토카막
1. 개요
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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
2.1. 구조
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
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
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
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
- 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.