다음과 같은 기계의 경우 별을 복제하도록 설계된 세계 최신형 별탐색기는 놀라울 정도로 초라해 보이는 장치입니다. 주방 테이블 크기의 장치는 콘크리트 블록 방의 벽돌 더미 위에 놓여 있습니다. 프린스턴 플라즈마 물리학 연구실 (PPPL)(뉴저지 주 프린스턴), 해당 부품에 마커로 손으로 라벨을 붙였습니다.
PPPL 팀은 주로 기성 부품을 사용하여 작년에 완성된 이 핵융합 원자로를 발명했습니다. 그 핵심은 꼼꼼하게 배치된 영구 희토류 자석 9,920개를 고정하는 3D 프린팅 나일론 껍질로 둘러싸인 유리 진공 챔버입니다. 거대한 파인애플 조각과 유사한 16개의 구리 코일 전자석이 껍질을 십자형으로 감쌉니다.
자석의 배열은 스텔라레이터의 특징을 정의합니다. 즉, 대전 입자를 나선 경로를 따라 유도하여 과열된 플라즈마를 가두는 완전히 외부 자기장입니다. 이 불가사의한 물질의 네 번째 상태에서는 전자가 제거된 원자가 충돌하고, 태양과 다른 별에 동력을 공급하는 동일한 과정에서 핵이 융합되고 에너지를 방출합니다. 연구원들은 이 에너지를 포착하여 깨끗하고 탄소가 없는 전기를 생산하는 데 사용하기를 희망합니다.
PPPL의 새로운 원자로는 50년 만에 이 정부 연구소에서 건설된 최초의 스텔라레이터입니다. 또한 플라즈마를 최적의 3차원 형태로 만들기 위해 단순한 전자석이 아닌 영구 자석을 사용하는 세계 최초의 스텔라레이터이기도 합니다. 미화 640,000달러에 불과하고 1년도 채 안 되어 제작된 이 장치는 독일과 같은 저명한 스텔라레이터와는 대조적입니다. 벤델슈타인 7-X, 11억 달러와 건설하는 데 20년 이상이 소요된 거대한 촉수 기계입니다.
거대한 파인애플 조각을 닮은 16개의 구리 코일 전자석이 별 모양의 껍질을 감싸고 있습니다. 제이미 손튼
PPPL 연구원들은 그들의 더 단순한 기계가 훨씬 더 저렴하고 빠르게 스텔라레이터를 구축하는 방법을 보여줌으로써 연구원들이 미래 핵융합 발전소에 대한 새로운 개념을 쉽게 테스트할 수 있게 되었다고 말합니다. 팀의 영구 자석 사용은 상업적 규모의 에너지 생산에 대한 티켓이 아닐 수도 있지만 PPPL의 가속화된 설계-구축-테스트 전략은 분야를 더욱 빠르게 발전시킬 수 있는 플라즈마 동작에 대한 새로운 통찰력을 창출할 수 있습니다.
실제로 이 팀의 작업은 이미 자체 PPPL에서 영감을 받은 디자인을 테스트하고 있는 두 개의 스텔라레이터 스타트업의 형성에 박차를 가했으며, 창립자들은 이를 통해 핵융합 에너지 탐구에 돌파구를 마련할 수 있기를 희망합니다.
스텔라레이터는 핵융합의 미래인가?
핵융합을 통한 에너지 생산 추구는 많은 사람들에게 청정 에너지의 성배로 간주됩니다. 그리고 급속히 따뜻해지는 기후와 치솟는 전력 수요로 인해 안정적이고 탄소 없는 전력에 대한 필요성이 더욱 절실해지면서 이는 점점 더 중요해지고 있습니다. 융합은 온실가스 배출이 없는 거의 무제한의 에너지원을 제공할 수 있는 가능성을 제공합니다. 그리고 기존의 핵분열과 달리 핵융합은 용해나 무기화의 위험이 없으며 오래 지속되는 핵 폐기물도 없습니다.
