좌표: 51°39'33 ″N 1°13'35 ″W / 51.65917°N 1.22639°W / 51.65917; -1.22639

합동 유럽 토러스

Joint European Torus
제트
합동 유럽 토러스
1991년 JET
장치종류토카막
위치영국 옥스퍼드셔 주
소속컬햄 핵융합 에너지 센터
기술사양
장반경2.96 m (9 ft 9 in)
소반경1.25 m (4 ft 1 in)
플라즈마 용적100m3
자기장3.45T (34,500G) (토로이드)
난방력38 MW
플라즈마 전류3.2 MA(원형),
4.8 MA (D-shape)
역사
가동년도1983–2023

합동 유럽 토러스(JET)는 영국 옥스퍼드셔의 컬햄 핵융합 에너지 센터(Culham Centre for Fusion Energy)에 위치한 자기 제한 플라즈마 물리 실험이었습니다. 핵융합 연구시설은 토카막 설계를 바탕으로 미래 핵융합 그리드 에너지로 가는 길을 여는 것을 주요 목적으로 하는 유럽 공동 프로젝트였습니다. 설계 당시 JET는 비교 가능한 어떤 기계보다도 컸습니다.

JET는 핵융합 에너지 증가 인자 Q = 1.0이 있는 곳에서도 과학적 진보에 도달할 수 있기를 바라는 마음으로 제작되었습니다. 1983년에 운영을 시작했으며 이후 10년 동안 대부분의 시간을 긴 일련의 실험과 업그레이드를 통해 성능을 높였습니다. 1991년에 삼중수소를 포함한 최초의 실험이 이루어졌고, JET는 삼중수소와 중수소의 50-50 혼합물의 생산 연료로 작동하는 세계 최초의 원자로가 되었습니다. 또한 1991년에서 1993년 사이에 발생한 JET에 디바이터 디자인을 추가하기로 결정했습니다. 성능은 크게 향상되었고, 1997년 JET는 1997년 Q=0.67에 도달하여 16MW의 핵융합 발전을 생산하는 동시에 24MW의 화력을 주입하여 연료를 가열했습니다.

2009년과 2011년 사이에 JET는 프랑스 남부 프로방스의 생폴레뒤르스에서 ITER 프로젝트 개발에 사용되는 개념을 채택하기 위해 부품의 대부분을 재건하기 위해 폐쇄되었습니다.[3] 2020년 12월, ITER에 대한 기여의 일환으로 삼중수소를 사용하는 JET 업그레이드가 시작되었습니다.[4] 2021년 12월 21일, JET는 중수소 tritium 연료를 사용하여 5초 펄스 동안 59 메가줄을 생성하여 1997년에 기록한 Q=0.33의 21.7 메가줄을 능가했습니다.

JET는 2023년 12월에 가동을 마쳤고, 해체는 2040년까지 지속될 것으로 예상됩니다.[6]

역사

배경

1960년대 초까지 핵융합 연구계는 "침체"에 빠졌습니다. 초기에 유망한 많은 실험 경로는 모두 유용한 결과를 도출하지 못했고, 최근의 실험들은 성능이 실용적인 핵융합 발전기에 필요한 것보다 훨씬 낮은 Bohm 확산 한계에서 정체되었음을 시사했습니다.[7]

1968년 소련은 노보시비르스크에서 핵융합 연구자들의 정기 회의를 개최하여 T-3 토카막의 데이터를 소개했습니다. 이는 융합 성능의 극적인 도약을 보여주었는데, 이는 당시까지 세계 최고의 기계가 생산했던 것의 최소 10배에 달했습니다. 결과가 너무 좋아서 일부에서는 잘못된 측정이라고 일축했습니다. 이에 대항하기 위해, 소련은 영국의 한 팀을 초청하여 그들의 기계를 독립적으로 시험해 보았습니다. 그들의 1969년 보고서는 소련의 결과를 확인시켜주었고, 전 세계적으로 토카막 건설의 "진정한 압승"이라는 결과를 낳았습니다.[8][9]

