Wendelstein 7-X, 8분 플라즈마로 1.3기가줄 에너지 전환 달성

• Greifswald의 핵융합 실험 장치 Wendelstein 7-X가 2022년 가을 재가동 뒤 2023년 목표였던 1기가줄을 넘어 1.3기가줄 에너지 전환을 달성함
• 2023년 2월 15일 기록한 이번 값은 개조 전 최고치 75메가줄의 17배로, 장치 완성 작업의 효과를 보여줌
• 에너지 전환은 플라즈마에 결합된 가열 출력과 방전 지속 시간의 곱이며, 이번 실험은 평균 2.7메가와트로 480초 동안 플라즈마를 유지함
• 3년간의 완성 작업으로 벽 요소에 수냉 시스템이 추가되고 가열 시스템이 업그레이드되어, 이전보다 두 배 많은 전력을 플라즈마에 결합할 수 있게 됨
• 다음 목표는 수년 안에 18기가줄까지 끌어올리고 플라즈마를 30분 동안 안정적으로 유지하는 것임

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1.3기가줄과 8분 방전 기록

• Wendelstein 7-X는 2023년 목표였던 1기가줄 에너지 전환을 넘어 1.3기가줄에 도달함
• 2023년 2월 15일 실험에서 개조 전 최고 기록인 75메가줄보다 17배 높은 값을 기록함
• 에너지 전환은 플라즈마에 결합된 가열 출력에 방전 지속 시간을 곱해 계산됨
• 발전소 운전을 위해서는 대량의 에너지를 플라즈마에 오래 결합하면서, 동시에 발생한 열을 제거할 수 있어야 함

수냉 벽과 가열 시스템 업그레이드

• Wendelstein 7-X는 2022년 여름까지 이어진 3년간의 완성 작업을 거침
• 주요 변경은 벽 요소의 수냉화와 가열 시스템 업그레이드임
• 업그레이드된 가열 시스템은 이전보다 두 배 많은 전력을 플라즈마에 결합할 수 있음
• 장치 완성 이후 Wendelstein 7-X는 더 넓은 파라미터 범위에서 운전 가능해짐
• IPP의 Thomas Klinger는 더 높은 에너지 값으로 나아가되, 장치를 과부하시키거나 손상시키지 않도록 단계적으로 진행해야 한다고 밝힘

열 제거를 맡는 디버터 구조

• Wendelstein 7-X는 가장 큰 열 흐름을 제거하기 위해 특히 내열성이 높은 디버터 배플판을 사용함
• 이 배플판은 내부 벽의 일부이며, 장치 완성 이후 6.8km 길이의 물 배관 시스템으로 냉각됨
• 현재 세계의 다른 핵융합 장치 중 Wendelstein 7-X처럼 내부 벽 전체가 포괄적으로 냉각되는 시설은 없음
• 적외선 이미지는 플라즈마 자체가 아니라 수냉식 디버터 배플의 온도 분포를 보여줌
  • 플라즈마가 디버터에 닿는 중심부의 선은 strike line으로 나타남
  • 일부 영역은 최대 섭씨 600도에 도달함
  • 디버터 타일은 최대 섭씨 1200도를 견딜 수 있음

480초 방전을 만든 가열 조건

• Wendelstein 7-X의 플라즈마 가열은 세 가지 구성요소로 이뤄짐
  • 새로 설치된 이온 가열
  • 중성 입자 주입에 의한 가열
  • 전자 마이크로파 가열
• 이번 기록에서는 전자 마이크로파 가열 시스템이 특히 중요했음
  • 이 시스템은 수분 동안 큰 전력을 공급할 수 있음
• 1.3기가줄 에너지 전환은 평균 2.7메가와트 가열 출력으로 달성됨
• 플라즈마 방전은 480초, 즉 8분 동안 지속됨
  • Wendelstein 7-X의 새 방전 시간 기록임
  • 전 세계적으로도 우수한 값 중 하나임
• 완성 작업 전 Wendelstein 7-X의 최대 플라즈마 시간은 훨씬 낮은 가열 출력에서 100초였음

