SCIENCE 3D | 핵융합 장치 KSTAR (토카막)

무슨 일이 일어났나

KSTAR 는 한국핵융합에너지연구원의 핵융합 연구 장치(토카막)로, 세계 최초로 Nb₃Sn(나이오븀-주석) 초전도 자석으로 제작되었습니다. 1995 년 12 월부터 11 년 8 개월 동안 지어 2007 년 8 월 31 일 제작 · 설치를 마쳤습니다(한국핵융합에너지연구원).

원자핵은 모두 + 전기를 띠어 서로 밀어내므로, 아주 뜨거워 세게 부딪쳐야 합쳐집니다. 시뮬레이터(중수소 + 삼중수소)에서 1 억 K 의 열운동 에너지 kT 는 8.62 keV 로 두 원자핵이 3 × 10⁻¹⁵ m 까지 다가갈 때 밀어내는 에너지의 약 56 분의 1 이지만, 벽을 뚫는 양자 터널 효과 덕에 1,000 만 K 때보다 약 17,000 배 자주 합쳐집니다.

KSTAR 의 최종 목표는 토로이달 자기장 3.5 T · 플라즈마 전류 2.0 MA · 플라즈마 지속 300 초이고, 1 억 도 넘는 플라즈마를 300 초 동안 다루는 기술을 얻는 것입니다(한국핵융합에너지연구원).

토카막은 도넛 모양 통 안에 강한 자기장을 만들어 뜨거운 플라즈마가 벽에 닿지 않게 가둡니다. 시뮬레이터의 합쳐지는 빠르기는 핵반응 세기를 에너지와 상관없이 같다고 둔 가모프 식 모형입니다.

💡 생활 속 예시

햇빛도 해의 깊은 곳에서 가벼운 원자핵이 합쳐지는 핵융합에서 나온 에너지입니다.
냉장고 문의 자석은 손으로 쉽게 떼어지지만, KSTAR 의 초전도 자석은 3.5 T 를 목표로 하는 아주 센 자기장을 만듭니다.

어떤 부품이 무엇을 하나

진공 용기 — 도넛 모양 통으로, 공기를 뺀 안쪽에 플라즈마를 담습니다.
초전도 자석 — Nb₃Sn 등 초전도 코일로 강한 자기장을 만들어 플라즈마를 가둡니다.
가열 장치 — 플라즈마를 1 억 도 넘게 데웁니다.
저온 장치 — 초전도 자석이 초전도 상태를 지키도록 아주 차갑게 식힙니다.

진공 용기에서 공기를 빼고 연료 기체를 조금 넣습니다.
초전도 자석이 도넛 모양으로 감도는 강한 자기장을 만듭니다.
기체에 전류를 흘리고 가열해 1 억 도 넘는 플라즈마로 만듭니다.
자기장으로 플라즈마를 벽에서 띄워 두고, 오래 다루는 시간을 늘려 갑니다.

확인된 값

KSTAR 특징 — 세계 처음으로 Nb₃Sn(나이오븀-주석) 초전도 자석으로 만든 장치 (KFE 장치 제원 문장): Nb₃Sn 출처
최종 목표 토로이달 자기장 세기 — 3.5 T: 3.5 T 출처
최종 목표 플라즈마 전류 — 2.0 MA: 2 MA 출처
최종 목표 플라즈마 지속 시간 — 300 초: 300 s 출처
목표 — 1 억 도 이상 플라즈마를 300 초 동안 제어하는 기술: 100000000 K 출처
건설 기간 — 1995 년 12 월~2007 년 8 월 (11 년 8 개월): 1995-12–2007-08 출처
KSTAR 장치 제작 · 설치 완료 — 2007-08-31: 2007-08-31 출처
목표 — 핵융합로 건설에 필요한 핵심 기술(1 억 도 이상 300 초 운전 등) 확보: 1억도 이상 300초 출처

핵융합 장치 KSTAR (토카막)

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