온도를 생성하고 있으며, 감금 시간은 봄 한계치의 최소 50배라고 발표했습니다.[46]

이러한 결과는 다른 기계의 최소 10배 이상이었습니다.만약 맞는다면, 그들은 핵융합 공동체의 거대한 도약을 의미합니다.스피처는 온도 측정이 여전히 플라즈마의 자기적 특성에서 나온 간접적인 계산에 기초하고 있다는 점에 주목하여 회의적인 태도를 유지했습니다.많은 사람들은 그것들이 폭주 전자로 알려진 효과 때문이라고 결론지었고, 소련은 벌크 온도가 아닌 극도로 에너지가 넘치는 전자들만을 측정하고 있었습니다.소련은 그들이 측정하고 있는 온도가 맥스웰리안이라는 주장을 몇 가지로 반박했고, 논쟁은 격렬했습니다.[47]

컬햄 파이브

제타의 여파로 영국 팀들은 보다 정확한 측정을 제공하기 위해 새로운 혈장 진단 도구의 개발을 시작했습니다.이 중에는 Thomson 산란을 이용하여 벌크 전자의 온도를 직접 측정하는 레이저의 사용이 있었습니다.이 기술은 핵융합계에서 잘 알려져 있고 존경받고 있습니다.[48] 아르시모비치는 이 기술을 공개적으로 "찬란한" 이라고 불렀습니다.아르시모비치는 쿨햄의 책임자인 바스 피스를 소련 원자로에 장치를 사용하도록 초대했습니다.냉전이 한창일 때, 아르시모비치의 주요한 정치적 책략으로 아직도 여겨지고 있는 가운데, 영국 물리학자들은 소련의 핵폭탄 노력의 핵심인 쿠르차토프 연구소를 방문할 수 있었습니다.[49]

"컬럼 파이브"라는 별명을 가진 영국팀은 1968년 늦게 도착했습니다.[50]오랜 설치 및 교정 과정을 거친 후, 연구팀은 여러 실험 실행 기간 동안 온도를 측정했습니다.최초의 결과는 1969년 8월에 나왔습니다; 소련은 정확했고, 그들의 결과는 정확했습니다.연구팀은 결과를 컬햄에게 집으로 전화를 걸었고 컬햄은 결과를 워싱턴으로 기밀 전화로 전달했습니다.[51]최종 결과는 1969년 11월 네이처에 발표되었습니다.[52]이 발표의 결과는 전 세계 토카막 건설의 "진정한 우르르 몰려드는" 것으로 묘사되었습니다.[53]

한 가지 심각한 문제가 남아 있었습니다.플라즈마의 전류는 핀치 머신(pinch machine)보다 훨씬 낮았고 압축이 훨씬 덜했기 때문에, 이것은 플라즈마의 온도가 전류의 저항 가열 속도로 제한된다는 것을 의미했습니다.1950년에 처음 제안된 스피처 저항률은 온도가 증가함에 따라 플라즈마의 전기 저항이 감소한다고 언급하였는데,[54] 이는 장치가 개선되고 온도가 더 높게 눌려짐에 따라 플라즈마의 가열 속도가 느려진다는 것을 의미합니다.계산 결과 q > 1 내에 머무르는 동안의 최대 온도는 수백만도로 제한됩니다.아르시모비치는 노보시비르스크에서 앞으로의 발전은 새로운 가열 방법을 개발해야 할 것이라고 재빨리 이 점을 지적했습니다.[55]

미국의 혼란

1968년 노보시비르스크 회의에 참석한 사람 중 한 명은 아마사 스톤 비숍으로 미국 핵융합 프로그램의 리더 중 한 명이었습니다.그 당시 봄 한계를 능가하는 명확한 증거를 보여주는 몇 안 되는 장치 중 하나가 다극성 개념이었습니다.로렌스 리버모어와 스피처의 항성계가 있는 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)는 다극자 설계에 여러 가지 변형을 만들고 있었습니다.T-3는 나름대로는 성공을 거두었지만, 어느 기계보다 성능이 뛰어났습니다.비숍은 다극이 중복되는 것을 우려했고 미국이 그들만의 토카막을 고려해야 한다고 생각했습니다.[56]

1968년 12월 회의에서 그가 이 문제를 제기했을 때 연구소 소장들은 이 문제를 고려하기를 거부했습니다.멜빈 B. 프린스턴의 고틀립은 "이 위원회가 과학자들을 능가할 수 있다고 생각하나요?"[57]라고 물으며 화를 냈습니다.주요 연구소들이 자체적으로 연구를 통제할 것을 요구하면서, 한 연구소는 자신들이 소외되어 있다는 것을 알게 되었습니다.오크리지는 원래 원자로 연료 공급 시스템을 위한 연구로 융합 분야에 진출했지만, 그들만의 거울 프로그램으로 확장되었습니다.1960년대 중반까지, 그들의 DCX 디자인은 아이디어가 바닥났고, 더 권위 있고 정치적으로 강력한 리버모어의 유사한 프로그램이 하지 못한 것을 아무것도 제공하지 않았습니다.이것은 그들을 새로운 개념에 매우 수용적이게 만들었습니다.[58]

허먼 포스마는 상당한 내부 논쟁 끝에 1969년 초 토카막을 고려하기 위해 작은 그룹을 만들었습니다.[58]그들은 후에 Ormak이라는 이름이 붙은 새로운 디자인을 생각해 냈는데, 그것은 몇 가지 새로운 특징을 가지고 있습니다.그 중에서도 가장 중요한 것은 토러스 아래의 대형 변압기에서 전력을 공급하는 하나의 큰 구리 블록에서 외부 필드가 생성되는 방식이었습니다.이것은 외부에 전류 권선을 사용하는 전통적인 디자인과 반대되는 것이었습니다.그들은 하나의 블록이 훨씬 더 균일한 필드를 만들어 낼 것이라고 느꼈습니다.그것은 또한 토러스가 더 작은 주요 반경을 가질 수 있도록 하고, 도넛 구멍을 통해 케이블을 전송할 필요가 없어 종횡비가 낮아질 수 있다는 장점이 있을 것이며, 이는 소련이 이미 제안한 더 나은 결과를 가져올 것입니다.[59]

