KR101867092B1 - 효율적인 콤팩트 핵융합로 - Google Patents

Abstract

중성자 소스 또는 에너지 소스로서 이용되기 위한 효율적인 콤팩트 핵융합로가 설명된다. 핵융합로는 플라즈마 챔버 및, 플라스마 챔버 안에 플라즈마를 봉입시키기 위한 자기장을 발생시키도록 구성된 플라즈마 봉입 시스템을 포함한다. 플라즈마 봉입 시스템은 봉입된 플라즈마의 주 반경이 1.5 m 또는 그 미만이도록 구성된다. 핵융합로는 고온 초전도체 환상형 자석들을 이용하여 구성되며, 이것은 향상된 성능을 제공하도록 낮은 온도(77K 또는 그 미만)에서 작동될 수 있다. 환상형 자기장은 5 T 또는 그 이상으로 증가될 수 있어서 핵융합 출력에서 현저한 증가를 나타내며, 따라서 중성자 출력은 매우 효율적이고 원자로는 에너지의 정미 출력(net output)을 발생시킬 수 있다.

Description

효율적인 콤팩트 핵융합로{Efficient compact fusion reactor}

본 출원은 높은 환상형 필드(high toroidal field)에서 작동되는 콤팩트 핵융합로에 관한 것이다. 특히, 배타적인 것은 아닐지라도, 본 발명은 에너지 소스(energy source) 또는 고도로 효율적인 중성자 소스(neutron source)로서 이용되기에 적절한 구형 토카막 원자로(spherical tokamak reactor)에 관한 것이다.

핵융합 파워를 생성하기 위한 문제는 매우 복잡하다. JET 와 같이 현재 작동되는 최상의 토카막에 필적하는 그 어떤 결과들이 만들어지지 않았을지라도, 토카막과 별도인 많은 대안의 장치들이 제안되었다.

세계의 핵융합 연구는 지금까지 만들어졌던 가장 크고 가장 비싼(c15bn Euros) 토카막인 ITER 의 건조를 시작한 이후에 새로운 국면에 진입하였다. 상업적인 핵융합로에 대한 성공적인 노정(route)은 전력 생산을 경제적으로 하는데 필요한 고효율과 조합된 긴 펄스(long pulse), 안정적인 작동을 필요로 한다. 이러한 3 가지 조건들은 동시에 달성되는 것이 특히 곤란하며, 계획된 프로그램은 이론적이고 기술적인 연구뿐만 아니라, ITER 및 다른 핵융합 설비들에 대한 수년간의 실험 연구가 필요할 것이다. 이러한 노정(route)을 통하여 개발된 상업적인 핵융합로는 2050 년 이전에는 건설되지 않을 것이라고 널리 예상된다.

경제적인 전력 생산(즉, 투입 전력보다 훨씬 큰 산출 전력)에 필요한 핵융합 반응을 얻기 위하여, 열융합이 발생되기에 충분할 정도로 플라즈마가 뜨거워질 수 있도록 (플라즈마 체적에 대략 비례하는) 에너지 봉입 시간(energy confinement time)이 충분하게 길어지게끔 (ITER 에 의해 예시되는 바와 같이) 통상적인 토카막은 거대하게 이루어져야만 한다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 해결한 새로운 핵융합로를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 양상에 따르면 에너지 소스 또는 고도로 효율적인 중성자 소스로서 이용되는 콤팩트 핵융합로가 제공된다. 핵융합로는 환상형 플라즈마 챔버 및, 플라즈마 챔버 안에 플라즈마를 봉입시키기 위한 자기장을 발생시키도록 구성된 플라즈마 봉입 시스템을 포함한다. 플라즈마 봉입 시스템은 봉입된 플라즈마의 주 반경(major radius)이 1.5 m 또는 그 미만, 바람직스럽게는 1.0 m 또는 그 미만, 보다 바람직스럽게는 0.5 m 또는 그 미만이도록 구성된다. 원자로는 구형 토카막일 수 있다.

플라즈마 봉입 시스템은 3 T 또는 그 이상, 바람직스럽게는 5 T 또는 그 이상, 바람직스럽게는 10 T 또는 그 이상, 보다 바람직스럽게는 15 T 또는 그 이상의 주 반경(major radius)에서 측정된 환상형 자기장을 발생시킬 수 있는 고온 초전도체(HTS) 코일들을 포함한다. HTS 코일들은 사용시에 77 K 로 냉각될 수 있고, 또는 선택적으로 30 K 또는 그 미만 또는 4 K 또는 그 미만으로 냉각될 수 있다.

소형 융합 장치들에 대한 이전의 설계들은 항상 벽 부하(wall loading)의 문제점을 가졌으며, 즉, 플라즈마 챔버의 벽을 통한 플라즈마 열의 분산 또는 중성자 플럭스의 문제점을 가졌다. 100 MW 또는 그 미만, 바람직스럽게는 10 MW 또는 그 미만, 보다 바람직스럽게는 6 MW 또는 그 미만, 보다 바람직스럽게는 3 MW, 보다 바람직스럽게는 1 MW 또는 그 미만으로, 낮은 파워 입력을 선택적으로 이용하는 것은 현존의 재료 및 기술로 장치가 실행될 수 있게 한다.

상기 원자로로부터의 파워 출력은 통상적인 구리 자석을 가지고도 적어도 1 MW 일 수 있다. HTS 환상형 필드 자석들이 이용되면, 상당히 높은 환상형 필드에서 원자로를 작동시킬 수 있어서 핵융합 파워 출력이 크게 증가된다.

하나 이상의 중성 비임들을 플라즈마로 지향시킴으로써 중성자 생성이 향상될 수 있다. 중성 비임 또는 비임들은 200 keV 보다 작은 에너지를 가질 수 있거나, 바람직스럽게는 130 keV 보다 작은 에너지, 보다 바람직스럽게는 80 keV 보다 작은 에너지, 보다 바람직스럽게는 40 keV 보다 작은 에너지를 가질 수 있다. 다수의 중성 비임들은 비임들 안의 입자들과 열 플라즈마(thermal plasma) 사이의 핵융합 반응을 최적화시키도록 선택된 방향들로부터 플라즈마로 지향될 수 있으며, 충돌 비임들을 포함할 수 있다. 중성자들은 초당 적어도 3 x 10¹⁷ 중성자의 비율로 발생될 수 있다.