18기가줄 목표와 스텔러레이터 연구

• Wendelstein 7-X는 수년 안에 에너지 전환을 18기가줄까지 높이는 것을 목표로 함
• 이 목표에서는 플라즈마를 30분 동안 안정적으로 유지해야 함
• 핵융합 연구는 기후와 환경에 친화적인 발전소 개발을 목표로 하며, 태양과 유사하게 원자핵의 융합으로 에너지를 생성하는 방식을 추구함
• Max Planck Institute for Plasma Physics는 자기장 핵융합 경로를 연구함
  • 핵융합 반응은 섭씨 1억도 이상에서만 점화됨
  • 얇은 수소 플라즈마 연료는 차가운 용기 벽과 접촉하면 안 됨
  • 자기장에 붙잡힌 플라즈마는 진공 챔버 내부에서 거의 접촉 없이 떠 있음
• Wendelstein 7-X의 자기장 케이지는 50개 초전도 자기 코일의 고리로 만들어짐
• 이 장치는 스텔러레이터(stellarator) 유형 시설이며, 코일의 특수한 형상은 정교한 최적화 계산의 결과임
• 이 코일을 통해 스텔러레이터의 플라즈마 가둠 품질이 경쟁 방식인 토카막(tokamak) 시설 수준에 도달하는 것을 목표로 함

[GN⁺]

Hacker News 의견들

• 아, Wendelstein이 그 스텔러레이터 핵융합로였구나. 스텔러레이터는 정말 멋진 설계고, 토카막의 대안임
  토카막은 도넛 모양 원자로인데, 바깥 둘레 쪽 플라스마가 자기적으로 덜 가둬지는 문제가 있음. 스텔러레이터도 비슷하지만 플라스마를 리본처럼 가두고, 뫼비우스 띠 같은 배열로 접어 올리는 방식임
  예전엔 이 분야에 꽤 관심이 많았는데 몇 년 지나며 잊고 있었음. 실제로 동작한다니 반가움
  https://en.wikipedia.org/wiki/Stellarator

  • 이런 구조의 기하학이 정말 흥미로움. 보통은 삼각형, 사각형, 잘해봐야 육각형 정도의 단순한 도형으로만 생각하게 됨
    라디안을 충분히 이해해서 원과 파형을 진짜로 이해하게 됐던 순간이 아직도 기억남. 몇 년 동안은 뭘 하는지도 모른 채 문제만 풀고 있었는데, 어느 순간 이해가 되자 머릿속에서 뭔가 바뀐 느낌이었음
    뫼비우스처럼 사고하고 싶은데, 지금 내 뇌는 “사양합니다”에 가까움
  • 왜 뫼비우스 띠 형태가 토러스보다 나은지 궁금함. 플라스마 흐름의 난류를 제어하기 쉬운 것과 관련이 있나?
  • 흥미로운 점은 스텔러레이터가 단순한 대안이 아니라 완전히 병렬적인 진화 경로였다는 것임. 둘 중 하나가 다른 것 이후에 발명된 게 아니고, 두 설계의 저자들도 완성 전까지 서로의 작업을 몰랐던 것으로 보임
    더 흥미로운 건, 열핵 원자로로 가능한 가장 단순한 설계인 퓨저가 스텔러레이터와 토카막보다 나중에 발명된 듯하다는 점임. 전기공학에 능하고 적절한 민간 장비를 쓸 수 있으면 비교적 쉽게 만들 수 있을 정도로 단순함
    다만 개인적으로 스텔러레이터 설계는 그다지 좋아하지 않았음. 그 복잡성 자체가 어딘가 잘못된 방향으로 더 밀어붙이는 것처럼 미묘하게 느껴짐
    그래도 이런 경우라면 내가 틀렸다는 게 증명되기를 진심으로 바람. 이 분야에는 이미 오래전부터 큰 돌파구가 필요했음

• 스텔러레이터는 이론적으로 토카막보다 우수한 설계로, JxB 힘을 상쇄하도록 고안됨. 여기서 J는 플라스마를 흐르는 전류이고 B는 장치 안에서 플라스마를 유도하는 자기장임
  B의 회전, 즉 J에 비례하는 값이 B와 평행해지는 나선 형태로 플라스마를 비틀면 외적이 0이 되고, 따라서 플라스마에 순 자기유체역학적 힘이 작용하지 않게 됨