미국 토카막 경주

1969년 초, 아르시모비치는 MIT를 방문했고, 그곳에서 핵융합에 관심이 있는 사람들에게 괴롭힘을 당했습니다.그는 마침내 4월에[55] 여러 강의를 하기로 동의했고 그리고 나서 긴 질의응답 시간을 허락했습니다.이런 일들이 계속되면서, MIT 자체도 토카막에 관심을 가지게 되었고, 이전에는 다양한 이유로 핵융합 분야에 참여하지 않았습니다.Bruno Coppi는 그 당시 MIT에 있었고, Postma의 팀과 같은 개념을 따라 자신만의 낮은 종횡비 개념인 Alcator를 고안했습니다.Alcator는 Ormak의 토로이달 변압기 대신 기존의 고리 모양의 자기장 코일을 사용했지만 기존의 설계보다 훨씬 작아야 했습니다.MIT의 Francis Bitter Magnet Laboratory는 자석 디자인의 세계적인 리더였고 그들은 그들이 자석을 만들 수 있다고 확신했습니다.[55]

1969년 동안, 두 그룹이 추가적으로 이 분야에 진출했습니다.제너럴 아토믹스에서 오카와 티히로는 다극 원자로를 개발해 왔으며, 이 아이디어를 바탕으로 한 개념을 제출했습니다.이것은 비원형 플라즈마 단면을 갖는 토카막이었습니다. 더 낮은 종횡비가 성능을 향상시킬 것이라는 것을 시사한 동일한 수학은 C 또는 D 모양의 플라즈마도 마찬가지라는 것을 암시했습니다.그는 이 새로운 디자인을 더블릿(Doublet)이라고 불렀습니다.[60]한편, 오스틴에 있는 텍사스 대학교의 한 그룹은 의도적으로 유도된 난류인 텍사스 난류 토카막을 통해 플라즈마를 가열하는 방법을 탐구하는 비교적 간단한 토카막을 제안했습니다.[61]

1969년 6월 원자력위원회 핵융합운영위원회 위원들이 다시 만났을 때 '우리 귀에서 나오는 토카막 제안'이 있었습니다.[61]토카막을 제안하지 않은 토로이드 설계를 연구하는 유일한 주요 연구소는 프린스턴이었는데, 프린스턴은 그들의 모델 C 항성이 그러한 변환에 거의 완벽함에도 불구하고 그것을 고려하기를 거부했습니다.그들은 C 모델을 개조해서는 안 되는 이유에 대한 긴 목록을 계속해서 제시했습니다.이에 의문이 제기되자 소련의 결과가 신뢰할 만하다는 격론이 벌어졌습니다.[61]

토론이 일어나는 것을 보면서 고틀립은 마음이 바뀌었습니다.소련의 전자 온도 측정이 정확하지 않으면 토카막을 앞으로 나아가는 것은 의미가 없었기 때문에, 그는 그들의 결과를 증명하거나 반증하는 계획을 세웠습니다.점심 시간 동안 수영장에서 수영을 하는 동안, 그는 해럴드 퍼스에게 자신의 계획을 말했고, 퍼스는 이에 대해 "글쎄요, 아마 당신이 맞을 거예요."라고 대답했습니다.[51] 점심 식사 후, 다양한 팀들은 자신들의 디자인을 발표했고, 이때 Gottlieb은 모델 C를 기반으로 한 "스텔라레이터 토카막"에 대한 자신의 아이디어를 발표했습니다.[51]

상무위원회는 이 시스템이 6개월 안에 완성될 수 있는 반면, Ormak은 1년이 걸릴 것이라고 언급했습니다.[51]얼마 후에야 컬햄 파이브의 기밀 결과가 공개됐습니다.그들이 10월에 다시 만났을 때, 상무위원회는 이 모든 제안들에 대한 자금을 공개했습니다.곧 Symmetrical Tokamak이라 명명된 모델 C의 새로운 구성은 단순히 소련의 결과를 검증하기 위한 것이었고, 다른 구성은 T-3를 훨씬 뛰어넘는 방법을 모색하기 위한 것이었습니다.[62]

난방:미국이 주도권을 잡습니다.

1975년 Princeton Large Torus의 머리 위 모습.PLT는 수많은 기록을 세웠고 융합에 필요한 온도가 가능함을 증명했습니다.

대칭형 토카막에 대한 실험은 1970년 5월에 시작되었고, 이듬해 초에 그들은 소련의 결과를 확인하고 그 결과를 능가했습니다.항성기는 버려졌고, PPPL은 상당한 전문 지식을 플라즈마를 가열하는 문제로 전환했습니다.두 가지 개념은 가능성이 있는 것처럼 보였습니다.PPPL은 따뜻한 플라즈마를 압축하여 온도를 높이는 핀치(pinch)와 같은 기술인 자기 압축을 사용하되 전류가 아닌 자석을 통해 압축을 제공하는 것을 제안했습니다.[63]오크리지는 중성 빔 주입, 즉 연료 원자를 주변 자기장을 통해 발사하여 플라즈마와 충돌하고 가열하는 작은 입자 가속기를 제안했습니다.[64]

1972년 5월 PPPL의 단열 토로이달 압축기(ATC)가 가동을 시작했고, 얼마 지나지 않아 중립빔이 장착된 Ormak이 가동되었습니다.두 가지 모두 상당한 문제점을 보여주었지만, PPPL은 빔 주입기를 ATC에 장착함으로써 Oak Ridge를 뛰어넘었고, 1973년에 성공적으로 가열되었다는 명백한 증거를 제공했습니다.이 성공은 워싱턴 운영위원회 내에서 지지를 얻지 못했던 오크리지를 "비켜버렸다".[65]