핵융합 반응은 약 46억년 전 태양이 형성된 이후 태양에 동력을 공급해 왔지만, 지구에서 사용 가능한 에너지를 생산하는 데는 한 번도 기여한 적이 없습니다. 수십년의 노력. 문제는 융합이 성공할 수 있느냐가 아니다. 물리학 실험실과 소수의 개인조차도 수소 핵을 융합하여 에너지를 해방시키는 데 성공했습니다. 하지만 더 많은 전력을 생산하다 그 과정에서 소비되는 것보다 단순히 원자를 융합하는 것만으로는 충분하지 않습니다.
무료 피자를 먹고 대학원생들은 스텔라레이터의 3D 프린팅 나일론 껍질 안에 9,920개의 영구 희토류 자석을 꼼꼼하게 배치했습니다. 제이미 손튼
지난 몇 년 동안 PPPL과 같은 정부 지원 융합 프로그램에서 놀라운 발전이 이루어졌습니다. 합동 유럽 토러스게다가 민간 기업. 고속 컴퓨팅, 인공 지능, 재료 과학의 발전을 통해 핵물리학자와 엔지니어들은 오랫동안 지속되어 온 기술적 장애물을 극복하고 있습니다. 그리고 한때 간과되었던 접근법인 스텔러레이터가 다시 주목을 받고 있습니다.
“스텔라레이터는 현재 가장 활발한 연구 분야 중 하나이며 거의 매주 새로운 논문이 나옵니다.”라고 말합니다. 스콧 수미국 에너지부의 수석 핵융합 코디네이터입니다. “우리는 10년 전만 해도 내놓을 수 없었던 최적화된 새로운 디자인을 보고 있습니다. 흥미로운 이야기의 나머지 절반은 새로운 초전도체 기술과 첨단 제조 능력으로 인해 이러한 절묘한 설계를 실제로 실현하는 것이 더 가능해진다는 것입니다.”
핵융합 에너지에서 플라즈마 봉쇄가 중요한 이유는 무엇입니까?
원자핵이 융합하려면 핵이 자연적인 정전기적 반발력을 극복해야 합니다. 수백만도에 달하는 극도로 높은 온도에서는 입자가 충돌하고 융합될 만큼 빠르게 움직입니다. 핵에 각각 1개와 2개의 중성자를 갖고 있는 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소는 핵이 더 무거운 원자보다 반발력을 더 쉽게 극복할 수 있기 때문에 핵융합에 선호되는 연료입니다.
이러한 동위원소를 필요한 온도로 가열하면 원자핵에서 전자가 제거되어 플라즈마가 형성됩니다. 즉, 양전하를 띤 핵과 음전하를 띤 전자의 소용돌이입니다. 비결은 핵의 일부가 융합되도록 뜨거운 플라즈마를 유지하는 것입니다.
현재 플라즈마를 억제하는 데에는 두 가지 주요 접근 방식이 있습니다. 관성감금 고에너지 레이저 또는 이온빔을 사용하여 작은 연료 펠릿을 빠르게 압축하고 가열합니다. 자기 감금은 강력한 자기장을 사용하여 자기장 선을 따라 하전 입자를 유도하여 입자가 바깥쪽으로 표류하는 것을 방지합니다.
많은 자기 감금 디자인 – 245억 달러 포함 ITER 원자로 2010년부터 프랑스 남부 언덕에 건설 중인 이 건물은 플라즈마를 통해 흐르는 내부 전류를 사용하여 자기장을 형성하는 데 도움을 줍니다. 그러나 이 전류는 불안정성을 초래할 수 있으며, 플라즈마의 작은 불안정성이라도 플라즈마가 감금 상태에서 벗어나게 하여 에너지 손실과 하드웨어 손상을 초래할 수 있습니다.
PPPL과 같은 스텔라레이터는 일종의 자기 감금 형태이며, 비틀어져 있습니다.