일 실시예에서, 플라즈마는 10 초 보다 오래 동안, 바람직스럽게는 100 초 보다 오래 동안, 보다 바람직스럽게는 1000 초 보다 오래 동안, 보다 바람직스럽게는 10000 초보다 오래 동안, 정상 상태(steady state)에서 유지 가능하다. 실제로, 플라즈마는 최대 수년 동안 정상 상태에서 연속적으로 유지 가능할 수 있다. 이것은 중성자 또는 에너지 생산의 유용성을 극적으로 증가시키는데, 왜냐하면 중성자들의 전체 수 및 방사된 에너지의 양이 긴 펄스와 함께 증가되기 때문이다. 그러한 긴 펄스를 달성하기 위하여, 플라즈마 커런트(plasma current)는 예를 들어 중성 비임들 또는 RF 커런트 구동을 이용함으로써 유도(induction) 없이 구동될 수 있다. RF 커런트 구동은 커런트를 구동하는 임의의 전자기 파동 기술을 포함하는데, 이것은 일렉트론 번스타인 웨이브(electron Bernstein Wave), 낮은 하이브리드 및 일렉트론 사이클로트론 리조넌스(Lower Hybrid and Electron Cyclotron Resonance) 및 이것의 임의 조합을 포함한다. 커런트를 구동하는 모멘텀(momentum)을 전달하는데 있어서 (단위 에너지 입력 당(當)) 낮은 에너지의 중성 비임들이 더욱 효율적일 수 있다. HTS 자석들의 이용은 플라즈마를 정상 상태로 유지하는데 도움이 되며, 왜냐하면 그것이 초전도체이므로, 자석의 저항으로부터 가열 효과가 없고 또한 HTS 자석들에 대한 커런트 공급은 저항성 자석들에 대한 파워 공급보다 안정적이기 때문이다.

플라즈마는 병합-압축(merging-compression) 또는 자기 펌핑(magnetic pumping)을 이용하여 개시될 수 있고, 그에 의하여 진동 커런트는 플라즈마 커런트를 증가시키는 플라즈마 링들을 발생시키거나, 또는 환상형 챔버의 중심 코어에 위치된 (수축 가능한) 하나 또는 그 이상의 솔레노이드들의 활성화를 발생시키고, 그리고/또는 자이로트론 또는 다른 적절한 고주파수 제네레이터에 의한 RF 커런트 개시를 발생시킨다. 플라즈마 커런트는 솔레노이드, RF 커런트 구동 및/또는 가열의 활성화를 이용하여 증가될 수 있어서, 플라즈마가 성장할 때 플라즈마를 포함하는데 필요한 폴로이달 필드(poloidal field)에서의 급속한 증가는 플라즈마 커런트를 소망의 작동 값으로 증가시키기에 거의 충분한 플럭스를 입력시킨다. 만약 수축 가능한 솔레노이드들이 이용된다면 이들이 선택적으로는 미리 냉각된 고온 초전도 솔레노이드들일 수 있다. 플라즈마 커런트는 RF 커런트 구동 및/또는 중성 비임 인젝션(Neutral Beam injection)을 이용하여 유지될 수 있다.

중성 비임(들) 및/또는 플라즈마는 중성자 생성을 향상시키는 트리튬을 포함할 수 있다. 트리튬은 비싸고 방사능이 있으며, 따라서 오직 듀테륨(deuterium) 만을 이용하여 원자로를 작동시키는 것이 바람직스러울 수 있다. 일부 중성자들은 D-D 융합 반응에 의해 생성될 수 있다 (환상형 필드, 플라즈마 커런트 및 플라즈마 가열의 동일한 조건하에서 D-T 융합에 의해 생성되는 것의 대략 1/80 을 D-D 융합이 생성할 것으로 보통 가정된다). 그러나, 예를 들어 비용, 복잡성, 안전, 규정 또는 유용성의 이유 때문에 트리튬의 이용이 소망스럽지 않은 환경에서 그리고 트리튬의 사용 이전에 원자로를 시험하기 위해 D-D 융합이 중요할 수 있다.

D-D 융합으로써 경이롭게 높은 중성자 플럭스들이 달성될 수 있는 특정의 환경이 있다. 이것은 환상형 필드를 증가시킴으로써, 중성 비임 인젝션의 현명한 사용에 의하여, 그리고 플라즈마 가열의 방법을 최적화시킴으로써, 그리고/또는 중성자 생성을 10 배보다 많게 증가시키는 것으로 보였던 ICRH(이온 사이클로트론 리조넌스 가열(Ion Cyclotron Resonance Heating))의 적용에 의해 달성될 수 있다.

차폐부(shielding)는 중성자들로부터의 손상을 감소시키거나 또는 제거하기 위하여 중심 칼럼의 둘레에 제공될 수 있다. 예를 들어, HTS 제조 재료내의 HTS 층의 두께를 증가시킴으로써 HTS 제조 재료는 중성자 손상에 대하여 향상된 저항을 제공하도록 구성될 수 있다.

HTS 로 제조된 재료는 증가된 커런트 밀도를 제공하도록 구성될 수 있는데, 예를 들어 차폐부를 위한 공간을 더 허용하기 위하여 HTS 제조 재료내의 HTS 층의 두께를 증가시키거나 또는 비(菲) HTS 층의 두께를 감소시킴으로써 그렇게 될 수 있다.

중심 칼럼은 베릴륨, 알루미늄 또는 중성자 플럭스에도 불구하고 구조적인 일체성 및 도전성의 허용 가능 수준을 유지하는 다른 비(非) HTS 재료를 포함할 수 있다. 베릴륨, 알루미늄 또는 다른 비 HTS 재료는 선택적으로 저온 냉각되어 저항성을 감소시키고, 선택적으로 HTS 재료에 접합되어 중심 칼럼으로부터 떨어진 환상형 자석의 나머지를 형성한다.

중심 칼럼의 내측 부분은 HTS 로 만들어질 수 있고, 외측 부분은 베릴륨, 알루미늄 또는 중성자로부터의 HTS 에 대한 손상을 막는 다른 비 HTS 재료로 만들어진다. 베릴륨, 알루미늄 또는 다른 비 HTS 재료는 선택적으로 저온 냉각되어 저항성을 감소시키고, 선택적으로 HTS 재료에 접합되어 중심 칼럼으로부터 떨어진 환상형 자석의 나머지를 형성한다. HTS 재료는 중성자 손상에 대한 향상된 저항성 및/또는 향상된 커런트 밀도를 제공하도록 구성될 수 있다.

원자로에 의해 방사된 중성자들은 그중에서도 전기 발전, 열의 생성, 의료용 및 다른 용도를 위한 동위 원소의 형성, 암 치료, 수소 생성(예를 들어, 고온 전기 분해에 의함), 핵폐기물 처리, 리튬의 중성자 충격에 의한 트리튬의 제조, 핵 분열 연료의 양육(breeding), 중성자 분광, 물질 및 성분들의 시험 및/또는 과학 연구를 위해 이용될 수 있다.

통상적인 핵융합로에서, 플라즈마에서 발생된 α-입자들이 보유된다. 비록 여기에 설명된 본 발명이 통상적인 핵융합로보다 훨씬 작지만, 높은 필드 때문에 알파 입자들이 여전히 봉입될 것이며, 플라즈마 가열에 현저한 기여를 할 것이다.