토카막 설계의 핵심 문제는 플라즈마에 충분한 전류를 발생시켜 연료를 핵융합 상태로 만들 수 있는 충분한 가열을 제공하지 못한다는 것이었습니다. 일종의 외부 난방이 필요할 것입니다. 이에 대한 아이디어는 부족함이 없었고, 1970년대 중반에는 이러한 개념을 탐구하기 위한 일련의 기계들이 전 세계에 세워졌습니다. 이 중 하나인 Princeton Large Torus (PLT)는 중성 빔 주입이 실용적인 원자로에 필요한 최소값인 5천만 K를 훨씬 넘는 기록적인 온도에 도달하는 데 사용하여 실행 가능한 개념임을 보여주었습니다.[10]

PLT의 성공으로 수십 년의 노력 끝에 마침내 과학적 단절의 길이 가능하게 되었습니다. 핵융합 반응에 의해 생성되는 전력이 플라즈마를 가열하기 위해 주입되는 전력의 양과 동일한 지점이 과학적 브레이크(break even)입니다. 일단 손익분기점이 달성되면, 그 시점에서 약간의 개선이라도 방출되는 순 에너지의 양을 빠르게 증가시키기 시작합니다. 전 세계의 팀들은 PLT의 인젝터와 그 때까지 사용되었던 순수한 중수소 또는 수소를 포함하는 시험 연료 대신 중수소-삼중수소 연료를 담을 수 있는 초전도 자석 및 진공 용기를 결합하는 새로운 세대의 기계를 계획하기 시작했습니다.[11]

유러피안 디자인

JET의 디자인

1971년 유럽 원자력 공동체(European Atom Energy Community, Euratom) 회원국들은 강력한 핵융합 프로그램을 찬성하기로 결정하고 유럽 핵융합 장치가 개발되기 위해 필요한 법적 틀을 제공했습니다.[12] 1975년에 JET 기계에 대한 첫 번째 제안이 완료되었습니다. 상세 설계는 3년이 걸렸습니다.[13] 1977년 말, 오랜 논쟁 끝에 컬햄은 새로운 디자인의 개최지로 선정되었습니다. 자금 지원은 1978년 4월 1일 "JET 공동 사업" 법인으로 승인되었습니다.[14]

원자로는 1965년에 문을 연 영국의 핵융합 연구소인 컬럼 핵융합 에너지 센터 옆에 있는 새로운 부지에 지어졌습니다. 이 건물들의 건설은 1978년 토러스 홀을 [15]시작으로 Tarmac Construction이 맡았습니다. 홀은 1982년 1월에 완공되었으며 토러스 홀 완공 직후부터 JET 기계 자체의 공사가 시작되었습니다.[14] 비용은 1억 9,880만 유럽 회계 단위(유로 이전)[16] 또는 2014년 미국 달러로 4억 3,800만 달러였습니다.[17]

JET는 실제 중수소-삼중수소 연료 혼합과 함께 작동하도록 설계된 단 두 개의 토카막 모델 중 하나이며, 다른 하나는 미국에서 제작된 TFTR입니다. 두 가지 모두 "fusion 에너지 증가 계수" 또는 Q = 1.0인 곳에서도 과학적 진보에 도달하기를 희망하며 만들어졌습니다.

JET는 1983년 6월 25일 첫 플라즈마를 달성했습니다.[14] 1984년 4월 9일 엘리자베스 2세 여왕에 의해 공식적으로 개장했습니다.[21] 1991년 11월 9일, JET는 세계 최초로 중수소-삼중수소 실험을 수행했습니다.[22] 이것은 미국의 기계인 TFTR을 완전히 2년 차이로 이겼습니다.[23]

업그레이드

매우 성공적이었지만, JET와 그에 대응하는 TFTR은 과학적인 발전에도 도달하지 못했습니다. 이는 더 낮은 밀도와 압력에서 작동하는 이전 기계에서 볼 수 없었던 다양한 효과 때문이었습니다. 이러한 결과와 플라즈마 성형 및 전환기 설계의 여러 발전을 바탕으로 새로운 토카막 레이아웃이 등장했으며, 때로는 "고급 토카막"이라고도 합니다. 과학적인 진보를 이룰 수 있는 토카막은 매우 크고 매우 비싸야 할 것이고, 이것은 국제적인 노력인 ITER로 이어졌습니다.[24]