스텔라레이터는 어떻게 탄생했나
Stellarator Road 끝자락에 위치하며 차로 약 5km 거리에 있습니다. 프린스턴 대학교의 녹음이 우거진 캠퍼스인 PPPL은 미국 에너지부 연구실 17개 중 하나이며 약 800명의 과학자, 엔지니어 및 기타 직원을 고용하고 있습니다. PPPL의 로비에는 연구소 설립자인 물리학자의 흑백 사진이 걸려 있습니다. 라이먼 스피처그는 자신이 발명한 스텔라레이터 또는 “별 생성기”라고 불리는 기발한 장치를 선보이며 미소를 지었습니다.
연구실의 전설에 따르면 스피처는 1951년 아스펜 산에서 스키 리프트를 타면서 이 아이디어를 떠올렸습니다. 엔리코 페르미는 단순한 환상형 또는 도넛 모양의 자기 감금 시스템으로는 플라즈마를 담는 데 충분하지 않다는 것을 관찰했습니다. 핵융합은 전하를 띤 입자가 바깥쪽으로 표류하여 감금을 탈출하기 때문입니다.
“이 기술은 다음과 같이 설계되었습니다. 디딤돌 핵융합발전소를 향해”
Spitzer는 외부 자석을 사용하는 8자형 설계가 플라즈마 주위에 나선형으로 나선형 자기장 선을 생성하고 에너지 입자를 보다 효율적으로 제어하고 포함할 수 있다고 판단했습니다. Spitzer는 이러한 구성이 플라즈마를 통해 흐르는 큰 전류를 필요로 하지 않을 만큼 효율적이므로 불안정성의 위험을 줄이고 정상 상태 작동을 허용할 것이라고 추론했습니다.
2018년부터 PPPL의 이사인 Steven Cowley는 “여러 면에서 스피처의 뛰어난 아이디어는 플라즈마 봉쇄 문제에 대한 완벽한 해답이었습니다”라고 말했습니다. “스텔라레이터는 핵융합 에너지에 대한 다른 접근 방식이 제공할 수 없는 것을 제공했습니다. 내부 전류 없이도 스스로 유지됩니다.”
스피처의 별 관측기는 20세기 중반 핵 물리학자와 엔지니어들의 상상력을 빠르게 사로잡았습니다. 그러나 발명품은 시대를 앞서 있었습니다.
토카막 vs. 스텔라레이터
스텔라레이터는 환상체 대칭이 부족하여 제작이 어려웠습니다. 외부 자기 코일은 안정적인 플라즈마 감금에 필요한 꼬인 자기장을 생성하기 위해 복잡한 3차원 모양으로 정밀하게 설계되어야 했습니다. 1950년대 연구자들은 최적의 3차원 자기장을 설계하는 데 필요한 고성능 컴퓨터와 필요한 정밀도를 갖춘 기계를 제작할 수 있는 엔지니어링 능력이 부족했습니다.
한편, 소련의 물리학자들은 자기적으로 제한된 핵융합을 위한 새로운 구성을 테스트하고 있었습니다. 토카막이라고 불리는 도넛 모양의 장치는 “자기 코일이 있는 토로이드 챔버”를 의미하는 러시아어 약어입니다. 토카막은 플라즈마를 통해 전류를 보냄으로써 외부에서 적용된 자기장을 내부 나선형 자기장으로 구부립니다. 그들은 스텔라레이터에 의해 생성된 플라즈마보다 더 뜨겁고 밀도가 높은 플라즈마를 생성할 수 있는 것처럼 보였습니다. 그리고 별 모양의 엄청나게 복잡한 기하학적 구조와 비교할 때 토카막의 환상형 모양의 대칭으로 인해 제작이 훨씬 쉬워졌습니다.
1950년대 초 라이먼 스피처(Lyman Spitzer)는 8자 모양 디자인과 외부 자석을 사용하여 최초의 스텔라레이터를 제작했습니다. PPPL
다른 국가의 핵융합 프로그램에 따라 DOE는 핵융합 자원의 대부분을 토카막 연구로 전환했습니다. PPPL은 스피처의 모델 C 스텔라레이터를 토카막으로 변환했습니다. 1969년.
