물리학자들은 전문가들을 난처하게 만든 이상한 핵융합 미스터리를 풀었습니다.

입자가 전환기에 도달하면 금속판에 부딪혀 냉각되고 반동합니다. (돌아오는 원자는 핵융합 반응을 촉진하는 데 도움이 됩니다.) 그러나 실험에서는 예상치 못한 불균형이 일관되게 드러났습니다. 훨씬 더 많은 입자가 외부 전환기 타겟보다 내부 전환기 타겟에 충돌합니다.

이러한 고르지 못한 분포는 단순한 호기심 그 이상입니다. 이는 미래의 핵융합로에 중요한 영향을 미칩니다. 엔지니어는 극심한 열과 스트레스를 견딜 수 있는 전환기를 설계하기 위해 입자가 어디에 착륙할지 정확히 알아야 합니다. 지금까지 주요 설명은 전환기 내에서 자기장 선을 가로질러 입자가 옆으로 이동하는 방식을 설명하는 교차장 드리프트에 중점을 두었습니다. 그러나 이 효과만 포함하는 시뮬레이션은 실험에서 보여준 내용을 재현하지 못하여 모델이 원자로 설계를 안정적으로 안내할 수 있는지에 대한 의구심을 불러일으켰습니다.

플라즈마 회전이 누락된 요소로 나타남

새로운 연구를 통해 퍼즐의 핵심 조각이 밝혀졌습니다. 과학자들은 토카막 주위를 도는 플라즈마의 움직임인 토로이달 회전이 입자가 배기 시스템에서 궁극적으로 끝나는 위치에 큰 영향을 미친다는 것을 발견했습니다.

연구원들은 SOLPS-ITER 모델링 코드를 사용하여 다양한 조건에서 입자 동작을 시뮬레이션했습니다. 그들의 결과는 다음과 같이 출판되었습니다. 실제 검토 편지크로스 필드 드리프트와 함께 플라즈마 회전이 포함될 때 시뮬레이션이 실제 측정과 일치한다는 것을 보여주었습니다. 모델과 실험 간의 이러한 정렬은 실험실 외부에서 안정적으로 작동할 수 있는 융합 시스템을 설계하는 데 필수적입니다.

미국 에너지부(DOE) 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)의 부연구 물리학자이자 이번 연구의 주요 저자인 Eric Emdee는 “플라즈마에는 두 가지 구성 요소가 흐릅니다.”라고 말했습니다. “입자가 자기장 선을 가로질러 옆으로 표류하는 교차장 흐름과 그 선을 따라 이동하는 평행 흐름이 있습니다. 많은 사람들이 교차장 흐름이 비대칭을 생성했다고 말했습니다. 이 논문에서 보여주는 것은 회전하는 코어에 의해 구동되는 평행 흐름도 그만큼 중요하다는 것입니다.”

시뮬레이션이 마침내 현실과 일치함

아이디어를 테스트하기 위해 팀은 캘리포니아의 DIII-D 토카막에서 플라즈마 동작을 모델링했습니다. 그들은 크로스 필드 드리프트와 플라즈마 회전을 켜거나 끄는 네 가지 시나리오를 실행했습니다. 결과는 분명했습니다. 하나의 중요한 요소, 즉 초당 88.4km의 측정된 코어 회전 속도가 추가될 때까지 어떤 시뮬레이션도 실험 데이터와 일치하지 않았습니다.

두 효과가 모두 포함되면 모델은 실제 실험에서 볼 수 있는 고르지 않은 입자 분포를 밀접하게 재현했습니다. 측면 드리프트와 회전의 결합된 영향은 두 요소 자체보다 훨씬 더 강한 것으로 입증되었습니다.

실제 조건에 맞는 융합 시스템 설계

이번 발견은 회전하는 플라즈마 코어와 시스템 가장자리의 입자 거동 사이의 중요한 연관성을 강조합니다. 이 관계를 정확하게 포착하는 것은 미래 원자로에서 배기 입자가 어떻게 움직이는지 예측하는 데 필수적입니다.

더 나은 예측은 더 나은 엔지니어링을 의미합니다. 열과 입자가 집중되는 위치를 보다 명확하게 이해함으로써 설계자는 보다 탄력적이고 실제 작동 조건에 더 적합한 전환기를 구축할 수 있습니다.

연구팀에는 Emdee 외에도 PPPL의 Laszlo Horvath, Alessandro Bortolon, George Wilkie 및 Shaun Haskey가 포함되었습니다. MIT의 Raúl Gerrú Migueláñez; 노스캐롤라이나 주립대학교의 플로리안 라그너(Florian Laggner)도 있습니다.

이 작업은 DE-AC02-09CH11466, DE-FC02-04ER54698, DE-SC0024523, DE-SC0014264 및 DE-SC0019130에 따라 DOE Office of Science 사용자 시설인 DIII-D National Fusion Facility를 사용하여 DOE의 핵융합 에너지 과학 사무실에서 지원되었습니다.