  • 여기서는 확실히 이론적으로라는 말이 중요함. 기억이 맞다면 Wendelstein의 전신 장치는 부품을 만들던 엔지니어링 회사들을 파산으로 몰고 갔음
    공차가 너무 빡빡했고, 여러 번 제약 조건 안에 맞추는 데 실패했기 때문임
  • 지난번 뉴스에 나왔을 때 회의적인 쪽에서는 스텔러레이터의 핵심 단점으로 토카막보다 플라스마 밀도가 매우 낮다는 점을 들었던 것 같음. 그래서 에너지 손익분기점에 가까이 가기 어렵다는 얘기였음

• 여기서 말하는 energy turnover가 무엇을 뜻하는지 궁금했음
  찾아보니 “Energy turnover is defined as the amount of heat multiplied by the duration of the discharge[1].”라고 되어 있음. 여기서 “amount of heat”는 아마 “플라스마에 전달된 가열 출력”을 뜻하는 듯함. 시간과 곱해서 줄 단위가 되려면 시작값은 출력이어야 하니까
  1: https://gigazine.net/gsc_news/en/20230227-wendelstein-7-x-en...

  • 맞음. 기사 안에 조금 묻혀 있지만 “The energy turnover results from the coupled heating power multiplied by the duration of the discharge”라고 되어 있음
    수치는 “평균 2.7메가와트의 가열 출력으로 480초 동안 방전을 유지해 1.3기가줄의 energy turnover를 달성했다”는 내용임
    또 “몇 년 안에 Wendelstein 7-X의 energy turnover를 18기가줄로 높이고, 플라스마를 30분 동안 안정적으로 유지할 계획”이라고 되어 있음. 즉 10메가와트를 30분 동안 유지하는 셈임
  • 이건 금전적 의미의 turnover와 비슷한 것 아닌가? turnover : profit 관계가 energy turnover : 순에너지 출력 관계와 비슷해 보임

• 당연한 질문일 수도 있지만 그래도 묻고 싶음. 여기서 만들어진 전력은 어떻게 사용 가능한 전기로 변환됨?
  일반적인 핵분열 원자로는 핵분열 열로 증기 터빈을 돌린다는 건 알고 있음. 그런데 플라스마는 극도로 뜨겁고, 격납 용기 벽에 닿지 않도록 자기장으로 띄워야 한다면 그 열을 어떻게 다른 매질로 전달해서 전기를 만들 수 있나?

  • 대부분의 답변이 실제로 제안되는 메커니즘을 놓치고 있음
    반응 에너지의 대부분은 고에너지 중성자가 가져감. 따라서 에너지를 회수하려면 그 중성자를 “포획”해야 함. 중성자는 전하가 없어서 직접 전기를 만들 수 없고, 결국 열로 이용하는 수밖에 없음
    문제는 전기적으로 중성이기 때문에 잡기도 상대적으로 어렵다는 점임. 원자핵과 충돌할 확률이 높은 조밀한 물질이 필요함. 제안되는 설계는 보통 원자로 주변을 순환하는 액체 금속 블랭킷을 두고, 이를 물을 끓이는 위치로 보내 증기를 만들고 터빈을 돌리는 방식임
    가장 많이 거론되는 금속은 리튬인데, 중성자를 맞으면 삼중수소를 만들 수 있다는 장점도 있음. 삼중수소는 반응 연료의 매우 희귀한 절반에 해당함
  • 현재는 엄청난 방열판을 돌리는 상태고, 이 프로젝트의 핵심 난제 중 하나도 그걸 어떻게 냉각하느냐임. 하지만 결국에는 그 열을 전기로 바꾸게 될 것임
    독일어가 되는 사람이라면 Alternativlos 팟캐스트 진행자들이 현장을 두 번 방문해서 연구자들과 길게 대화한 편을 추천함. nerd끼리 얘기하는 느낌이라 언어를 이해한다면 정말 재밌음
    https://alternativlos.org/36/ (2016년)
    https://alternativlos.org/51/ (가장 최근, 2023년 5월)
  • 대부분의 전기를 만드는 방식과 같음. 만들어진 에너지로 물을 고압 증기로 가열하고, 그 증기가 터빈을 돌리며, 터빈이 발전기를 돌려 3상 교류를 생산함
    이 장치는 특별히 그렇게 구성되어 있지 않고, 내가 아는 한 아직 그런 장치는 없음. 공학적으로는 비교적 단순한 문제이고, 핵융합을 몇 달씩 유지할 수 있기 전까지는 굳이 만들 필요가 크지 않음
    다만 Helion Energy가 개발 중인 방식은 이런 전체 과정을 필요로 하지 않는 유망한 핵융합 개념 중 하나임. 아직 순출력을 만들지는 못했지만 아이디어에는 가능성이 있고, 다른 핵융합 발전 방식의 흔한 문제를 피함. 이 분야의 궁극적 해답이라고 보지는 않지만, 대형 스텔러레이터와 핵분열 사이의 과도기 역할을 할 가능성은 꽤 있어 보임
  • 플라스마가 수백만 도이기 때문에 직접 벽에 닿지 않아도 많은 에너지를 복사하고 벽을 가열함. 벽을 냉각하는 것만으로도 냉각 유체를 충분히 데워 나중에 증기를 만들 수 있음
    다만 내가 알기로 Wendelstein 장치는 전기 생산용으로 구성된 것이 아니라서, 현재 냉각은 말 그대로 냉각에 그침
  • 이 특정 원자로에도 해당하는지는 모르겠지만, 일반적인 답은 주변 벽에 냉각 계통을 넣고 벽을 통과하는 냉각재가 열을 밖으로 옮겨 유용한 일을 하게 만든다는 것임