그 이후로 토카막은 핵융합 에너지 연구를 주도해 왔습니다. 그러나 1980년대 후반에 이르러 이 접근법의 한계가 더욱 분명해졌습니다. 특히, 토카막의 플라즈마를 안정화하고 가열하기 위해 흐르는 전류는 전류가 강해짐에 따라 그 자체로 불안정성의 원인이 됩니다.
저항성 플라즈마를 강제로 제출하려면 기하학적으로 단순한 토카막에 복잡성과 비용을 증가시키는 추가 기능이 필요합니다. 현재 작동 중인 약 60개의 고급 토카막은 플라즈마를 가열하고 제어하는 시스템과 제한된 자기장을 생성하기 위한 대규모 자석 배열을 갖추고 있습니다. 또한 자석을 1억 5천만 °C 플라즈마에서 몇 미터 떨어진 초전도 온도로 냉각시키는 극저온 장치도 갖추고 있습니다.
지금까지 토카막은 짧은 펄스로만 에너지를 생산했습니다. “70년이 지난 지금, 정상 상태 토카막을 만드는 방법에 대한 좋은 개념조차 가진 사람은 아무도 없습니다.”라고 말합니다. 마이클 잔스토프PPPL의 직원 연구 물리학자입니다. “지금까지 가장 긴 맥박은 단 몇 분이었습니다. 우리가 전력회사와 이야기를 나눌 때 그들이 실제로 구매하고 싶어하는 것은 그것이 아닙니다.”
컴퓨팅 성능으로 Stellarator를 부활시키다
토카막이 전 세계 공공 핵융합 에너지 기금의 대부분을 집어삼키면서 항성체 연구는 1980년대까지 대부분 휴면 상태였습니다. 그런 다음 일부 이론가들은 자기장을 보다 정확하게 형성하기 위해 자기 코일의 배치를 최적화하는 데 도움이 되도록 점점 더 강력한 컴퓨터를 작동시키기 시작했습니다.
이러한 노력은 1981년 당시 PPPL 물리학자가 앨런 부저 물리학계에서 다음과 같이 알려진 좌표계를 발명했습니다. 부저 좌표—이는 과학자들이 자석의 다양한 구성이 자기장과 플라즈마 감금에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 데 도움이 됩니다. 그런 다음 융합을 위한 안정적인 플라즈마 조건을 유지하기 위해 더 나은 장치를 설계할 수 있습니다. 부저 좌표도 공개할 수 있습니다 숨겨진 대칭 다른 좌표계에서는 쉽게 볼 수 없는 3차원 자기장 구조를 가지고 있습니다. 이러한 대칭성은 플라즈마 감금을 크게 개선하고 에너지 손실을 줄이며 융합 프로세스를 보다 효율적으로 만들 수 있습니다.
“우리는 10년 전에는 내놓을 수 없었던 새로운 최적화된 디자인을 보고 있습니다.”
“가속적인 계산 p 마침내 연구자들은 스텔라레이터의 치명적인 결함, 즉 환상체 대칭의 부족에 도전할 수 있게 되었습니다.”라고 현재 컬럼비아 대학교 응용 물리학 교수인 Boozer는 말합니다.
새로운 통찰력은 스피처가 상상했던 것보다 훨씬 더 복잡한 스텔라레이터 설계를 탄생시켰습니다. [see sidebar, “Trailblazing Stellarators”]. 일본의 대형 나선형 장치 8년의 공사 끝에 1998년에 온라인에 출시되었습니다. 위스콘신 대학교의 나선형 대칭 실험자기장 코일이 혁신적인 준나선형 대칭을 특징으로 하는 는 제작에 9년이 걸렸으며 1999년에 작동을 시작했습니다. 그리고 지금까지 제작된 스텔라레이터 중 가장 크고 가장 발전된 독일의 Wendelstein 7-X는 2015년 첫 번째 플라즈마20년 이상의 설계 및 시공 끝에.
