붕소는 토카막 내부의 텅스텐 벽이 원자를 그 자체로 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

새로운 실험 결과에 따르면 토카막에 붕소를 뿌리면 핵융합 용기의 벽을 보호하고 벽의 원자가 플라즈마로 들어가는 것을 막을 수 있습니다. 새로운 컴퓨터 모델링 프레임워크에 따르면 붕소 가루는 한 곳에서만 뿌려야 할 수도 있습니다. 실험 결과와 컴퓨터 모델링 프레임워크는 이번 주 애틀랜타에서 열리는 American Physical Society Division of Plasma Physics의 제66회 연례 회의에서 발표됩니다.

핵융합 연구자들은 토카막과 스텔라레이터라고 알려진 핵융합로 내부의 플라즈마에 직접 마주하는 구성 요소에 이상적인 소재를 찾을 때 점점 더 텅스텐 원소로 눈을 돌리고 있습니다. 하지만 핵융합 플라즈마의 강렬한 열에 의해 벽에서 나온 텅스텐 원자가 튀어나와 플라즈마로 들어갈 수 있습니다. 플라즈마에 텅스텐이 너무 많으면 플라즈마가 상당히 냉각되어 핵융합 반응을 지속하는 것이 매우 어려워질 것입니다. 이제 미국 에너지부 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)의 연구자들은 토카막에 붕소 가루를 뿌리면 문제가 해결될 수 있다는 실험 결과를 얻었습니다.

붕소는 반응기 벽을 플라즈마로부터 부분적으로 보호하고 벽의 원자가 플라즈마로 들어가는 것을 방지합니다. PPPL 연구원이 이끄는 새로운 컴퓨터 모델링 프레임워크는 분말을 한 곳에서만 뿌려야 할 수도 있음을 보여줍니다. 실험 결과와 컴퓨터 모델링 프레임워크는 이번 주 애틀랜타에서 열리는 American Physical Society Division of Plasma Physics의 제66회 연례 회의에서 발표될 예정입니다.

토카막 실험 과학의 부책임자인 조셉 스나입스는 고체 붕소 주입 후 텅스텐 스퍼터링이 감소한다는 것을 보여준 실험을 바탕으로 고체 붕소 주입 시스템에 대해 낙관적입니다. 실험은 전 세계 3개의 텅스텐 벽 토카막에서 수행되었습니다. 하나는 독일, 하나는 중국, 하나는 미국에 있습니다.

"붕소는 소금통에서 나오는 것과 같은 가루 형태로 토카막 플라즈마에 뿌려지고, 플라즈마 가장자리에서 이온화되어 토카막의 내부 벽과 배출 영역에 증착됩니다."라고 그는 말했습니다. "얇은 붕소 층으로 코팅되면 텅스텐이 플라즈마에 들어가 플라즈마 에너지를 방출하는 것을 막을 수 있습니다."

스나이프스와 그의 동료들은 ITER 기구의 원자로 규모 토카막에서 잠재적으로 사용할 수 있는 궁극적인 목표를 가지고 붕소 주입 시스템을 개발하고 있습니다. 주입 시스템은 기계가 작동하는 동안 붕소를 추가할 수 있기 때문에 이 작업에 적합합니다. 또한 주입되는 붕소의 양을 정확하게 제어하고 제한할 수 있습니다. 증착된 붕소 층에는 방사성 원소인 삼중수소가 유지되는데, 이는 핵 안전을 준수하기 위해 ITER 토카막에서 최소화되어야 합니다. ITER와 오크리지 국립 연구소의 과학자와 엔지니어도 이 프로젝트에 협력했습니다.

PPPL의 직원 연구 물리학자인 플로리안 에펜버그는 DIII-D 토카막의 붕소 주입 시스템을 위한 컴퓨터 모델링 프레임워크를 만드는 별도의 프로젝트를 이끌었습니다. 이 프레임워크는 붕소 분말을 단 한 위치에서 뿌리면 시뮬레이션 도메인에서 고려된 원자로 구성 요소 전체에 붕소가 충분히 균일하게 분포될 수 있음을 시사합니다.

에펜버그는 "우리는 주입된 붕소 물질이 핵융합 플라즈마에서 어떻게 작용하는지, 그리고 핵융합로의 벽과 어떻게 상호 작용하여 작동 중에도 핵융합로를 양호한 상태로 유지하는지 이해하는 새로운 방법을 개발했습니다."라고 말했습니다.

연구자들의 접근 방식은 세 가지 다른 컴퓨터 모델을 결합하여 새로운 프레임워크와 워크플로를 만듭니다. "한 모델은 플라즈마의 거동을 시뮬레이션하고, 다른 모델은 붕소 분말 입자가 플라즈마에서 어떻게 움직이고 증발하는지 보여주고, 세 번째 모델은 붕소 입자가 토카막 벽과 어떻게 상호 작용하는지, 즉 붕소 입자가 어떻게 달라붙고, 마모되고, 다른 물질과 어떻게 섞이는지 조사합니다." 에펜버그가 말했습니다.

에펜버그는 "이러한 통찰력은 ITER 및 기타 핵융합로에서 효과적이고 균일한 벽 조절을 달성하기 위한 붕소 주입 전략을 최적화하는 데 중요합니다."라고 말했습니다.

모델링 프레임워크는 샌디에이고의 General Atomics에서 운영하는 토카막인 DIII-D를 살펴보았지만, 이 연구의 다음 단계는 모델링 프레임워크를 ITER로 확장하는 것입니다. DIII-D의 벽은 탄소로 만들어졌지만, ITER는 텅스텐 벽을 사용할 계획이므로 붕소가 벽을 보호하는 방식의 차이점을 연구하는 것이 중요할 것입니다.

다음 연구원들도 Snipes가 설명한 작업에 기여했습니다: Larry Robert Baylor, Alessandro Bortolon, Florian Effenberg, Erik Gilson, Alberto Loarte, Robert Lunsford, Rajesh Maingi, Steve Meitner, Federico Nespoli, So Maruyama, Alexander Nagy, Zhen Sun, Jeff Ulreich, Tom Wauters. 이 작업에 대한 자금은 ITER 기구에서 제공했습니다.

클라우스 슈미트, 페데리코 네스폴리, 위허 펭은 이 릴리스에서 에펜버그가 설명한 모델링 프레임워크를 작업했습니다. 알레산드로 보르톨론, 제러미 로어, 타일러 에이브럼스, 브라이언 그리어슨, 라제시 마인기, 드미트리 루다코프는 해당 모델링 프레임워크의 적용에 기여했습니다. 이 작업은 DE-AC02-09CH11466, DE-FC02-04ER54698, DE-AC05-00OR22725의 자금 지원을 받아 완료되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241007115544.htm