원자로가 가동되는 동안, 선택적으로는 토러스(torus)의 중심에 솔레노이드가 존재하지 않아야 하며, 왜냐하면 높은 중성자의 영향에 의해 손상될 수 있기 때문이다.

본 발명의 특징은 주요 환상형 필드 자석(main toroidal field magnet)에서 고온 초전도체(high superconductor, HTS)가 사용됨으로써, 콤팩트 ST 에서 저렴한 작동 비용으로 높은 필드(high field)들이 얻어질 수 있다는 것이다. (향상된 안정성 및 향상된 에너지 봉입을 제공하는) 높은 필드, 작은 크기 및 낮은 어스펙트 비율(aspect ratio)의 조합은 이전 설계에서보다 훨씬 작은 규모에서 핵융합 에너지가 달성될 수 있게 한다.

HTS 극저온 유지 장치(cryostat)는 액체 극저온체(liquid cryogens)와 함께 또는 액체 극저온체 없이 설계될 수 있으며, 극저온체는 온도 및 필요한 냉각 파워에 따라서 He, H₂, Ne 또는 N₂ 을 포함하는 성분 또는 분자의 범위일 수 있다. 극저온 유지 장치는 토카막 및 환상형 필드 코일에 구조적인 강도 및 견고성을 더하도록 설계될 수도 있다.

HTS 는 필요한 엔지니어링 커런트 밀도(current density) 및 구조적인 특성을 부여하기 위하여 기판, 스태빌라이저(stabilizer), 버퍼(buffer) 및 오버레이어(overlayer)의 범위를 가진 테이프 또는 와이어의 형태인 YBCO 또는 (Re)BCO (여기에서 Re 는 희토류 원소)를 포함하는 물질의 범위로부터 제조될 수 있다.

핵융합로는, 플라즈마 챔버의 벽에 있는 단위 면적당 부하(load)를 감소시키도록 최적화된 다이버터 플레이트(divertor plate) 및/또는, 플라즈마의 배기 플룸(exhaust plume)을 지향시키고 상기 배기 플룸의 영향 범위를 큰 반경으로 확장시키고 그리고/또는 배기 영역에 걸쳐 접촉 영역을 쓸어내도록(sweeping) 구성된 디버트 코일(divertor coil)을 포함할 수 있다. 다이버터들중 하나 또는 그 이상은 액체 리튬으로 코팅될 수 있다. 진공 챔버의 벽들은 액체 리튬으로 코팅될 수도 있다.

원자로는 (개별적인 중성자의 에너지를 희생시켜서) 방사된 중성자들의 플럭스를 증가시키도록 구성된 멀티플라이어 블랭킷(multiplier blanket)을 포함할 수 있다. 플럭스 밀도에서의 국부적인 증가를 생성하고 그리고/또는 폴로이달 코일(poloidal coil) 및 다른 토카막 구성 요소들을 광범위한 중성자 방사로부터 보호하는 방식으로 중성자들을 원자로의 외부로 지향시키도록 반사부 블랭킷(reflector blanket)이 제공될 수 있다.

원자로는 핵분열 물질 또는 핵분열 물질로 변환될 수 있는 물질(예를 들어, 토륨(thorium))의 준 임계 블랭킷(sub-critical blanket)을 포함하여 하이브리드 핵융합-분열(hybrid fusion-fission) 원자로를 형성할 수 있다. 이러한 구성에서 융합에 의해 생성된 중성자들의 풍부한 양은 핵분열 반응을 시작 및 유지하고 그리고/또는 핵분열 물질로 변환될 수 있는 동위 원소(fertile isotope)를 핵분열 동위 원소(fissile isotope)로 변환시킬 것이다. 이러한 구성은 새로운 핵연료를 양육(breeding)하고, 핵폐기물을 파괴하고 그리고/또는 에너지를 발생시키는데 이용될 수 있다.

본 발명은 또한 위에서 설명된 바와 같은 복수의 핵융합로를 포함하는 파워 스테이션을 제공하기도 한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면 환상형 플라즈마 챔버를 구비하는 핵융합로를 작동시킴으로써 에너지 또는 중성자를 발생시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 플라즈마 챔버 안에서 플라즈마를 개시하는 단계, 플라즈마를 플라즈마 챔버 안에 봉입시키도록 3 T 또는 그 이상, 바람직스럽게는 5 T 또는 그 이상, 바람직스럽게는 10 T 또는 그 이상, 보다 바람직스럽게는 15 T 또는 그 이상을 가진 자기장을 발생시키고 플라즈마는 주 반경이 1.5 m 또는 그 미만이 되는 단계 및, 중성자 및 다른 에너지 입자들을 방사시키는 단계를 포함한다.
중성자들은 초당 적어도 3 x 10¹⁷ 중성자 의 비율로 발생될 수 있다.

본 발명의 일부 바람직한 실시예들은 오직 하나의 예로서 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 은 1 세대 및 2 세대 HTS 와 저온 초전도체(LTS)(좌측)의 비교를 도시한다. HTS 재료는 주어진 자기장에서 유사한 성능을 제공하지만 더 높고 보다 편리한 온도를 제공한다; 그러나 만약 낮은 온도(예를 들어, LTS 에 대하여 이용된 4 K)로 냉각된다면 LTS 보다 실질적으로 더 높은 커런트를 유지할 수 있다.
도 2 는 상이한 온도에서의 HTS 샘플에 대한 자기장의 함수로서 임계 커런트를 나타낸다.
도 3 은 통상적인 구형 토카막에서의 자기장 라인 거동을 나타낸다.
도 4 는 통상적인 구리 자석을 가진 구형 토카막을 통한 절반의 단면이다.
도 5 는 HTS 재료의 일 예에 대한 구조를 도시한다.
도 6 은 중성자 충격에 더 많은 탄성을 제공하도록 상이한 구성의 중심 칼럼 및 제한된 중성자 차폐부를 가진 HTS 환상형 필드 자석을 구비한 구형 토카막을 통한 1/4 단면을 도시한다.

본 출원은 토카막(tokamak)의 매우 콤팩트한 형태에 기초하고 있으며, 고온 초전도 자석(High Temperature Superconducting Magnet)의 사용을 포함하는 혁신적인 특징들의 범위를 채용한다. '효율적인 콤팩트 핵융합로(Efficient Compact Fusion Reactor(ECFR))'는 콤팩트한 핵융합 발전소를 제공하도록 의도된다.

융해 중성자(fusion neutron)는 듀테륨-트리튬(D-T) 또는 듀테륨-듀테륨(D-D) 플라즈마가 매우 뜨거워짐으로써 원자핵이 함께 융합될 때 발생되어, 활동적 중성자(energetic neutron)가 방출된다. 오늘날까지, 이를 얻는 가장 유망한 방법은 토카막을 이용하는 것이다;(ITER 에 의해 구현된 바와 같이) 융합에 이르는 통상적인 토카막 접근 방식에서, 플라즈마는 이러한 과정을 최적화시키도록 오랜 봉입 시간(high confinement time), 고온 및 고밀도를 가질 필요가 있다.