1991년, 삼중수소를 포함한 첫 번째 실험이 이루어졌고, JET는 삼중수소와 중수소의 50-50 혼합물의 생산 연료로 작동할 수 있게 되었습니다.[3] 또한 이때 전환기를 추가하여 플라즈마에서 폐기물을 제거할 수 있도록 하기로 결정했습니다.[25] 성능이 크게 향상되어 JET는 구속 시간, 온도 및 퓨전 트리플 제품 측면에서 많은 기록을 세울 수 있었습니다. 1997년, JET는 과학적인 진보에 가장 근접한 접근 방법으로 기록을 세웠습니다. Q=0.67을 달성해 16MW의 핵융합 에너지를 생산하고 24MW의 화력을 투입해 연료를 가열하는 등 2021년까지 지속된 기록을 달성했습니다. 이것은 또한 생산된 가장 큰 핵융합 전력의 기록이기도 했습니다.[28][29]

1998년 JET의 엔지니어들은 처음으로 인공 손만을 사용하여 특정 부품을 교환할 수 있는 원격 핸들링 시스템을 개발했습니다. "원격 처리" 시스템은 일반적으로 모든 후속 핵융합 발전소와 특히 프랑스 남부 프로방스의 생폴레뒤랑스에서 개발 중인 국제 열핵실험로(ITER)에 필수적인 도구입니다. 이 원격 처리 시스템은 나중에 RACE(Remote Applications in Challenging Environments)로 이어졌습니다.[30]

1999년에는 JET의 향후 집단적 사용에 대한 책임을 지고 유럽 핵융합 개발 협정(European Fusion Development Agreement, EFDA)이 수립되었습니다.[31]

ITER 설계 작업

2009년 10월, ITER 설계의 개념을 채택하기 위해 JET의 많은 부분을 재건하기 위해 15개월간의 셧다운 기간이 시작되었습니다. 여기에는 진공 용기의 탄소 성분을 텅스텐 및 베릴륨 성분으로 교체하는 것이 포함됩니다.[32]

2011년 5월 중순, 셧다운이 끝이 났습니다.[33] 2011년 9월 2일, "ITER-like Wall" 설치 후 첫 실험 캠페인이 시작되었습니다.[34]

2014년 7월 14일, EU 집행위원회는 JET에서 더 발전된 고에너지 연구를 수행할 수 있도록 5년 더 연장하는 283만 유로의 계약을 체결했습니다.[35]

포스트 브렉시트

브렉시트는 JET의 계획을 의심스럽게 했습니다. EU 탈퇴 계획의 일환으로, 영국은 JET에 자금을 지원하는 Euratom을 떠나기로 했습니다.[36] 5년 계획이 만료된 2018년 이후의 자금 지원에 대한 논의가 시작되었고, JET의 운영을 2019년 또는 2020년까지 연장하기로 한 새로운 합의는 대체로 완료된 것으로 보입니다. 이 회담들은 브렉시트 발표 이후 보류되었습니다.[12] 하지만 2019년 3월 영국 정부와 유럽위원회는 JET에 대한 계약 연장을 체결했습니다.[37] 이로써 브렉시트 상황과 상관없이 2024년 말까지 운영이 보장되었습니다.[38] 2020년 12월, ITER에 대한 기여의 일환으로 삼중수소를 사용하는 JET 업그레이드가 시작되었습니다.[4] 2021년 12월 21일, JET는 5초 펄스 동안 핵융합을 유지하면서 중수소-tritium 연료를 사용하여 59 메가줄을 생성하여 1997년에 세운 Q=0.33의 이전 기록인 21.7 메가줄을 능가했습니다.

해체

JET는 2023년 10월에 최종 중수소-삼중수소 실험을 [40]수행했으며 2023년 12월 18일 마지막 플라즈마 펄스까지 추가 중수소 실험을 수행했습니다.[6] 최종 펄스는 설계 기능 외에 JET를 작동시키는 데 사용되었습니다.[41] 해체 및 용도 변경 과정은 2040년까지 지속될 것으로 예상됩니다.[6]

묘사

가시 스펙트럼 비디오 카메라로 촬영한 플라즈마 이미지와 중첩된 JET 토카막의 내부도.