이때까지 빔 가열에 기초한 훨씬 더 큰 설계인 프린스턴 라지 토러스, 즉 PLT가 건설 중이었습니다. PLT는 "토카막 개념과 보조 가열이 미래의 융합 원자로의 기초를 형성할 수 있는지 명확한 표시를 제공"하기 위해 특별히 설계되었습니다.[66]PLT는 엄청난 성공을 거두었고, 1978년에 6천만 섭씨(8,000 eV, T-3의 기록의 8배)에 도달할 때까지 지속적으로 내부 온도를 높였습니다.이것은 토카막의 개발에서 중요한 점입니다; 융합 반응은 섭씨 5천만에서 1억 사이의 온도에서 자생하게 되며, PLT는 이것이 기술적으로 달성 가능하다는 것을 증명했습니다.[66]

이러한 실험들, 특히 PLT는 토카막 연구에서 미국을 훨씬 앞서 나가게 했습니다.이것은 주로 예산 때문입니다; 토카막은 약 500,000 달러의 비용이 들었고, 그 당시 미국의 연간 융합 예산은 약 2,500만 달러였습니다.[46]그들은 모든 유망한 가열 방법을 탐구할 여유가 있었고, 궁극적으로 가장 효과적인 중성 빔을 발견할 수 있었습니다.[67]

이 기간 동안 로버트 허쉬는 미국 원자력 위원회의 핵융합 개발 위원회를 맡았습니다.Hirsch는 이 프로그램이 가시적인 결과를 보여주지 않고서는 현재의 자금 수준에서 지속될 수 없다고 생각했습니다.그는 전체 프로그램을 재구성하기 시작했습니다.한때 대부분 과학적인 탐사를 위한 실험실 주도의 노력이 이제는 가동 중인 전력 생산용 원자로를 건설하려는 워싱턴 주도의 노력이었습니다.[67]이것은 1973년 석유 위기에 의해 촉진되었고, 이것은 대체 에너지 시스템에 대한 연구를 크게 증가시켰습니다.[68]

1980년대: 큰 희망, 큰 실망

1983년부터 운영 중인 토카막 최대 규모의 유럽공동토러스(JET)

1970년대 후반까지 토카막스는 실용적인 핵융합로에 필요한 모든 조건에 도달했습니다. 1978년 PLT는 점화 온도를 증명했고, 다음 해 소련의 T-7은 처음으로 초전도 자석을 성공적으로 사용했고,[69] 더블렛은 성공적임을 증명했고 이 "모양 플라즈마" 접근법을 채택한 거의 모든 미래 설계로 이어졌습니다.전력 생산용 원자로를 만드는 데 필요한 것은 이 모든 설계 개념을 연료 혼합물에 방사성 삼중수소를 넣고 작동할 수 있는 하나의 기계에 넣는 것이었습니다.[70]

경주는 계속되고 있었습니다.1970년대에는 전 세계적으로 4개의 주요 2세대 제안에 자금이 지원되었습니다.소련은 T-15를 개발하는 동안 T-15를 계속 개발했고,[69] 일본은 JT-60을 개발하기 시작했습니다.미국에서 Hirsch는 삼중수소 연소 설계에 직접적으로 다른 징검다리 설계에 대한 제안을 생략하고 유사한 설계에 대한 계획을 수립하기 시작했습니다.이것은 토카막 핵융합 실험로(TFTR)로 나타났고, 워싱턴에서 직접 작동하며 특정 실험실과 연결되지 않았습니다.[70]원래 오크리지를 호스트로 선호하던 허쉬는 다른 사람들이 그들이 잃을 것이 가장 많기 때문에 가장 열심히 할 것이라고 확신하자 PPPL로 옮겼습니다.[71]

그 흥분은 매우 광범위해서, 상업적인 토카막을 생산하기 위한 몇몇 상업적인 모험이 이 무렵에 시작되었습니다.이 중 가장 잘 알려진 것은 1978년, 펜트하우스 매거진의 발행인인 밥 구치오네는 로버트 부사드를 만나 세계에서 가장 크고 헌신적인 퓨전 기술의 개인 투자자가 되었고, 궁극적으로 부사드의 콤팩트 토카막에 2천만 달러의 자비를 투자했습니다.릭스 은행의 자금 지원으로 이러한 노력은 릭스 은행(Riggatron)으로 알려지게 되었습니다.[72]

TFTR은 건설 경쟁에서 승리하여 1982년에 운영을 시작했으며 곧이어 1983년 JET와 1985년 JT-60이 운영을 시작했습니다. JET는 테스트 가스에서 중수소로 이동하고 점점 더 강력해지는 "샷"으로 중요한 실험에서 빠르게 주도권을 잡았습니다.그러나 곧 새로운 시스템 중 어느 것도 기대했던 대로 작동하지 않는다는 것이 분명해졌습니다.여러 가지 새로운 불안정성과 함께 업무 수행에 계속 방해가 되는 몇 가지 현실적인 문제가 나타났습니다.여기에 TFTR과 JET 모두 플라즈마가 원자로 벽에 부딪히는 위험한 '여유'가 눈에 띄었습니다.완벽하게 작동할 때에도 핵융합 온도에서의 플라즈마 구속, 이른바 "융합 삼중 생성물"은 실용적인 원자로 설계에 필요한 수준에 훨씬 못 미쳤습니다.

1980년대 중반을 거치면서 이러한 문제들의 많은 이유들이 명확해졌고, 다양한 해결책들이 제시되었습니다.그러나 이는 기계의 크기와 복잡성을 크게 증가시킬 것입니다.이러한 변화를 반영한 후속 설계는 JET나 TFTR보다 막대한 비용과 막대한 비용이 소요될 것입니다.새로운 비관론의 시기가 핵융합 분야에 내려왔습니다.

이터

주요 기사 : ITER
2013년 착공해 2035년 본격 가동을 목표로 하는 세계 최대 규모의 토카막 국제열원자로(ITER) 절개도.그것은 실용적인 핵융합로가 가능하다는 것을 보여주기 위한 것으로 500 메가와트의 전력을 생산할 것입니다.밑에 파란 인간상이 스케일을 보여줍니다.