토카막은 강한 환상형 자기장(B_T), 높은 플라즈마 커런트(plasma current, l_p) 및 항상 큰 플라즈마 체적 및 현저한 보조 가열의 조합을 특징으로 하여 고온의 안정된 플라즈마를 제공함으로써 융합이 발생될 수 있다. (예를 들어 수십 메가와트의 고 에너지(H, D 또는 T)의 중성 비임 인젝션을 통한) 보조 가열은 핵융합이 발생되는데 필요한 충분히 높은 값들로 온도를 증가시키고 그리고/또는 플라즈마 커런트를 유지하는데 필요하다.

문제는 대형의 크기, 강한 자기장 및 일반적으로 필요한 높은 플라즈마 커런트 때문에 건설 비용 및 운용 비용이 비싸고, 자석 시스템 및 플라즈마 모두에서 존재하는 대량 저장 에너지에 대처하도록 엔지니어링이 강력해야 하는 것인데, 이는 '분열(disrupting)'의 습관을 가지는 것으로서, 격렬한 불안정성중에 메가 암페어 전류가 수천분의 몇 초내에 제로로 감소된다.

이러한 상황은 통상적인 토카막의 도넛 형상 토러스(torus)를 그것의 한계까지 수축시킴으로써 향상될 수 있는데, 이것은 속이 있는 사과(cored apple)의 외관을 가지며, '구형' 토카막(spherical tokamak; ST)이다. Culham 에서의 이러한 개념의 첫번째 실현은 효율의 거대한 증가를 나타냈다.-고온 플라즈마를 포함하는데 필요한 자기장은 10 의 인자로 감소될 수 있다. 더욱이, 플라즈마 안정성이 향상되고, 건설 비용이 감소된다.

ST 의 단점은 중심 컬럼에서의 제한된 공간이 중성자 환경에서의 중심 권선(central winding)을 보호하는데 필요한 실질적인 차폐부의 설치를 방지한다는 것이다-따라서 통상적인 환상형 필드 권선(toroidal field winding) 및 통상적인 중심 솔레노이드(플라즈마 커런트를 유도 및 유지하는데 사용됨)가 실질적이지 않다. 비록 ST 에 기초한 발전 플랜트가 설계되었지만 (제한된 차폐부를 가진 속이 차 있는 구리 중심 기둥을 이용하여, 기둥은 중성자에 의해 손상될 때 또는 매년 교체됨), 이들은 따뜻한 구리의 상대적으로 높은 저항성 때문에 중심 칼럼에서 높은 에너지 소산을 가지는 것으로서, 이는 전기 생산이 경제적이도록 대형의 장치를 필요로 한다.

중요한 인자는 환상형 자기장의 강도(B_T)이다. 토카막 안에서 열 융합으로부터의 융합 파워는 B_T 의 4 승(fourth power)에 비례하며, 따라서 토카막들은 최대의 가능한 B_T 를 이용하도록 설계되는데, 이것은 부과되는 현저한 스트레스 및, 자석들에 파워를 제공하는데 필요한 현저한 전기 비용에 부합된다. 이러한 비용을 최소화시키도록, ITER 과 같은 긴 펄스(long pulse)의 현대적인 장치들은 액체 헬륨에 의해 냉각되는 LTS 자석들을 특징으로 한다.

하이 필드(high field) 접근 방식의 현재 제한은 중간 크기 IGNITOR 프로젝트에 의해 예시되는데, 이것은 러시아-이탈리아의 공동 프로젝트로서 현재 개발중이다:IGNIROT 는 강철 지지 구조를 가진 통상적인 구리 자석들에 의해 얻어지는, 매우 높은 자기장(B_T)에 의해 광범위한 보조 가열의 필요성 없이 짧은 펄스 점화를 달성할 것으로 예상되는데, 상기 자기장은 플라즈마의 주 반경(1.43m)에서 ~13 Tesla 이고, 중심 스택(center stack)의 가장자리에서 ~20 T 이다.

ST 접근 방식의 단점은 중심 칼럼에서의 공간 감소 때문에 그 안에 있는 환상형 필드 자석의 크기가 제한된다는 점이며, 따라서 오늘날까지 1 Tesla 보다 작은, 오직 상대적으로 낮은 환상형 필드만이 ST 에서 달성되었다. 이러한 문제점은 고온 초전도 자석을 이용하는 ECFR 에서 극복된다.

융합으로의 보다 작은 규모의 접근은 (상세한 설명 말미의) Jassby [1] 에 의해 처음 제안된 효과를 이용하는데, 그에 의하여 작고, 오직 '따뜻한(warm)" 플라즈마로써 고에너지의 중성 비임(neutral beam)이 주입되는 것도 현저한 융합 파워를 발생시킬 수 있다. ST 와 조합된 이러한 효과는 '슈퍼 콤팩트 중성자 소스(Super Compact Neutron Source (SCFNS)'를 위한 출원인 설계의 기초이며, 이는 B =1.5 Tesla 를 가진다 (참조 문헌 [2]).

D-T 융합으로 작동되는 SCFNS 에 의해 생성된 파워(P_fus)는 1-2 MW 로 평가되는 반면에, 입력 파워(P_NBI)는 NBI 의 ~6MW 이다; 따라서, NBI 의 6 MW 를 생성하는 것은 ~18 MW 의 전기를 필요로 하기 때문에 비록 Q_eng(P_fus/P_total)가 ~0.05 일지라도 Q(P_fus/P_NBI)는 ~0.25 이다; 그리고 대략 10 MW 가 구리 자석내에서 소산으로 더 손실된다. 융합으로부터의 정미 전력(net power)의 발생은 Q_eng> 1 을 필요로 한다. 그럼에도 불구하고 SCFNS 는 소형 장치를 위한 현저한 융합 파워를 발생시키며, 14 MeV 중성자들은 전력 입력을 융합 파워 출력으로 변환시키는 저효율을 보상하는 많은 값진 적용예를 가질 수 있다.

이제까지 이러한 작은 규모의 접근 방식은 경제적인 융합 에너지 발전 플랜트로 이어질 수 없다고 생각되었는데, 이는 입력 중성 비임 인젝션(neutral beam injection, NBI) 파워가 상대적으로 크고, 플라즈마내에서 융합 반응에 의해 발생된 고온의 대전된 알파 입자들을 포함하기에 자기장이 충분하지 않기 때문이며, 따라서 그것이 제공할 수 있는 자체 가열을 잃게 되는데, 이는 융합 파워 생산을 목표로 하는 통상적인 토카막 디자인의 중요한 특징이다. 그러나 최근의 기술 발전은 이러한 소형 ST 들이 아래에 설명되는 바와 같이 높은 자기장을 달성할 수 있게 한다.