실험 실패로 인해 새로운 Stellarator 디자인이 탄생했습니다
1990년대 후반에 PPPL 물리학자와 엔지니어들은 NCSX(National Compact Stellerator Experiment)라는 자체 버전을 설계하기 시작했습니다. 세계에서 가장 진보된 스텔라레이터로 구상된 이 장치는 준축 대칭이라는 새로운 자기 구속 개념을 사용했습니다. 이는 외부에서 생성된 자기장만을 사용하여 스텔라레이터의 안정성과 가두기 이점을 유지하면서 토카막의 대칭을 모방하는 절충안입니다.
NCSX 설계 팀을 이끌었던 Zarnstorff는 “우리는 찾을 수 있는 모든 슈퍼컴퓨터를 활용하여 수십만 개의 플라즈마 구성에 대한 시뮬레이션을 수행하여 물리적 특성을 최적화했습니다”라고 말했습니다.
환상적인 나선형 탑승으로 원자를 보내는 세 가지 방법
그러나 디자인은 스피처의 독창적인 발명품처럼 시대를 앞섰습니다. 엔지니어들은 전체 장치에서 단 1.5mm의 할당된 치수에서 최대 변화를 허용하는 정확한 공차를 충족하기 위해 고군분투했습니다. 2008년, 프로젝트 예산이 수천만 달러를 초과하고 일정이 몇 년 뒤처지면서 NCSX는 취소되었습니다. Zarnstorff는 “이곳에서는 매우 슬픈 날이었습니다.”라고 말했습니다. “우리는 모든 조각을 만들어야 했지만, 하나로 합칠 수는 없었습니다.”
이제 초합금 인코넬로 만든 뒤틀린 덩어리인 NCSX 진공 용기의 한 부분이 PPPL 캠퍼스에 있는 C-Site Stellarator 빌딩의 외로운 모퉁이 위에 우뚝 솟아 있습니다. 그러나 그 존재가 실패를 상기시키는 것이라면 이는 7천만 달러 규모의 프로젝트에서 배운 교훈을 상기시키는 것이기도 합니다.
Zarnstorff에게 가장 중요한 통찰력은 엔지니어링 사후 분석에서 나왔습니다. 엔지니어들은 NCSX를 성공적으로 구축하고 운영하더라도 수리를 위해 기계를 분해하거나 자석 및 기타 구성 요소를 재구성할 수 있는 실행 가능한 방법이 없기 때문에 불가능하다고 결론지었습니다.
비용이 많이 들고 지연 문제가 있는 Wendelstein 7-X 프로그램과 NCSX 및 PPPL 물리학자들의 지속적인 협력을 통해 얻은 경험을 통해 앞으로 나아갈 길은 더욱 명확해졌습니다. Zarnstorff는 “다음에 무엇을 만들든 우리는 이를 더 저렴하고 더 안정적으로 만들어야 한다는 것을 알고 있었습니다.”라고 말합니다. “그리고 우리는 물건을 분해할 수 있는 방식으로 제작해야 한다는 것을 알고 있었습니다.”
핵융합에너지 테스트베드
2014년에 Zarnstorff는 전자석이 아닌 영구 자석을 사용하여 나선형 자기장을 생성하는 동시에 전자석을 유지하여 토로이드 자기장을 형성하는 최초의 스텔라레이터를 구축하는 것에 대해 생각하기 시작했습니다. (전자석은 전류가 흐를 때 자기장을 생성하고 켜거나 끌 수 있는 반면, 영구 자석은 외부 전원이 필요 없이 일정한 자기장을 생성합니다.)
아무리 강력한 영구 자석이라도 상업적 규모의 핵융합 전력을 생산할 만큼 강력하게 플라즈마를 가둘 수는 없습니다. 그러나 이를 사용하여 제작 및 유지 관리가 더 쉬운 저렴한 실험 장치를 만들 수 있습니다. 그리고 이는 결정적으로 연구자들이 전력 생산 장치의 경로를 알려줄 수 있는 자기장을 쉽게 조정하고 테스트할 수 있게 해줄 것입니다.