이러한 실험들이 문제점을 입증하는 동시에, 미국의 대규모 자금 지원을 위한 많은 추진력이 사라졌습니다. 1986년 로널드 레이건은 1970년대의 에너지 위기가 끝났다고 선언했고,[73] 1980년대 초에는 선진 에너지원에 대한 자금 지원이 삭감되었습니다.

국제 원자로 설계에 대한 일부 생각은 1973년 6월부터 INTOR, International TOkamak Reactor라는 이름으로 진행되어 왔습니다.이것은 원래 리차드 닉슨과 레오니드 브레즈네프 사이의 합의를 통해 시작되었지만, 1978년 11월 23일 첫 번째 실제 회담 이후 천천히 진행되어 왔습니다.[74]

1985년 11월 제네바 정상회담에서 레이건은 미하일 고르바초프에게 문제를 제기하고 조직 개혁을 제안했습니다.두 지도자는 통제된 열핵융합을 평화적 목적으로 활용하는 것을 목표로 하는 이 작업의 잠재적인 중요성을 강조했고, 이와 관련하여 본질적으로 무한정인 에너지 자원을 전 인류의 이익을 위해 얻을 수 있는 가장 광범위하고 실행 가능한 국제 협력의 발전을 지지했습니다."[75]

이듬해 미국과 소련, 유럽연합, 일본이 합의해 국제열핵실험로기구가 창설됐습니다.[76][77]

1988년 설계 작업이 시작되었으며, 그 이후로 ITER 원자로는 전 세계적으로 주요한 설계 작업이 되었습니다.

하이필드 토카막스

더 강한 필드 자석이 훨씬 더 작은 토카막에서 높은 에너지 이득을 가능하게 한다는 것은 오랫동안 알려져 왔습니다. 수십 년 전에 FIRE, IGNITOR 및 CIT(Compact Ignition Tokamak)와 같은 개념이 제안되었습니다.

2010년대 고온 초전도체(HTS)의 상용화로 소형 장치에서 ITER 수준의 에너지 이득을 달성하는 데 필요한 더 높은 필드 자석을 구축할 수 있는 유망한 경로가 열렸습니다.이 새로운 기술을 활용하기 위해, MIT 플라즈마 과학 및 핵융합 센터(PSFC)와 MIT 스핀아웃 커먼웰스 핵융합 시스템(CFS)는 2021년에 성공적으로 토로이드 필드 모델 코일(TFMC)을 제작하고 테스트하여 SPARC 제작에 필요한 20 테슬라 자기장을 입증했습니다.ITER와 유사한 융합 이득을 얻도록 설계된 장치이지만 ~1/40 ITER의 플라즈마 부피만 가질 수 있습니다.

영국의 스타트업 토카막 에너지도 구형 토카막 변형을 적용한 HTS 자석을 이용한 순에너지 토카막을 개발할 계획입니다.

설계.

토카막의 자기장
토카막 자기장과 전류.토로이드 장과 그것을 생성하는 코일(파란색), 그것에 의해 생성된 플라즈마 전류(빨간색)와 폴로이드 장, 그리고 이것들이 겹쳐졌을 때 생성된 꼬임장을 나타냅니다.

기본문제

핵융합 플라즈마에서 양전하를 띤 이온과 음전하를 띤 전자는 매우 높은 온도에 있으며, 그에 상응하여 큰 속도를 가지고 있습니다.핵융합 과정을 유지하기 위해서는 뜨거운 플라즈마의 입자가 중심부에 국한되지 않으면 플라즈마가 급격히 냉각됩니다.자기 구속 융합 장치는 자기장 안에 대전된 입자가 로렌츠 힘을 경험하고 자기장 선을 따라 나선형 경로를 따른다는 사실을 이용합니다.[78]

가장 간단한 자기 구속 시스템은 솔레노이드입니다.솔레노이드의 플라즈마는 중심을 따라 흐르는 자기장 선을 중심으로 회전하여 측면으로 이동하는 것을 방지합니다.그러나, 이것이 끝을 향하는 움직임을 막지는 못합니다.명백한 해결책은 솔레노이드를 원 모양으로 구부려 토러스를 형성하는 것입니다.그러나 그러한 배열은 균일하지 않음이 증명되었습니다. 순전히 기하학적인 이유로 토러스의 바깥쪽 가장자리의 필드는 안쪽 가장자리보다 낮습니다.이 비대칭성은 전자와 이온이 장을 가로질러 이동하게 하고, 결국 토러스의 벽에 부딪히게 합니다.[20]

해결책은 그들이 단순히 토러스 주위를 뛰어다니지 않고, 이발소 기둥이나 사탕수수의 줄무늬처럼 빙빙 돌도록 선들을 형성하는 것입니다.그러한 장에서 어떤 단일 입자도 바깥쪽 가장자리에 있는 자신을 발견할 것이고, 그것이 토러스를 중심으로 자기선을 따라가면 안쪽 가장자리에 있는 자신을 발견할 것이고, 그곳에서 다른 방향으로 표류할 것입니다.이 취소는 완벽하지는 않지만 계산에 따르면 연료가 유용한 시간 동안 원자로에 남아 있을 수 있는 양으로 충분했습니다.[78]

토카막 용액

필요한 비틀림으로 설계를 만드는 두 가지 첫 번째 해결책은 전체 토러스를 비틀어 기계적 배열을 통해 수행하는 스텔라레이터와 플라즈마를 통해 전류를 흘려 같은 끝으로 두 번째 자기장을 만드는 z-pinch 설계였습니다.둘 다 단순한 토러스에 비해 감금 시간이 향상되었음을 보여주었지만, 둘 다 플라즈마가 원자로에서 지속 가능하지 않은 속도로 손실되는 다양한 효과를 보여주었습니다.