고온 초전도체

고온 초전도체(high temperature superconductor, HTS)에서의 최근의 발전은 융합에 대하여 광범위한 결과를 가진다. 통상적인 저온 초전도체(LTS) 자석은 액체 헬륨 범위(~ 4K)의 온도를 이용하는 반면에, HTS 는 유사한 결과를 도 1 에 도시된 바와 같이 77K 의 달성하기 편리하고 용이한 액체 질소 온도 또는 그보다 높은 온도에서 부여한다.

그러나 HTS 의 장점은 비용 및 편의성을 훨씬 넘어선다. 도 2 에서 알 수 있는 바와 같이, 만약 HTS 가 77 K 보다 낮은 온도에서 실제로 작동된다면, 커런트 운반 성능(current carrying ability)은 (도 2 의 임의로 주어진 인가 자기장에서 수직으로 움직이면서 도시된 바와 같이) 매우 증가되고, (도 2 에서 수평으로 움직이면서 도시된 바와 같이) 전도체는 훨씬 높은 자기장에서 작동될 수 있다. 실제로, 옥스포드 인스트루먼트(Oxford Instrument)는 최근에 HTS 자석이 거의 23T 를 발생시킨다는 점을 시연했으며, (실제로 HTS 코어를 LTS 외측부 안으로 삽입함으로써 이루어짐) 이는 LTS 에 의해 달성된 20T 를 초과한다.

더 높은 최대 자기장, 증가된 전류 운반 성능 및 감소된 냉각 복잡성의 조합이 의미하는 것은 매우 높은 환형 피일드의 HTS 자석들이 구형 토카막(Spherical Tokamak) 코어의 제한된 공간 안에서 가능할 수 있다는 점이다. 예를 들어, (도 2 로부터 시사된 바와 같이) 만약 30T 가 중심 칼럼의 가장자리에서 가능하다면, 이것은 SCFNS 와 같은 1.66 의 어스펙트 비율(aspect ratio)의 ST 의 주 반경(major radius)에서 12T 를 제공할 것이다. SCFNS 와 같은, 비임 구동 장치에서의 융합 파워는 대략 B_T 의 세제곱에 비례하는 것으로 관찰되었다 (참조 문헌 [3]). 이것이 뜻하는 것은 B_T 를 현존의 SCFNS 디자인에 대한 1.5 T 로부터 여기에 설명된 높은 피일드의 버전에 대한 12T 로 증가시킴으로써, 융합 파워는 대략 12/1.5 의 세제곱으로 증가될 것이며, 즉, 512 로 증가될 것이다; 따라서 Q_fus 는 ~ 128, Q_eng 는 ~ 38 이고; 모든 것이 작은 장치내에 있게 된다!. 추가적인 장점은 이러한 높은 피일드에서, 융합 반응 동안에 발생되는 대전된 알파 입자들이 플라즈마 안에 남아서, 현저한 자체 가열을 제공하고 또한 원자로의 효율을 더욱 증가시킨다는 점이다. Jassby 의 참고 문헌 [1] 에 의한 작업이 나타낸 바에 따르면, 대략 Q_fus ~ 3 에서 이상적인 비임-플라즈마 융합의 효율에 대한 기본적인 제한이 있어서, 이것이 여전히 소형 장치로부터의 매우 효율적인 중성자 소스를 허용하지만, 이것은 에너지 생산을 위한 존립 가능한 접근 방식은 아니다. 그러나, 이제 생각되는 높은 피일드에서, 더 우수한 봉입(confinement), 더 높은 플라즈마 온도 및, 따라서 열 융합, 가능하게는 중성 비임 가열의 필요성 없는 순수한 열 융합 및 비임 플라즈마 융합의 조합을 얻는다.

최대로 달성 가능한 열 융합 파워는 환상형 피일드 파워의 4 승에 비례하는 것으로 공지되어 있다. 사실상 이는 β²B_T ⁴V 에 비례하는데, 여기에서 β는 정상(normalized)의 플라즈마 압력이고 V 는 체적이다. β 한계는 통상적인 낮은 어스펙트 비율의 토카막에서보다 구형(spherical) 토카막에서 4 내지 5 배 더 높으며, 따라서 B_T 가 12T 또는 그 이상일 수 있으면서 높은 플라즈마 압력을 얻을 수 있다면, 작은 구형 토카막으로부터도 높은 열 융합 파워가 가능하다. 예를 들어, ITER 은 5.5T 의 환형 필드로써 500 MW 의 융합 파워를 발생시키는 것으로 예상된다. 2 배의 환형 필드 및 4 배 더 높은 β를 가진 구형 토카막은 1/256 의 체적으로써 동일한 파워를 발생시킬 수 있다.

고온 초전도체 기술은 빠르게 계속 발전하고 있다. 제 1 세대의 HTS 재료인 BSCCO 는 YBCO 에 의해 급속하게 앞질러졌다. 기본적으로 높은 임계 필드 및 임계 커런트를 가진 신규 HTS 재료들의 발견 뿐만 아니라, YBCO(또는 보다 일반적으로 (Re)BCO로서, 여기에서 Re 는 희토류 원자)와 같은 현존 재료의 엔지니어링 성능이 급속하게 향상되고 있는데, 이는 HTS 로부터 제작된 자석들이 점점 작아지는 도전체들로써 점점 높은 필드를 달성할 수 있는 결과와 함께 한다. 본 명세서에서 이해되어야 하는 바로서, HTS 재료는, 낮은 자기장에서 대략 30 K 보다 높은 온도에서 초전도체 특성을 가지는 그 어떤 재료라도 포함한다.

강력한 고 에너지 중성자 충격하의 HTS 의 성능은 아직 알려져 있지 않지만, 몇달 또는 몇년 동안 작동이 유효하게 유지되기 위하여 10 cm 보다 큰 차폐가 필요할 것이라는 우려가 있다. 이러한 양의 차폐는 소형의 구 형상 토카막의 중심 칼럼(central column) 둘레에서 수용되기에 너무 클 수 있다. 높은 커런트가 중심 칼럼을 통과하는 것을 허용하도록 몇가지 대안의 수단이 이용될 수 있다.

