새로운 컴퓨터 코드로 핵융합 전력을 위한 더 간단하고 저렴한 스텔라레이터가 탄생할 수 있다

물리학자들은 스텔라레이터의 플라스마를 형성하는 복잡한 자석의 설계를 가속화할 수 있는 새로운 컴퓨터 코드를 개발해 시스템을 더 간단하고 저렴하게 구축할 수 있게 했습니다.

고성능 포뮬러 원 경주용 자동차를 설계하는 엔지니어처럼 과학자들은 스텔라레이터라고 알려진 꼬불꼬불한 핵융합 시스템에서 고성능 플라스마를 만들고 싶어합니다. 이 성능을 달성하려면 플라스마가 많은 열을 유지하고 제한하는 자기장 내에 머물러야 합니다.

플라스마 생성을 용이하게 하기 위해 물리학자들은 플라스마를 형성하는 복잡한 자석의 설계를 가속화할 수 있는 새로운 컴퓨터 코드를 만들어 스텔라레이터를 더 간단하고 저렴하게 제작할 수 있게 했습니다.

QUADCOIL로 알려진 이 코드는 과학자들이 안정적이지만 지나치게 복잡한 모양의 자석이 필요한 플라스마 모양을 배제하는 데 도움이 됩니다. 이 정보를 통해 과학자들은 대신 저렴하게 만들 수 있는 스텔라레이터를 설계하는 데 노력을 기울일 수 있습니다.

"QUADCOIL은 자석의 복잡성을 빠르게 예측하여 물리학적으로는 훌륭하지만 핵융합 시설을 실제로 구축하는 데 도움이 되지 않는 플라즈마 모양을 피하는 데 도움이 됩니다." 미국 에너지부(DOE) 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)의 프린스턴 플라즈마 물리학 프로그램 대학원생이자 코드를 개략적으로 설명하는 논문의 주저자인 프랭크 푸의 말입니다. 이 연구는 PPPL의 정교한 플라즈마 컴퓨터 코드에 대한 전문성과 70년 전에 연구소가 처음 고안한 개념인 스텔라레이터를 개발한 방대한 역사를 결합한 것입니다.

물리학과 공학의 균형

과학자들이 핵융합 반응을 촉진할 수 있는 특정 속성 집합을 가진 플라스마 모양을 선택하면, QUADCOIL은 효율적으로 대략적인 계산을 수행하여 해당 속성을 가진 플라스마를 생성할 수 있는 자석 모양을 결정합니다. 모양이 너무 복잡한 경우, 이 코드를 통해 과학자들은 플라스마 모양을 재설계할 수 있습니다. 이 프로세스는 다른 코드를 사용하면 훨씬 더 오래 걸리는 물리학과 엔지니어링의 균형을 이룹니다. 사실, 기존의 자석 설계 프로그램은 20분에서 몇 시간 안에 자석 모양을 평가할 수 있는 반면, QUADCOIL은 10초 안에 작업을 완료할 수 있습니다.

혁신적인 기술

기존 프로그램은 일반적으로 두 단계로 구성됩니다. 한 컴퓨터 프로그램은 필요한 속성을 가진 플라즈마 모양을 결정하고, 다른 프로그램은 이러한 속성을 생성할 수 있는 자석 모양을 결정하는데, 두 프로그램 간에는 거의 통신이 이루어지지 않습니다. 새로운 유형의 프로그램은 두 계산을 동시에 수행하지만, 작업이 더 어렵기 때문에 프로그램을 실행하는 데 시간이 더 오래 걸리고, 의도한 대로 작동하지 않는 플라즈마를 구축하거나 생성하기에는 너무 복잡한 자석 설계로 이어질 수 있습니다.

"자동차 엔진을 만드는 두 팀을 생각해 보세요. 한 팀은 엔진을 설계하고 다른 한 팀은 엔진을 만듭니다."라고 푸는 말했습니다. "QUADCOIL은 어떤 의미에서 빌드 팀에서 한 사람을 설계 팀으로 옮겨 설계가 최종 제품에 어떤 영향을 미칠지 주시합니다. 실제로 자동차를 만들고 비용을 합산했을 때보다 추정치가 거칠겠지만 프로세스가 더 빠르고 합리적인 사양으로 이어집니다."

더욱 정확한 작업이 가능한 유연성

QUADCOIL은 또한 과학자들이 입력에 다양한 엔지니어링 사양을 추가하여 과학자들의 요구 사항과 더욱 관련이 있는 자석 모양을 생성할 수 있도록 합니다. 이러한 사양에는 자석 재료 및 모양 또는 토폴로지에 대한 정보가 포함될 수 있습니다. 게다가 QUADCOIL은 자석의 곡률과 자석이 받는 자기력의 양을 포함하여 다른 코드에서는 생성할 수 없는 속성에 대한 데이터를 생성할 수 있습니다. "간단히 말해서 QUADCOIL에는 세 가지 혁신이 있습니다. 더 빠르게 계산하고 다른 코드보다 더 많은 속성을 예측하며 유연합니다."라고 Fu는 말했습니다.

이 연구는 정교한 컴퓨터 프로그램이 스텔라레이터 핵융합 시설을 개발하는 데 얼마나 중요한지 보여줍니다. 컬럼비아 대학교의 응용 물리학 및 응용 수학 조교수이자 이 논문의 공동 저자 중 한 명인 엘리자베스 폴은 "스텔라레이터를 설계하는 데 있어 가장 큰 과제 중 하나는 자석이 복잡한 모양을 가질 수 있어 만들기 어렵다는 것입니다."라고 말했습니다.

"이 문제는 처음부터 자석의 복잡성에 대해 생각해야 한다는 것을 말해줍니다. 컴퓨터 코드를 사용하여 원하는 물리적 특성을 갖고 간단한 모양의 자석을 사용하여 형성할 수 있는 플라스마 모양을 찾을 수 있다면 핵융합 에너지를 더 저렴하게 만들 수 있습니다."

Fu와 다른 연구팀원들은 현재 특정 자석 세트를 만드는 것이 얼마나 쉬운지 결정할 뿐만 아니라 연구자에게 플라스마 모양을 개선하는 방법을 알려주는 QUADCOIL 버전을 개발하고 있습니다. 현재 프로토타입 코드는 노트북 컴퓨터에서 실행할 수 있지만 최종 버전은 더 강력한 그래픽 처리 장치가 있는 컴퓨터가 필요할 가능성이 큽니다.

Fu는 또한 QUADCOIL의 미래 버전을 스텔라레이터 설계를 위한 더 큰 소프트웨어 제품군에 통합할 계획입니다. Fu는 "스텔라레이터를 개발하려면 많은 계산이 필요합니다."라고 말했습니다. "저는 설계 프로세스를 가능한 한 원활하게 만들려고 노력하고 있습니다."

Paul 외에도 QUADCOIL 협력자로는 New York University의 Courant Institute of Mathematical Sciences의 Alan Kaptanoglu와 PPPL의 전 이론 책임자인 Amitava Bhattacharjee가 있습니다. 이 연구는 DOE의 Scientific Discovery through Advanced Computing 프로그램과 Simons Foundation의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250312124148.htm