토카막은 물리적 레이아웃에서 z-pinch 개념과 본질적으로 동일합니다.[79]이 회사의 핵심 혁신은 핀치가 플라즈마를 잃게 만드는 불안정성을 제어할 수 있다는 것을 깨달은 것입니다.문제는 장축 토러스 주위의 궤도당 한 번 이상 입자를 안팎으로 통과시키는 필드가 비틀림이 적은 장치보다 훨씬 안정적이었다는 것입니다.궤도에 대한 이 비틀림 비율은 q로 표시되는 안전 계수로 알려지게 되었습니다. 이전의 장치들은 q에서 작동했습니다.1 ⁄ 3, 토카막은 q ≫ 1에서 작동합니다.이렇게 하면 안정성이 크기에 따라 높아집니다.

문제가 훨씬 더 면밀하게 고려될 때, 자기장의 수직(회전축과 평행) 성분에 대한 필요성이 발생합니다.수직장에서 토로이드 플라즈마 전류의 로렌츠 힘은 플라즈마 토러스를 평형 상태로 유지하는 안쪽 힘을 제공합니다.

기타이슈

토카막은 전체적인 의미에서 플라즈마 안정성의 문제를 다루지만, 플라즈마는 또한 많은 동적 불안정의 영향을 받습니다.이 중 하나인 꼬임 불안정성은 토카막의 높은 안전성 요인의 부작용인 토카막 레이아웃에 의해 강하게 억제됩니다.변곡점이 없었기 때문에 토카막은 이전의 기계보다 훨씬 높은 온도에서 작동할 수 있었고, 이것은 많은 새로운 현상들이 나타나게 했습니다.

이들 중 하나인 바나나 궤도는 토카막의 넓은 범위의 입자 에너지에 의해 발생합니다. 연료의 대부분은 뜨겁지만 일정 비율은 훨씬 더 시원합니다.토카막에 있는 들판들의 높은 꼬임 때문에, 그들의 힘의 선들을 따라가는 입자들은 안쪽 가장자리를 향해 빠르게 이동하고 그리고 나서 바깥쪽으로 이동합니다.안쪽으로 이동하면 자기장을 집중시키는 반지름이 작아져 자기장이 증가할 수 있습니다.연료의 저에너지 입자는 이 증가하는 장을 반사하여 연료를 통해 역주행하기 시작하여 고에너지 핵과 충돌하여 플라즈마 밖으로 흩어지게 됩니다.이 과정은 연료가 원자로에서 손실되는 원인이 됩니다. 하지만 이 과정은 충분히 느려서 실용적인 원자로가 아직 충분히 도달할 수 있습니다.[80]

손익분기점, Q, 점화

모든 제어된 핵융합 장치의 첫 번째 목표 중 하나는 핵융합 반응에 의해 방출되는 에너지가 반응을 유지하는 데 사용되는 에너지의 양과 동일한 지점인 손익분기점에 도달하는 것입니다.출력과 입력 에너지의 비율은 Q로 표시되며 손익분기점은 1의 Q에 해당합니다.원자로가 순에너지를 생성하기 위해서는 1 이상의 Q가 필요하지만 실제적인 이유로 훨씬 높은 것이 바람직합니다.

일단 손익분기점에 도달하면, 구속의 추가적인 개선은 일반적으로 Q를 빠르게 증가시킵니다.그것은 가장 일반적인 핵융합 연료인 중수소와 삼중수소의 50-50 혼합물이 알파 입자의 형태를 띠고 있기 때문입니다.이것들은 플라즈마에 있는 연료핵과 충돌하여 가열할 수 있고, 필요한 외부 열의 양을 줄일 수 있습니다.점화라고 알려진 어떤 시점에서 이 내부 자기 가열은 무한 Q에 해당하는 외부 가열 없이 반응을 계속 유지하기에 충분합니다.

토카막의 경우 알파 입자가 연료와 충돌할 것을 보장할 수 있을 정도로 연료에 오래 남아 있으면 이러한 자체 가열 과정이 최대화됩니다.알파는 전기적으로 충전되어 있기 때문에 연료 플라즈마를 구속하고 있는 것과 동일한 필드에 영향을 받습니다.그들이 연료 속에서 보내는 시간은 그들의 궤도가 플라즈마 안에 남아있도록 함으로써 극대화될 수 있습니다.플라즈마의 전류가 약 3MA일 때 이러한 현상이 발생함을 증명할 수 있습니다.[81]

고급 토카막스

1970년대 초, 미래의 토카막 설계에서 고출력 초전도 자석의 사용에 대한 프린스턴의 연구는 자석의 배치를 조사했습니다.그들은 주 토로이달 코일의 배열이 더 가까이 있는 곡률 안쪽의 자석 사이에 훨씬 더 많은 장력이 있다는 것을 의미한다는 것을 알아차렸습니다.이를 고려하면, 그들은 만약 그것들이 O형이 아닌 D형으로 만들어지면 자석 안의 장력이 균일해질 것이라고 언급했습니다.이것은 "프린스턴 D 코일"로 알려지게 되었습니다.[82]

이런 종류의 안배가 고려된 것은 이번이 처음은 아니었습니다, 이유는 완전히 달랐지만요.안전 계수는 기계의 축에 따라 다릅니다. 순전히 기하학적인 이유로 기계의 중심에 가장 가까운 플라즈마의 안쪽 가장자리에서 항상 작습니다. 긴 축이 더 짧기 때문입니다.즉, 평균 q = 2인 기계가 특정 영역에서는 여전히 1보다 작을 수 있습니다.1970년대에, 이것을 방지하고 더 높은 평균 q로 설계를 만드는 한 가지 방법은 플라즈마가 일반적인 원형 단면 대신에 끝에서 보았을 때 D 또는 C 모양인 토러스의 바깥쪽 반만 채우도록 자기장을 형성하는 것이라고 제안되었습니다.