도 5 는 표준적인 HTS 테이프(500)의 구성 요소들의 개략적인 도면이다. 그러한 테이프는 전체적으로 100 마이크론의 두께를 가지며, 대략 50 마이크론 두께의 전자 폴리싱(electroposhing)된 해스털로이 기판(hasteloy substrate, 501)을 구비하고, 그 위에 IBAD 또는 마그네트론 스퍼터링에 의하여 일련의 버퍼 스택 층(buffer stack layers, 502)들이 증착되는데, 이러한 층들 각각은 대략 0.2 마이크론 두께이다. 에피택시얼 (RE)BCO-HTS 층(503)(MOCVD 에 의해 증착됨)이 버퍼 층 위에 놓이며, 통상적으로 1 마이크론 두께이다. 2 마이크론의 실버 층(504)이 스퍼터링에 의해 HTS 층상에 증착되고, 20 마이크론의 구리 스테빌라이저 층(copper stabilizer layers, 505)이 테이프의 양쪽 측부로 전기 도금된다. 테이프에서의 커런트를 증가시키기 위하여, HTS 층의 두께는 1 마이크론보다 크게 증가될 수 있고, 바람직스럽게는 2 마이크론보다 크게 증가될 수 있고, 더욱 바람직스럽게는 4 내지 20 마이크론 사이로 증가될 수 있다. 두께를 4 내지 20 마이크론 사이로 증가시키는 것은 커런트를 2 내지 5 사이의 인자로 유지될 수 있는 커런트를 증가시키고(참고 문헌 [20]), 4 내지 20 사이의 인자로 중성자 공차(neutron tolerance)를 증가시킨다. 위에서 언급된 바와 같이, 전체적인 테이프 두께가 통상적으로 100 마이크론이며, 따라서 만약 유일하게 변화가 이루어진다면, 테이프 두께의 증가는 20 % 보다 작을 것이다.

다른 접근 방법은 구리 층(505) 및 해이스털로이 층(501)(또는 테이프에 있는 도전/지지를 위한 다른 비(非) HTS 층)의 두께를 감소시키는 것이다. 이러한 비-HTS 층들의 두께를 가지는 것은 테이프에서의 전류 밀도를 대략 2 배로 하여, 차폐를 위한 공간을 더 허용한다. 비-HTS 층들의 두께는 90 마이크론 미만으로 감소될 수 있다.

제 3 의 접근 방식은 도 6 에 도시된 선택 B 의 HTS 대신에 구형 토카막에서 극저온을 이용하여 냉각된 베릴륨 또는 알루미늄의 중심 기둥(central post)을 이용하는 것이다. 베릴륨 또는 알루미늄에는 소망스럽지 않은 저항 손실이 있을 것이며, 이들이 이상적으로는 30 K 또는 그보다 더 낮게 냉각됨으로써 최소화될 수 있고, 그리고 베릴륨 또는 알루미늄 중심 기둥을 환상형 필드 코일(field coil)의 HTS 외측 아암들에 연결함으로써 최소화될 수 있다. 베릴륨 또는 알루미늄은 30 K 또는 그 보다 낮은 온도에서 낮은 저항성을 가지기 때문에 선택되고, 또한 고에너지 중성자로부터의 손상에 저항성이 있기 때문에 선택된다. 이러한 특성들 또는 유사한 특성들을 가진 다른 요소들 또는 재료들이 이용될 수도 있다.

제 4 수단은 외측의 극저온 냉각된 베릴륨 또는 알루미늄 중심 기둥을 도 6 에 도시된 선택 C 로서의 HTS 로 만들어진 내측 부분과의 조합을 이용하는 것이다. 베릴륨 또는 알루미늄 외측부는 HTS 의 일부 차폐를 제공한다. 이상적으로는 30K 또는 그보다 낮은 온도로 냉각시키고, 베릴륨 또는 알루미늄/HTS 중심 기둥을 환상형 필드 코일들의 HTS 외측 아암들에 연결시키는 것은 저항 손실을 최소화시키는데 여전히 필요하다.

이러한 기술들, 예를 들어, 제 1, 제 2 및 제 4 수단의 조합이 이용될 수 있다.

효율적인 ST 융합 중성자 또는 에너지 소스가 실시되도록, 다음의 문제 해결이 소망스럽다.

* 통상적인 중심 솔레노이드 없이 플라즈마 흐름(plasma current)를 개시함

* 플라즈마 흐름을 요구되는 값으로 증가시킴

* 플라즈마 흐름을 오랜 시간 동안 낮은 파워 입력으로써 유지함

* 낮은 파워 입력에서 중성자를 발생시키도록 플라즈마를 가열

* 다이버터(divertor) 영역들에 있는 플라즈마로부터의 열 부하가 허용 가능함을 보장

* 에너지의 생성 또는 과학적 적용 및 다른 적용을 위한 중성자의 영향을 발생시키면서, 중성자 손상에 대하여 자체적으로 보호할 수 있는 구조의 설계

높은 환상형 필드에서 작동하는 효율적인 콤팩트 핵융합로를 위한 몇가지 사양들이 고려되었으며, 이는 다음을 포함한다:

a. 구리 또는 초전도체 자석들 및 어스펙트 비율 A=3-4 (A=R/a-토러스의 큰 반경(R) 대(對) 작은 반경(a) 의 비율)를 가진 토카막

b. 초전도체 자석 및 A=2 를 가진 토카막

c. 구리 자석 및 A=1.5 -1.8 을 가진 콤팩트한 구(球)형 토카막

d. LTS 자석 및 A=1.5 - 1.8 을 가진 콤팩트한 구형 토카막

e. HTS 자석 및 A=1.5 - 1.8 을 가진 콤팩트한 구형 토카막

f. 베릴륨 또는 알루미늄과 HTS 자석 및 A=1.5 - 1.8 의 조합을 가진 콤팩트한 구형 토카막.

선택(a) 및 선택(b)는 잘 알려져 있지만, 이들이 대형이고, ITER 에 대하여 크기에 있어서 비견될만한 것이라면 높은 효율을 달성할 수 있다. 그러한 장치들에서 커런트 구동(current drive)에는 중성 비임 인젝션(neutral beam injection)이 중요하지만, 중성자 또는 에너지 생성에는 많은 기여를 하지 않는다.

선택(c)은 커런트 운반 성능 및 구리의 강도에 의해 제한된다. 토카막의 중심에서의 제한된 공간 때문에 낮은 어스펙트 비율을 가진 소형 장치에서는 높은 필드를 달성하는 것이 곤란하다. 더욱이, 구리를 통한 높은 전류에 대한 전력 및 냉각 요건들은 매우 중요하며 이것은 실질적으로 오랜 동안의 펄스 작동을 억제한다.

선택(d)은 존속 가능하며, LTS(MgB₂, Nb₃Sn 및 NbTi 와 같은 재료들)의 성능은 비록 이러한 재료들이 높은 필드를 달성할 수 있는 저온 유지 장치(low temperature cryostat)의 설계가 도전적(challenging)일지라도 만족스러울 수 있다.

선택(e)은 선택(d) 보다 우수하며, 이는 HTS 의 성능이 LTS 의 성능보다 우수하기 때문이다. HTS 는 높은 자기장에서 높은 전류 밀도를 유지할 수 있고 LTS 보다 높은 온도를 유지할 수 있다. 이것은 HTS 도전체의 크기 및 주위의 저온 유지 장치가 LTS 에 대해서보다 작을 수 있다는 것을 의미한다. 다시 이것은 높은 자기장에서 작동되고 따라서 보다 효율적이면서, 전체 장치가 작을 수 있고 저렴할 수 있음을 의미한다.