• 이 팀이 정말 좋음. 핵융합 흐름을 완전히 특성화하고 제어하려는 계획 속에서 공학적 난제를 하나씩 격파하고 있음
  작동하는 핵융합 발전소를 향한 경주에서는 때때로 거북이처럼 보이지만, 벽 온도 관리와 흐름 속 핵융합 유지[1]처럼 토카막 쪽이 아직 풀지 못한 질문들에 답하고 있음. 다만 내 편향은 연구개발 중 “D” 쪽에 훨씬 가까워서, ITER를 따라가다 보면 순수한 “R”처럼 느껴질 때가 많음
  [1] https://www.iter.org/of-interest/1188

• 핵융합 얘기가 나온 김에, Commonwealth Fusion Systems의 SPARC가 어떻게 되고 있는지 아는 사람 있나?
  그들의 시스템에 큰 기대를 하고 있었지만, 20억 달러 투자를 받은 뒤 깊은 개발·건설 주기에 들어간 것이 이해되긴 함. 그래서 지난 1년 동안 뉴스 페이지에는 사업 계약과 수상 업데이트만 올라와 있음. 원자로 건설이 어떻게 진행되는지 듣고 싶음

  • 가장 친한 친구가 그곳에서 진단 하위 시스템 개발을 하고 있음. 제품 인도까지는 아직 한참 남았고, 많은 시스템이 활발히 설계되고 개선되는 중임
    기본적으로 매우 바쁘지만, 그래도 최소 3~5년 이상은 더 걸릴 것 같음

• 이 프로젝트를 10년 동안 지켜봤고 성공적이었다고 봄. 그런데 이런 프로젝트들은 어떻게 더 빨리 움직일 수 있을까?
  Wendelstein 7-X는 사용 가능한 전기를 생산하지 않을 것이고, 발전용 원자로의 선행 단계로 만들어진 장치임

  • 특히 스텔러레이터는 개발 주기가 매우 길다는 문제가 있음. 코일 기하를 최적화하는 알고리즘을 개발하는 데만 수년의 연구가 걸리고, 이후 코일 제작과 코일 안쪽 진공 용기 조립도 토카막보다 훨씬 어렵다
    코일은 매우 불규칙한 형상에 공차도 빡빡해서 만들기 어렵고, 진공 용기 조립은 코일이 토카막보다 훨씬 더 많은 “토러스 비슷한” 표면 영역을 덮기 때문에 어렵다
    지금 스텔러레이터 설계 최적화 분야에서 흥미로운 작업이 많이 진행 중이지만, 그 연구가 실제 원자로로 구현되기까지는 아마도 오랜 시간이 걸릴 것임
  • 대부분은 더 빨라지지 않음
    이 분야에 더 많은 자금이 들어가야 하지만, 어느 시점에는 결국 만들어야 하고 그 자체가 엄청난 시간이 걸림. 규제와 관료주의는 개선될 수 있겠지만, 결국 안전하게 줄일 수 있는 시간은 많지 않음
    작동 모델이 생기면 반복은 훨씬 빨라지지만, 우리는 수십 년 동안 벽에 부딪혀 온 셈임
  • 독일어 팟캐스트 Alternativlos에서 두 nerd가 Wendelstein 7-X 사람들을 인터뷰하며 무엇이 더 빠른 진행을 막는지 구체적으로 물었고, 답은 돈이었음
  • HSX가 10년도 더 전에 먼저 해냈음. 작게 만드는 건 쉬움
    하지만 안타깝게도 만들 가치가 있는 기계, 즉 발전기와 관련 있는 규모의 장치는 작지 않음. 연습은 도움이 됨
  • “Wendelstein 7-X는 사용 가능한 전기를 생산하지 않을 것”이라는 이유가 뭔가?