1973년 설계 작업을 시작한 JET는 D 모양의 플라즈마를 포함한 최초의 기계 중 하나였습니다.이러한 결정은 이론적인 이유뿐만 아니라 실제적인 이유로 내려졌습니다. 토러스의 안쪽 가장자리에서 힘이 더 크기 때문에 전체 원자로를 안쪽으로 누르는 큰 알짜 힘이 있습니다.D자는 그물힘을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 지지된 안쪽 가장자리를 평평하게 만들어 지지하기 쉽다는 장점도 있었습니다.[83]일반적인 레이아웃을 탐색하는 코드는 원형이 아닌 모양이 천천히 수직으로 표류한다는 것을 알아차렸고, 이로 인해 중앙에 고정하기 위한 능동적 피드백 시스템이 추가되었습니다.[84]JET가 이 배치를 선택한 후, General Atomics Doublet III 팀은 그 기계를 D-IIID로 재설계했고, 일본 JT-60 디자인에도 선정되었습니다.이 배치는 그 이후로 보편적으로 사용되었습니다.

모든 핵융합로에서 볼 수 있는 한 가지 문제는 무거운 원소의 존재가 에너지를 증가된 속도로 손실시켜 플라즈마를 냉각시킨다는 것입니다.핵융합력의 가장 초기의 개발 동안, 이 문제에 대한 해결책이 발견되었는데, 그것은 본질적으로 더 무거운 요소들을 원자로 밖으로 내던지게 하는 큰 질량 분석기인 방향전환기입니다.이것은 처음에는 자기 권선에 쉽게 통합될 수 있는 스텔라레이터 설계의 일부였습니다.하지만 토카막의 방향전환기를 설계하는 것은 매우 어려운 설계 문제임이 증명되었습니다.

모든 융합 설계에서 볼 수 있는 또 다른 문제는 플라즈마가 가둠 용기의 벽에 가하는 열부하입니다.이 부하를 처리할 수 있는 재료가 있지만 일반적으로 바람직하지 않고 값비싼 중금속입니다.그러한 물질들이 뜨거운 이온들과 충돌하면서 스퍼터링되면, 그 물질들의 원자들은 연료와 섞이고 빠르게 냉각됩니다.대부분의 토카막 디자인에 사용되는 해결책은 플라즈마가 벽에 부딪히기 전에 챔버에 투사되는 가벼운 금속의 작은 고리인 리미터입니다.이것은 리미터를 침식시키고 그것의 원자가 연료와 섞이게 만들었지만, 이러한 가벼운 물질들은 벽 물질들보다 더 적은 방해를 일으킵니다.

원자로가 D 모양의 플라스마로 이동했을 때 플라스마의 빠져나가는 입자 플럭스도 형성될 수 있다는 것을 빠르게 알 수 있었습니다.시간이 지남에 따라, 이것은 연료로부터, 일반적으로 원자로의 바닥을 향해 더 무거운 요소들을 날려보내는 내부 방향전환기를 만들기 위해 이 필드들을 사용하는 아이디어로 이어졌습니다.거기서 액체 리튬 금속 풀은 일종의 리미터로 사용됩니다. 입자는 리튬에 부딪혀 빠르게 냉각되어 리튬에 남아 있습니다.이 내부 풀은 위치 때문에 냉각하기가 훨씬 쉽고, 일부 리튬 원자가 플라즈마로 방출되지만 질량이 매우 낮아 이전에 사용된 가장 가벼운 금속보다도 훨씬 작은 문제입니다.

기계들이 이 새로운 모양의 플라즈마를 탐구하기 시작하면서, 그들은 필드와 플라즈마 매개 변수의 특정 배열이 때때로 더 높은 온도와 압력에서 안정적으로 작동하는 현재의 높은 구속 모드, 즉 H-모드로 들어가는 것을 알아차렸습니다.항성계에서도 볼 수 있는 H-모드로 작동하는 것은 이제 토카막 설계의 주요 설계 목표가 되었습니다.

마지막으로, 플라즈마가 불균일한 밀도를 가질 경우 내부 전류를 발생시킬 수 있다는 것을 알 수 있었습니다.이를 부트스트랩 전류라고 합니다.이를 통해 적절히 설계된 반응기를 통해 외부 소스로부터 자기장 선을 공급할 필요 없이 자기장 선을 꼬는 데 필요한 일부 내부 전류를 생성할 수 있습니다.이것은 많은 장점을 가지고 있으며, 현대적인 디자인은 모두 부트스트랩 과정을 통해 가능한 한 많은 총 전류를 생성하려고 합니다.

1990년대 초, 이러한 특징들과 다른 것들의 결합은 "고급 토카막" 개념을 만들어 냈습니다.이는 ITER을 포함한 현대 연구의 기초를 형성합니다.

플라즈마 장애

토카막스는 밀리초 안에 감금을 잃게 하는 "교란"으로 알려진 사건의 대상이 됩니다.두 가지 주요 메커니즘이 있습니다.하나의 "수직 변위 이벤트"(VDE)에서, 전체 플라즈마는 진공 챔버의 상부 또는 하부 섹션에 닿을 때까지 수직으로 이동합니다.다른 하나는, 긴 파장의 비축대칭 자기 유체역학적 불안정으로 인해 플라즈마가 비대칭 모양으로 강요되고, 종종 챔버의 위와 아래에 압착됩니다.[85]

플라즈마가 혈관 벽에 닿으면 급속 냉각 또는 "열적 퀀칭"을 수행합니다.주요 중단의 경우, 이는 일반적으로 플라즈마가 농축됨에 따라 플라즈마 전류가 잠깐 증가합니다.퀀칭은 궁극적으로 플라즈마 구속을 분해하게 합니다.중대한 중단이 발생하면 전류가 다시 강하합니다. "전류 소광"입니다.VDE에서는 전류의 초기 증가가 나타나지 않고 열과 전류 소광이 동시에 발생합니다.[85]두 경우 모두 플라즈마의 열부하와 전기부하는 원자로 용기에 빠르게 축적되는데, 원자로 용기는 이러한 부하를 처리할 수 있어야 합니다.ITER는 평생에 걸쳐 2600개의 이벤트를 처리할 수 있도록 설계되었습니다.[86]