선택(f)은 선택(e) 보다 우수한데, 왜냐하면 베릴륨 또는 알루미늄의 중심 기둥 또는 부분적인 중심 기둥이 신속한 중성자들에 의하여 HTS 에 대한 손상의 문제점을 극복할 수 있기 때문이다.

본 출원은 선택(e) 및 선택(f)에 초점을 맞추는데, HTS 환상형 필드 코일을 가지거나, 또는 베릴륨 또는 알루미늄 및 HTS 환상형 필드 코일의 조합을 가지는, 콤팩트한 구형 토카막에 기초한 효율적인 콤팩트 핵융합로(Efficient Compact Fusion Reactor)에 초점을 맞춘다. 이것은 3T 또는 그 이상의 상대적으로 높은 환상향 필드에서 작은 구형 토카막 원자로를 작동시킬 기회를 제공함으로써, 생성된 융합 파워에서의 거대한 증가를 잠재적으로 제공하는데, 왜냐하면 열 융합의 경우에, 융합 파워는 환상형 필드의 4 승으로 증가할 수 있기 때문이다. 더욱이, 자석의 방산에서의 에너지 손실은 HTS 가 사용되면 크게 줄어든다.

ST 에 기초한 융합 장치들에 대한 이전의 연구

상세하게 장치를 설명하기 전에, 구형 토카막에 기초한 융합 장치들에 대한 이전의 연구들을 고려하는 것이 도움이 될 것이다.

스탬버그(Stambaugh)등은 "The Spherical Tokamak Path to Fusion Power'(참고 문헌[5])에서 R ~ 0.7m 의 주 반경을 가진 파일롯 플랜트(Pilot Plant)를 구비하는 구형 토카막(ST)의 계열을 설명하였으며(플라즈마 커런트 Ip -10MA, 중심 환상형 필드 B_To ~ 2.8T), 이것은 8MW/m2 의 벽 부하(wall loading)(반경 Ro +2a 에 있도록 취해진 벽)와, ~7 의 최적으로 높은 H 인자(통상적인 토카막에 대한 스케일링 법칙(scaling law)을 넘는 에너지 제한의 증가) 및 ~ 62 % 의 β_T(효율의 측정:포함된 플라즈마 압력 대(對) 필요한 자기장 압력의 비율)에서 현저한 출력(400MW)을 가지며, 또한 전기를 경제적으로 생성하도록 설계된다.

헨더(Hender) 등은 융합 원자로 구성 요소들을 시험하도록 충분한 중성자 영향을 발생시키게끔 설계된 유사하게 적절한 크기의 ST (R -0.7m, Ip - 10.3MA, BTo~3T, 적절한 H 인자 ~ 1.3 에서의 융합 출력 ~ 40MW, β₂ ~ 2.6 및, ( Ro+2a 에서의) 0.75MW/m2 의 벽 부하)에 기초한 구성 요소 시험 설비(Component Test Facility;CTF)를 고려하였다(참고 문헌[6]).

윌슨(Wilson)등은 참고 문헌 [7] 에서 헨더등의 작업을 확장하여 A ~ 1.6 의 CTF 를 다시 제안하였는데, 이것은 해마다 < 1 kg 의 트리튬을 소비하고 상세하게는 구성 요소들 및 재료들을 시험함으로써 융합 파워에 접근하도록 설계된다. 이들의 장치는 R ~0.75m, Ip ~ 8MA, BTo ~ 2.8, H-1.3, PNBI ~ 60MW 를 가지고, Pfus -50MW 를 산출하는데, 이것은 (이하에서 더 상세하게 설명될) 비임-플라즈마 상호 작용으로부터 대략 25 % 상승된 것이다.

보스(Voss) 는 참고 문헌[8]에서와 같이 윌슨의 디자인을 발전시켰는데, 크기를 R=0.85 m, a=0.55 m 로 약간 증가시키고, 전류 및 필드를 6.5MA 및 2.5T 로 약간 감소시키고, 다시 H=1.3 을 취하고, PNBI=44MW 및 Pfus=35MW 를 산출하였다.

네스트로브키(Dnestrovkik)등은 참고 문헌 [9]에서 윌슨 CTF 의 DINA 코드 시뮬레이션을 제공하였으며, NBI 에너지의 상이한 혼합(40keV 에서의 6MW 및 150 keV 에서의 44 MW)을 이용하여 전류의 증가를 제공할 수 있고, (50% 와 비교되는) 70 % 의 커다란 트리튬 분류(tritium fraction)에 의해 보조되어 동일한 융합 출력(50 MW)을 획득하지만 상당히 낮은 플라즈마 커런트(8 MA 에 비교되는 5.55MA)를 얻는다는 점을 발견한다. 비록 트리튬이 희소하고 비싸지만, 낮은 플라즈마 압력에서(따라서 향상된 플라즈마 안정성으로) 동일한 중성자 출력을 얻도록 커다란 트리튬 분류를 이용하는 선택은 매력적이다.

펭(Peng) 등은 참고 문헌[10]에서 대형의 CTF 를 제공하는데, 이것은 R=1.2m, A=1.5, k=3.07, Bt=1.1 -2.2T, lp=3.4-8.2MA, 가열 파워 15-31 MW, 부트스트랩(bootstrap) (자체 구동 커런트) 분류 ~0.5, Q (융합 파워 출력 대(對) 입력 파워의 비율)= 0.5-2.5, Pfus=7.5-75MW 를 가진다. 이러한 CTF 는 트리튬 양육(tritium breeding)의 사양을 가진다.

갈바오(Galvao) 등은 참고 문헌 [12] 에서 'Multi functional Compact Tokamak Reactor Concept'의 장치를 연구하였으며, 이것은 주 반경이 Ro= 1.2 (MAST 및 NSTX 보다 대략 50 % 크다)이고, A=1.6, Ip = 5MA, BTo = 3.5T 를 가지며, 5 MW 내지 40 MW 의 보조 가열 파워의 범위에 대하여 융합 이득(Q) ~ 1 을 획득하였다. 흥미롭게도, 낮은 파워에서는 최대 Q ~1 의 이득이 항상 낮은 밀도에서 발생되는 반면에, 부트스트랩 커런트는 밀도와 함께 거의 선형으로 증가되며, 따라서 높은 성능의 선택은 가장 큰 자체 구동 커런트(self-driven current)의 장점을 가진다. 그러나, 이러한 연구는 비임-플라즈마 상호 작용에 의해 제공되는 추가적인 중성자 생산을 고려하지 않는다.

보다 최근에, 코첸레우터(Kotchenreuther) 등은 참고 문헌 [11]에서 임계 다이버터 열 부하 문제를 해결하는 '슈퍼 X' 다이버터(divertor)를 이용하여 100 MW 융합 출력(Ro=1.35 m, 어스펙트 비율 1.8, BTo = 3.1 T, lp=10-14 MA)을 가진 대형 융합 중성자 소스(Fusion Neutron Source)를 제안하였다. 이들의 장치는 CTF 로서, 또는 융합-분열 하이브리드의 기초로서 사용을 위하여 설계된다.