PPPL은 장치를 Muse라고 불렀습니다. PPPL 연구 물리학자는 “Muse는 혁신적인 자기 구성과 이론적 모델 개선을 위한 테스트베드로 구상되었습니다.”라고 말합니다. 케네스 해먼드현재 프로젝트를 이끌고 있습니다. “즉시 상업적으로 적용하기보다는 스텔라레이터 설계 및 플라즈마 동작의 기본 측면을 탐구하는 데 더 중점을 두고 있습니다.”
Muse 팀은 두 개의 독립적인 자석 세트로 반응기를 설계했습니다. 하전 입자를 코르크 모양의 궤적으로 동축화하기 위해 작은 영구 네오디뮴 자석을 쌍으로 배열하고 유리 송풍기로 맞춤 제작한 유리 진공 챔버를 둘러싸고 있는 12개의 3D 프린팅 패널에 장착합니다. 인접한 자석 열은 반대 방향으로 배치되어 외부 가장자리의 자기장 선을 비틀게 됩니다.
껍질 외부에는 원형 구리 코일로 구성된 16개의 전자석이 자기장의 토로이드 부분을 생성합니다. 바로 이 코일은 1960년대 PPPL에서 대량 생산되었으며 그 이후로 수많은 물리학 실험실에서 신속한 프로토타이핑을 위한 일꾼으로 사용되었습니다.
Hammond는 “입자를 가두는 능력 측면에서 Muse는 이전에 제작된 어떤 스텔라레이터보다 2배 더 뛰어납니다.”라고 말했습니다. “그리고 준축대칭을 갖춘 최초의 별칭기이기 때문에 우리는 NCSX에서 테스트할 수 없었던 몇 가지 이론을 테스트할 수 있을 것입니다.”
네오디뮴 자석은 냉장고 문에 사진을 고정하는 데 사용되는 단추 자석보다 약간 더 큽니다. 컴팩트함에도 불구하고 놀라운 성능을 발휘합니다. PPPL을 방문하는 동안 나는 손에 쥐고 있는 한 쌍의 자석을 극성을 번갈아가며 돌려보았고, 서로 밀고 당기는 것이 어렵다는 것을 알았습니다.
대학원생들은 자석을 배치하고 고정하는 세심한 작업을 수행했습니다. PPPL의 이사인 Cowley는 “이것은 기본적으로 피자를 기반으로 만들어진 기계입니다.”라고 말합니다. “대학원생들에게 피자를 주면 많은 것을 얻을 수 있습니다. 맥주도 있었을지 모르지만, 있었다면 알고 싶지 않다”고 말했다.
Muse 프로젝트는 내부 R&D 자금으로 자금을 조달했으며 대부분 기성 부품을 사용했습니다. Zarnstorff는 “이런 방식으로 해봤기 때문에 다른 방식은 절대 선택하지 않을 것입니다.”라고 말합니다.
Stellarex 및 Thea Energy Advance Stellarator 개념
이제 Muse는 스텔라레이터를 빠르고 저렴하며 매우 정확하게 만들 수 있음을 입증했으며 현재 및 전직 PPPL 연구원이 설립한 회사는 Muse에서 영감을 받은 디자인으로 전진하고 있습니다.
Zarnstorff는 최근 다음과 같은 회사를 공동 설립했습니다. 스텔라렉스. 그는 스텔라레이터가 핵융합 에너지를 얻는 가장 좋은 경로라고 생각하지만 미래의 기계를 위한 자석 구성에 도달하지는 않았다고 말했습니다. “영구 전자석과 초전도 전자석의 조합일 수 있지만 우리는 특정 접근 방식에 대해 그다지 신봉적이지 않습니다. 지금은 그러한 옵션을 열어 두겠습니다.” 회사는 일부 DOE 연구 보조금을 확보했으며 현재 투자자로부터 자금을 조달하는 데 중점을 두고 있습니다.