ITER에서 플라즈마 전류가 15메가암페어 수준인 현대의 고에너지 장치의 경우, 중대한 장애가 발생하는 동안 전류의 짧은 증가가 임계 임계값을 초과할 가능성이 있습니다.이것은 전류가 플라즈마 내의 입자들 사이의 충돌의 마찰력보다 더 높은 전자에 힘을 줄 때 발생합니다.이 경우 전자는 상대론적 속도로 빠르게 가속되어 상대론적 폭주 전자 눈사태에서 이른바 "도주 전자"를 생성할 수 있습니다.이들은 플라즈마의 대부분에서 전류 퀀치가 발생하더라도 에너지를 유지합니다.[86]

구속이 최종적으로 파괴되면, 이 폭주 전자들은 저항이 가장 적은 경로를 따라 원자로 측면에 충격을 줍니다.이러한 전류는 작은 면적에 12메가암페어의 전류를 저장할 수 있으며, 이는 어떤 기계적 솔루션의 능력을 훨씬 넘어서는 것입니다.[85]한 유명한 사례에서, Tokamak de Fontenay aux Roses는 도망친 전자들이 진공 챔버를 통해 구멍을 태우는 큰 혼란을 겪었습니다.[86]

토카막스 달리기에서 발생하는 주요 장애의 발생은 항상 다소 높았는데, 총 샷 수의 몇 퍼센트 정도였습니다.현재 운영되고 있는 토카막스에서는 피해가 큰 경우가 많지만 극적인 경우는 거의 없습니다.ITER to camak에서는 제한된 수의 중대한 장애가 발생하면 장치를 복구할 가능성이 없는 챔버가 결정적으로 손상될 것으로 예상됩니다.[87][88][89]폭주 전자의 영향에 대응하기 위한 시스템의 개발은 운영 수준 ITER을 위해 반드시 필요한 기술로 여겨집니다.[86]

중앙 전류 밀도의 진폭이 클 경우 내부적인 장애, 또는 톱니가 발생할 수 있으며 일반적으로 방전이 종료되지 않습니다.[90]

플라즈마 가열

작동 중인 핵융합로에서, 생성된 에너지의 일부는 신선한 중수소와 삼중수소가 도입될 때 플라즈마 온도를 유지하는 역할을 할 것입니다.그러나 원자로를 초기에 또는 일시적으로 정지한 후에 플라즈마를 작동 온도가 10 keV(섭씨 1억도 이상) 이상이 되도록 가열해야 합니다.전류 토카막(및 기타) 자기 융합 실험에서는 플라즈마 온도를 유지하기 위한 충분한 융합 에너지가 생성되지 않으며, 일정한 외부 가열을 공급해야 합니다.중국 연구진은 EAST에서 실시한 최근 실험(2018년 11월 실시한 실험)에 따르면 수소 원자 간 융합을 시작하는 데 필요한 1억도의 섭씨 플라즈마(태양은 섭씨 1500만도 온도)를 지탱하는 것으로 추정되는 실험용 첨단 초전도 토카막(EAST)을 2006년에 세웠습니다.

오믹 가열 ~ 유도 모드

플라즈마는 전기 도체이기 때문에 플라즈마를 통해 전류를 유도하여 가열하는 것이 가능합니다. 대부분의 폴로이드 장을 제공하는 유도 전류 또한 초기 가열의 주요 공급원입니다.

유도 전류에 의한 가열을 오믹(또는 저항성) 가열이라고 합니다. 이는 전구 또는 전기 히터에서 발생하는 것과 같은 종류의 가열입니다.발생하는 열은 플라즈마의 저항과 플라즈마를 통과하는 전류의 양에 따라 달라집니다.그러나 가열된 플라즈마의 온도가 올라가면 저항이 감소하여 오믹 가열의 효과가 떨어지게 됩니다.토카막에서 오믹 가열로 도달할 수 있는 플라즈마 온도는 섭씨 2천만-3천만도인 것으로 보입니다.더 높은 온도를 얻으려면 추가 가열 방법을 사용해야 합니다.

전류는 플라즈마 토러스와 연결된 전자기 권선을 통해 전류를 지속적으로 증가시킴으로써 유도됩니다. 플라즈마는 변압기의 2차 권선으로 볼 수 있습니다.이는 1차 펄스를 통과하는 전류에 제한이 있기 때문에 본질적으로 펄스 프로세스입니다(긴 펄스에도 다른 제한이 있음).따라서 토카막스는 짧은 시간 동안 작동하거나 다른 난방 수단과 전류 구동에 의존해야 합니다.

자기압축

가스는 갑작스런 압축에 의해서 가열될 수 있습니다.마찬가지로, 플라즈마가 구속 자기장을 증가시킴으로써 빠르게 압축되면 플라즈마의 온도가 증가합니다.토카막에서, 이 압축은 플라즈마를 더 높은 자기장의 영역(즉, 방사상 안쪽)으로 이동시킴으로써 간단히 달성됩니다.플라즈마 압축은 이온들을 더 가깝게 만들기 때문에, 이 공정은 핵융합 반응기에 필요한 밀도를 쉽게 달성할 수 있는 추가적인 이점을 갖습니다.

자기 압축은 초기 "토카막 우르르 몰려드는" 시기의 연구 분야였으며, 주요 설계 중 하나인 ATC의 목적이었습니다.이 개념은 그 이후로 널리 사용되지는 않았지만, 다소 유사한 개념이 General Fusion 디자인의 일부입니다.

중성보 주입

참고 항목:중성빔주입

중성 빔 주입은 고에너지(급속하게 움직이는) 원자 또는 분자를 토카막 내의 옴적으로 가열되고 자기적으로 제한된 플라즈마에 도입하는 것을 포함합니다.

높은 에너지 원자는 고전압 그리드 세트를 통해 추출되기 전에 아크 챔버에서 이온으로 발생합니다."이온 소스"라는 용어는 일반적으로 전자 방출 필라멘트들의 세트, 아크 챔버 부피, 및 추출 그리드들의 세트로 이루어진 조립체를 의미합니다.개념이 유사한 두 번째 장치는 전자를 동일한 에너지로 분리하여 가속하는 데 사용됩니다.전자의 질량이 훨씬 더 가벼워서 이 장치는 이온의 상대 장치보다 훨씬 더 작습니다.그러면 두 개의 빔이 교차하고, 이온과 전자가 중성 원자로 재결합하여 자기장을 통과할 수 있게 됩니다.