JET의 대반경은 3m이며, D자형 진공 챔버는 폭 2.5m, 높이 4.2m입니다.[42] 그 안의 전체 플라즈마 부피는 100입방미터로 JET 설계가 시작되었을 때 생산된 가장 큰 기계보다 약 100배 더 큽니다.[43]

JET는 D자형 진공 챔버를 사용하도록 설계된 최초의 토카막 중 하나였습니다. 이것은 처음에는 안전 요소를 개선하기 위한 방법으로 고려되었지만, 설계 중에, 이것은 또한 토러스를 장축의 중심으로 강제하려는 챔버 전체의 알짜 힘을 감소시키기 때문에 시스템을 기계적으로 훨씬 쉽게 구축할 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 이상적으로, 이러한 힘을 지지하기 위해서는 챔버를 둘러싼 자석이 위쪽과 아래쪽에서 더 휘어지고 안쪽과 바깥쪽에서 더 적게 휘어져야 하며, 이는 D가 근사적으로 추정한 타원형과 같은 것으로 이어집니다. 안쪽 가장자리의 더 평평한 모양도 더 크고 평평한 표면 때문에 지지하기가 더 쉬웠습니다.[44]

연구팀은 컴퓨터에서 다양한 플라즈마 형태의 안정성을 탐구하던 중 비원형 플라즈마가 원래 해결하기 위해 꼬인 장들이 도입된 수직 드리프트를 정확하게 상쇄하지 않는다는 사실을 발견했습니다. 플라즈마가 위 또는 아래로 이동하면 해당 방향으로 계속 이동합니다. 그러나 시뮬레이션을 통해 추가 자석과 전자 피드백 시스템을 사용하여 대응할 수 있을 정도로 표류 속도가 느리다는 것을 입증했습니다.[42]

토카막의 1차 자기장은 진공 챔버를 울리는 일련의 자석에 의해 공급됩니다. JET에서는 구리로 감긴 32개의 자석 시리즈이며, 각각의 자석 무게는 12톤입니다. 총 51MA의 전류를 운반하고 수십 초 동안 그렇게 해야 했기 때문에 수냉식입니다. 작동 시 코일은 6 MN의 힘으로 팽창을 시도하고 있으며, 20 MN의 장축 중심으로 그물장이 있으며, 플라즈마 내부의 폴로이드장이 상단과 하단의 방향이 다르기 때문에 더욱 꼬이는 힘이 있습니다. 이 모든 힘은 외부 구조에서 부담됩니다.[45]

전체 어셈블리 주위에는 플라즈마로 전류를 유도하는 데 사용되는 2,600톤의 8절지 변압기가 있습니다. 이 전류의 주된 목적은 토로이드 자석에 의해 공급되는 것과 혼합되는 폴로이드 장을 생성하여 플라즈마 내부에서 꼬인 장을 생성하는 것입니다. 전류는 또한 다른 시스템이 작동하기 전에 연료를 이온화하고 플라즈마를 약간 가열하는 2차적인 목적을 수행합니다.[46]

JET의 주요 가열원은 양이온 중성 빔 주입과 이온 사이클로트론 공명 가열의 두 가지 시스템에 의해 제공됩니다. 전자는 작은 입자 가속기를 사용하여 연료 원자를 플라즈마로 발사합니다. 여기서 충돌은 원자를 이온화시키고 연료의 나머지 부분과 함께 갇히게 합니다. 이러한 충돌은 가속기의 운동 에너지를 플라즈마에 축적시킵니다. 이온 사이클로트론 공명 가열은 본질적으로 전자레인지와 동등한 플라즈마로, 전파를 사용하여 사이클로트론 주파수와 일치시켜 이온에 직접 에너지를 주입합니다. JET는 처음에는 두 소스를 모두 몇 메가와트씩 사용하여 건설한 다음 나중에 25MW의 중성 빔과 15MW의 사이클로트론 가열로 확장되도록 설계되었습니다.[47]

플라즈마 펄스 동안 JET의 전력 요구량은 약 500 MW이며[48] 피크는 1000 MW를 초과합니다.[49] 메인 그리드로부터의 전력 인출은 575 MW로 제한되기 때문에, 이 필요한 전력을 제공하기 위해 두 개의 대형 플라이휠 발전기가 제작되었습니다.[49] 각각의 775톤 플라이휠은 최대 225rpm까지 회전할 수 있으며 3.75GJ의 운동 에너지를 저장할 수 있습니다.[50] 이는 5,000톤 무게의 열차가 시속 140km(87mph)로 이동하는 것과 거의 같은 양입니다. 각 플라이휠은 8.8MW를 사용하여 회전하며 400MW(간단히)를 생성할 수 있습니다.[49]


참고 항목

참고문헌

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서지학

외부 링크

원천

51°39'33 ″N 1°13'35 ″W / 51.65917°N 1.22639°W / 51.65917; -1.22639