테아에너지가 이끄는 스타트업 데이비드 게이츠최근까지 PPPL의 항성 물리학 책임자였던 는 발전소 개념에 더 앞장서고 있습니다. Muse와 마찬가지로 Thea도 단순화된 제조 및 유지 관리에 중점을 둡니다. Muse와 달리 Thea 개념은 고온 초전도체로 제작된 평면(평면) 전자기 코일을 사용합니다.
테아 에너지
Gates는 “영구 자석처럼 작동하는 수백 개의 작은 전자석을 사용하여 각 전자석을 켜고 끌 수 있는 쌍극자 장을 생성하는 것이 아이디어입니다.”라고 말합니다. “개별적으로 작동되는 수많은 코일을 사용함으로써 우리는 높은 수준의 제어를 얻을 수 있으며 실시간으로 자기장을 동적으로 조정하고 형성하여 성능을 최적화하고 다양한 조건에 적응할 수 있습니다.”
이 회사는 2,300만 달러 이상을 모금했으며 뉴저지 주 커니에서 Eos라고 하는 초기 프로젝트를 설계하고 프로토타입을 제작하고 있습니다. “처음에는 중성자와 삼중수소 같은 동위원소 생산에 중점을 둘 것입니다.”라고 Gates는 말합니다. “이 기술은 단기 상용화 가능성이 있는 헬리오스(Helios)라는 핵융합 발전소를 향한 디딤돌이 되도록 설계되었습니다.”
Stellarator 스타트업, 엑사스케일 컴퓨팅 활용
민간 스텔라레이터 스타트업 중, 유형 1 에너지 Bill Gates를 포함한 투자자로부터 8,250만 달러를 모금하여 가장 많은 자금을 조달했습니다. 획기적인 에너지 벤처. Type One의 리더들은 위스콘신 대학의 나선형 대칭 실험과 독일의 Wendelstein 7-X 스텔라레이터의 설계 및 제작에 기여했습니다.
Type One 스텔라레이터 설계는 플라즈마 감금을 개선하도록 설계된 고도로 최적화된 자기장 구성을 활용합니다. 최적화를 통해 일반적으로 스텔라레이터에 요구되는 엄격한 구성 공차를 완화하여 엔지니어링 및 제작이 더 쉽고 비용 효율적으로 이루어질 수 있습니다.
Thea Energy의 Eos와 같은 Type One의 디자인은 고온 초전도 자석더 높은 자기 강도를 제공하고 더 적은 냉각 전력을 필요로 하며 비용을 낮추고 더 작고 효율적인 원자로를 만들 수 있습니다. 자석은 토카막용으로 설계되었지만 Type One은 스텔라레이터의 복잡한 비틀림을 수용하기 위해 코일 구조를 수정하고 있습니다.
스텔라레이터 연구가 주로 과학적인 실험에서 최초의 상업적으로 실행 가능한 원자로를 배치하기 위한 경쟁으로 옮겨갈 수 있다는 신호로 Type One은 최근 테네시주 클린턴에 있는 Bull Run 화석 공장에서 “세계에서 가장 진보된 스텔라레이터”를 건설할 것이라고 발표했습니다. 2029년 초까지 운영될 것으로 예상되는 Infinity One을 건설하기 위해 Type One은 테네시 밸리 당국 그리고 DOE의 오크리지 국립연구소.
Type One CEO는 “엔지니어링 테스트베드로서 Infinity One은 에너지를 생산하지 않을 것입니다.”라고 말합니다. 크리스 모리. “대신, 남아있는 위험을 모두 제거하고 현재 설계 중인 핵융합 파일럿 플랜트의 주요 기능을 승인할 수 있게 될 것입니다. 설계 검증이 완료되면 우리는 핵융합 전자를 그리드에 배치하기 위한 파일럿 플랜트 건설을 시작할 것입니다.”
자기장 구성을 최적화하기 위해 Mowry와 그의 동료들은 정상 회담Oak Ridge의 최첨단 엑사스케일 슈퍼컴퓨터 중 하나입니다. Summit은 Wendelstein 7-X가 처음 개념화되었던 1980년대 초반의 슈퍼컴퓨터보다 초당 2억 배 이상의 작업을 수행할 수 있습니다.