중성 빔이 토카막에 들어가면 주요 플라즈마 이온과의 상호작용이 발생합니다.이것은 두 가지 효과가 있습니다.하나는 주입된 원자들이 재이온화되어 전하를 띠게 되고, 이로 인해 원자로 내부에 갇히게 되어 연료량이 증가하게 됩니다.다른 하나는 나머지 연료와의 충돌을 통해 이온화되는 과정이 발생하고, 이러한 충돌은 해당 연료에 에너지를 축적시켜 가열한다는 것입니다.

이러한 형태의 가열은 오믹 방식과는 달리 고유 에너지(온도) 제한이 없지만, 그 속도는 인젝터의 전류로 제한됩니다.이온 소스 추출 전압은 일반적으로 50-100 kV 수준이며, ITER를 위해 고전압, 음이온 소스(-1 MV)가 개발되고 있습니다.파도바에 있는 ITER 중립 빔 시험 시설은 ITER 시설 중 처음으로 가동을 시작하게 됩니다.[91]

중성 빔 주입은 주로 플라즈마 가열에 사용되지만, 진단 도구로 사용할 수 있으며 짧은 2~10ms 빔 블립으로 구성된 펄스 빔을 만들어 피드백 제어에 사용할 수도 있습니다.중수소는 중성 빔 가열 시스템의 주요 연료이며 수소와 헬륨은 때때로 선택된 실험에 사용됩니다.

무선 주파수 가열

Tokamak à Configuration Variable (TCV) 상의 전자 사이클로트론파에 의한 플라즈마 가열을 위한 극초주파 튜브 (84 GHz 및 118 GHz) 세트SPC-EPFL 제공.
참고 항목: 무선 주파수 가열 및 유전체 가열

고주파 전자기파는 토러스 외부의 오실레이터(종종 자이로트론 또는 클라이스트론)에 의해 생성됩니다.만약 파동이 정확한 주파수(또는 파장)와 편광을 가지면, 그들의 에너지는 플라즈마 내의 대전된 입자로 전달될 수 있고, 이것은 다시 다른 플라즈마 입자와 충돌하여 벌크 플라즈마의 온도를 증가시킵니다.전자 사이클로트론 공명 가열(ECRH) 및 이온 사이클로트론 공명 가열(ion cyclotron resonance heating)을 포함하는 다양한 기술들이 존재합니다.이 에너지는 보통 마이크로파에 의해 전달됩니다.

입자재고

토카막의 진공 챔버 내의 플라즈마 방전은 에너지가 공급된 이온과 원자로 구성되며 이러한 입자의 에너지는 방사선, 충돌, 또는 구속 부족을 통해 챔버 내벽에 도달합니다.챔버의 내부 벽은 수냉식이며 벽을 통해 물로 전도되고 외부 냉각 시스템으로 가열된 물을 대류시켜 입자의 열을 제거합니다.

터보 분자 또는 확산 펌프는 입자를 벌크 부피에서 배출할 수 있도록 하고 액체 헬륨 냉각 표면으로 구성된 극저온 펌프는 응축이 발생할 수 있도록 에너지 싱크를 제공함으로써 방전 전반에 걸쳐 밀도를 효과적으로 제어하는 역할을 합니다.정확하게 이루어지면, 핵융합 반응은 많은 양의 고에너지 중성자를 생성합니다.중성자는 전기적으로 중성이고 상대적으로 작기 때문에 자기장의 영향을 받지 않으며 주변 진공 챔버에 의해 많이 정지되지도 않습니다.

토카막을 모든 방향으로 둘러싸고 있는 목적에 따라 만들어진 중성자 실드 경계에서 중성자 플럭스가 크게 감소합니다.실드 물질은 다양하지만 일반적으로 중성자 크기에 가까운 원자로 구성된 물질입니다. 왜냐하면 이 물질들은 중성자와 그 에너지를 가장 잘 흡수하기 때문입니다.좋은 후보 물질에는 물과 플라스틱과 같은 수소가 많은 물질이 포함됩니다.붕소 원자는 중성자의 좋은 흡수체이기도 합니다.따라서 붕소가 도핑된 콘크리트와 폴리에틸렌은 저렴한 중성자 차폐재를 만듭니다.

자유 상태가 되면 중성자는 에너지 방출과 함께 양성자와 전자로 붕괴되기 전에 약 10분 정도의 비교적 짧은 반감기를 갖게 됩니다.토카막 기반 원자로에서 실제로 전기를 만들 때가 되면, 핵융합 과정에서 생성된 중성자 중 일부는 액체 금속 블랭킷에 흡수되고 그들의 운동 에너지는 열 전달 과정에서 사용되어 궁극적으로 발전기를 돌게 됩니다.

실험용 토카막스

참고 항목:핵융합 실험 § 토카막

현재운영중

(작업 시작 순서에 따라 시간 순서에 따라)

토카막 à 구성 변수
NSTX 원자로 외부 전경

기운영

1982-1983년 MIT 플라즈마 과학 및 핵융합 센터의 알카토르 C 토카막 제어실.

계획된

현재 건설 중인 ITER는 단연코 토카막 중 가장 큰 규모가 될 것입니다.

참고 항목

메모들

  1. ^ 샤프라노프는 1958년 이후에도 이 용어가 사용되었다고 말합니다.[6]
  2. ^ D-T 융합은 훨씬 더 낮은 에너지에서 발생하지만, 삼중수소는 당시 알려지지 않았습니다.그들의 연구는 삼중수소를 만들었지만, 그것의 존재를 증명하기 위해 화학적으로 분리하지는 않았습니다.1939년 루이스 알바레즈와 로버트 코녹이 공연했습니다.[10]
  3. ^ 라브렌티예프가 설명한 시스템은 현재 퓨저로 알려진 개념과 매우 유사합니다.
  4. ^ 비록 한 자료에 "1957년 후반"이라고 적혀 있지만요.[7]

참고문헌

인용문

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서지학

외부 링크

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