• 독일어가 되는 사람들에게 관련 추천이 있음
  Felix Von Leitner와 Frank Rieger의 팟캐스트 Alternativlos가 Greifswald에 두 번 가서 Wendelstein 관계자들을 인터뷰했음. 첫 번째 에피소드(http://alternativlos.org/36 , 2016년)는 주로 개발·건설 과정과 역사에 초점을 맞췄고, 두 번째는 올해 편으로 성과와 핵융합의 미래를 다룸(http://alternativlos.org/51/)

• 이 분야를 잘 아는 사람들에게 묻고 싶음. 어떤 핵융합 스타트업이 유망해 보이나? 관성 가둠 방식은 어떻게 보이나? 새로 자금 지원을 받은 Blue Laser Fusion은 어떤가? 오래된 플레이어인 TAE는? Commonwealth, Helion, 그 밖의 회사들은?

  • Zap Energy. 최소한 기존 인프라를 전용하는 방안을 생각하고 있음
    https://www.neimagazine.com/news/newszap-energy-considers-re...
    그리고 그들의 개념 자체가 너무 이상해서 마음에 듦. 최악의 경우에도 우주에서 핵융합 추진기로는 동작할 수 있을 것 같음 :)
    내 추측으로는, 정부 자금 없이는 대부분 망할 가능성이 큼. 첫 시도에서 현재 고도로 최적화된 발전 솔루션을 이기는 특별한 저비용 운전 방식을 정말 찾아낸 기적이 없다면 말임
  • 개인 자금 중 무시하기 어려운 금액을 TAE(Tri-Alpha Energy)에 투자했음. 주기적으로 추가 자금을 모집하므로 참여가 어렵지는 않음
    전체적으로 보면 Tokamak Energy도 유망해 보여서 투자할 계획임
  • Helion이 가장 유망하다고 보는 이유는 두 가지임
    첫째, 더 전통적인 핵융합 발전소가 플라스마 자체를 너무 비싸지 않은 장치에서 만들 수 있다고 해도, 그것부터 큰 가정인데, 열교환 메커니즘 자체가 매우 복잡하고 비쌀 것 같음. 그리고 열기관 발전소이기 때문에 설치 가능한 위치와 경제적인 규모에도 제한이 생김
    둘째, CO2 배출이 줄어들면 열기관 발전소가 지구 온난화에 기여하는 부분에도 관심이 갈 것 같음. Helion도 원래 없던 열을 지구에 더하긴 하겠지만, 같은 전기에너지당 발생하는 열은 더 적을 것임. 강에 그 열을 전부 버리는 방식에도 의존하지 않음
    Helion이 실현 가능한지는 모르겠지만, 실현 가능할 수 있는 유일한 기술처럼 느껴짐
  • 현재 진행 중인 프로젝트 중 어느 것도 상업 전력으로는 1에르그도 만들지 못할 것임. 흥미로운 플라스마 기반 재료 가공 기술이 파생될 수는 있음
    비슷한 용량의 핵분열 발전소보다 핵융합 발전소를 짓는 비용이 훨씬 더 비쌀 텐데, 핵분열조차 이미 경쟁력이 없고 날이 갈수록 더 뒤처지고 있음. 핵융합하지 않는 안정적으로 갇힌 플라스마의 용도를 진지하게 생각해봐야 함. 장점은 꼭 특별히 뜨거울 필요가 없다는 것임. 지금 가진 것만으로도 그럴듯한 어떤 용도에는 충분히 뜨거움

• “Wendelstein 7-X의 방전 시간 신기록: 뜨거운 플라스마를 8분 동안 유지할 수 있었다”는 건 분명 이정표임
  다만 현재 테스트 중인 것은 가열 시스템이라는 점에 유의해야 함. 실제 핵융합 반응이 일어났다는 뜻은 아님