AI로 핵융합로 효율성 향상
컴퓨팅 성능의 발전으로 이미 설계 주기가 빨라지고 플라즈마 안정성이 향상되며 원자로 설계가 개선되고 있습니다. 10년 전에는 백만 개의 서로 다른 구성을 분석하는 데 몇 달이 걸렸습니다. 이제 연구원은 몇 시간 안에 답변을 얻을 수 있습니다.
그러나 특정 자기장을 만드는 방법은 무한합니다. PPPL의 Cowley는 “최적의 핵융합 기계를 찾는 방법을 찾으려면 100억 개의 구성을 고려해야 할 수도 있습니다.”라고 말합니다. “고성능 컴퓨팅을 사용하더라도 분석을 수행하는 데 수개월이 걸린다면 이는 여전히 짧은 시간 내에 융합할 수 있는 경로가 아닙니다.”
이러한 단계 중 일부를 단축하기 위해 PPPL과 다른 연구실에서는 인공 지능에 투자하고 유망한 솔루션을 검색하여 신속하게 찾을 수 있는 대리 모델을 사용하고 있습니다. “그런 다음 점점 더 정확한 모델을 실행하기 시작하면 답에 점점 더 가까워집니다.”라고 Cowley는 말합니다. “그러면 우리는 유용한 시간 내에 무언가에 집중할 수 있습니다.”
그러나 스텔라레이터와 일반적으로 자기밀폐 융합에 있어 가장 큰 남은 장애물은 물리학적 과제보다는 공학적 과제와 관련이 있다고 Cowley와 다른 핵융합 전문가들은 말합니다. 여기에는 극한 조건을 견딜 수 있는 재료 개발, 열과 전력을 효율적으로 관리, 자석 기술 발전, 이러한 모든 구성 요소를 기능적이고 확장 가능한 원자로에 통합하는 것이 포함됩니다.
지난 5년 동안 PPPL의 분위기는 점점 더 낙관적으로 변했습니다. 새로운 건물이 들어서고 새로운 연구자들이 가장 위대한 과학계의 일원이 되기 위해 Stellarator Road에 도착했기 때문입니다. 21세기의 혁신: 안전하고, 풍부하며, 탄소가 없는 에너지로 구동되는 세상을 구현합니다.
PPPL은 최근 이론 및 전산 과학자를 수용하고 점점 더 융합 탐구를 추진하고 있는 인공 지능 및 고성능 컴퓨팅 분야의 작업을 지원할 1억 1천만 달러 규모의 새로운 사무실 및 실험실 건물을 착공했습니다. 새로운 시설은 또한 마이크로 전자 공학, 양자 센서 및 장치, 지속 가능성 과학에 대한 PPPL의 확장된 임무를 지원하는 연구 공간을 제공할 것입니다.
PPPL 연구자들의 탐구에는 많은 노력과 아마도 상당한 행운이 필요할 것입니다. Stellarator Road의 길이는 1마일에 불과하지만 핵융합 에너지 분야의 성공을 향한 길은 확실히 훨씬 더 멀리 뻗어나갈 것입니다.
선구적인 스텔라레이터
Muse의 상대적으로 간단하고 저렴한 접근 방식과 달리 이러한 선구적인 스텔라레이터는 정교한 엔지니어링이 필요한 복잡한 전자기 코일 시스템과 복잡한 기하학적 구조를 갖춘 지금까지 제작된 기계 중 가장 기술적으로 까다로운 기계 중 하나입니다. 이 프로젝트는 플라즈마 감금, 자기장 최적화 및 정상 상태 작동 가능성에 대한 귀중한 통찰력을 제공했습니다.이동디 과학계는 실용적이고 지속 가능한 핵융합 에너지 달성에 더 가까워졌습니다.
대형 나선형 장치(LHD)
나선형 대칭 실험(HSX)
벤델슈타인 7-X (W7-X)
이 기사는 2024년 11월 인쇄판에 “기성품 Stellarator”로 게재됩니다.