상기의 모든 연구들은 α 입자 가열과 관련하여, 커런트 구동 및 가열을 위하여 NBI 를 채용한다 (α 입자들은 상기 연구들에서 채용된 높은 플라즈마 커런트에서 낮은 급속 손실(prompt losses)을 가진다는 점이 주목되어야 한다). 이들은 잘 이해된 기술(예를 들어, 구리 권선)을 이용하며, 어스펙트 비율 1.4 ~1.6 을 이용한다 (그 비율에서는 중심 칼럼 브랭킷(centre-column blanket)의 필요성 없이 충분한 트리튬이 양육(breeding)될 수 있다).

최근에, 작고, 낮은 전력의 콤팩트한 융합 중성자 소스들이 제안되었으며, 이것은 1-2 MW 의 적당한 융합 출력을 가진다. 이들의 요건은 특히 스탬바우(Stambaugh) 등의 연구에서와 같은 상기 연구들에서의 요건보다 현저하게 약화되었는데, 상기 스탬바우 등의 연구에서는 안정 한계에 근접한 긴 펄스(long pulse)의 작동을 필요로 하고 비용 효과적인 전기 생산을 보장하도록 높은 벽-부하(high wall-loading)을 필요로 한다. 헨드(Hender) 및 윌슨(Wilson)은 충분한 구성 요소의 시험을 위하여 장기간의 높은 중성자 플럭스를 필요로 하고, 높은 플라즈마 커런트에서 작동한다. 이러한 최근의 제안들에서, 물리 한계들 및 엔지니어링에서의 요구 사항들은 많이 감소되지만, 유용한 융합 파워가 획득될 수 있어야만 한다.

2 가지 최근 연구들은 특히 관련되어 있다:

큐티브(Kuteev)(참고 문헌 [13])는, 전체 보조 가열 및 커런트 구동 파워 <15 MW 및 전체 파워 소비 < 30 MW 를 필요로 하면서 10 MW 의 융합 파워까지 전개되는 소형 설비에 대한 필요성을 특히 해결하였다. 이들은 극단적으로 감축된 조건하에서 스탬바우 범위의 가장 작은 (Ro ~ 0.5m) 일부를 재평가하였다:~ 3 X 10¹⁷ n/s 의 중성자 영향력을 가진 lp ~ 3MA, BTo ~ 1.35T 는 ~1MW 의 융합 파워 및 중성자 부하 0.1 MW/m² 에 대응한다. 중성자 생성은 비임-온-플라즈마(beam-on-plasma) 효과에 의해 배가되는 것보다 많다는 점이 모델링(modelling)에서 나타난다. 처음의 파일롯 장치(pilot device)에서 중요한 것으로서, 건조 비용은 200 M 파운드보다 적게 평가되었다.

따라서 높은 플라즈마 커런트에서 작동되기 보다는, 의미 있는 NBI 보조 가열을 채용하고 재스비(Jassby)(참고 문헌 [1])에 의해 지적된 바와 같이 NBI 비임-온-플라즈마 상호 작용으로부터의 의미 있는 중성자 생성을 향유할 수 있다. 이러한 효과는 방사된 비임들이 열 토카막 플라즈마내에서 느려질 때 발생되며, 여기에서 고려된 ST 플라즈마들에서 유효하다.

사이크(Sykes) 등(참고 문헌 [2])은 비임-플라즈마 융합 개념을 발전시키고 1-2 MW 의 (비임 플라즈마 융합)에 의해 지배되는) 융합 파워를 가진 작은 구형 토카막(SCFNS -Super Compact FNS)을 제안한다. SCFNS 는 (Kuteev 설계의 절반인) lp=1.5 MA 와 함께 R ~ 0.5 m 및 BT =1.5 T 의 파라미터들을 가진다. 오직 ~ 6 MW 의 중성 비임 파워가 플라즈마 커런트를 유지하고 융합 파워를 제공하는데 충분하다; 이러한 낮은 입력 파워는 벽 및 다이버터(divertor) 부하를 허용 가능한 값으로 감소시켜서, ITER 을 위하여 전개된 기술이 이용될 수 있다.

구형 토카막(spherical tokamak)은 통상적인 토카막의 낮은 어스펙트 비율 버젼(small low aspect ratio version)을 나타내며 본 발명의 중요한 구성 요소이다.

구형 토카막(ST)의 개념은 처음에 재스비(참고 문헌 [14])에 의해 소개되었고 이후에 펭(참고 문헌 [15])에 의해 소개되었다. 동시에, 소형의 낮은 어스펙트 비율의 토카막 GUTTA 이 러시아의 로프 인스티튜트(loffe institute)에서 건조 및 작동되어, ST 개념의 독특한 특징들중 일부를 확인하였다. 구형 토카막의 주된 장점들중 제 1 현시(demonstration)(즉, 높은 베타(beta), 높은 자연 신장(natural elongation), 향상된 안정성 및 향상된 봉입-H 모드)는 START 장치(참고 문헌 [16])였으며, 이것은 컬햄 래보래토리(Culham Laboratory)(1990-1998)에서 작동되었다. START 는 소형 토카막이었지만 표준 플라즈마 압력 β_t ~ 40 % 를 달성하였다 (이것은 여전히 토카막들에 대한 기록이다). ST 에서 플라즈마 칼럼의 어스펙트 비율(A)은 통상적인 토카막 어스펙트 비율 범위(A≒3-4)에 관련하여 실질적으로 감소되어, 플라즈마 안정성에서 현저한 향상을 제공한다. 지난 10 여년간 작동된 15 개 보다 많은 소형 및 중형 크기 ST 에서 확인된 높은 신뢰성, 우수한 결과 및 단순 구조의 조합은 융합 연구에서의 다음 단계로서 ST 에 대한 강력한 동기를 발생시키며, 높은 성능 및 소형 크기는 ST 를 건조 비용 및 (만약 D-T 작동이 소망된다면) 트리튬 소비 양쪽에서 경제적인 것으로 만든다.

(Y-K M Peng 의 호의에 의한) 도 3 은 어스펙트 비율 감소의 효과를 도시한다. 도면은 통상적인 토카막(31)에서 그리고 구형 토카막(32)에서 주위 자기장 라인들을 도시한다. 통상적인 토가막(31)에서, 자기장의 우호적인 만곡(favorable curvature)의 영역(내측의 높은 필드(high field) 및 안정 영역) 및 비우호적인 만곡(unfavorable curvature)(외측의 불안정 영역)의 영역에서, 자기장 라인들은 비견될만한 길이들을 가진다. 구형 토카막(32)에서, 내측의 안정 영역에 있는 필드 라인 경로는 외측의 불안정 영역에서보다 현저하게 높고, 필드 라인은 전체적으로 플라즈마의 중심 코어상으로 감싸는데, 그곳에서 환상의 자기장이 가장 높다. 자기 트랩(magnetic trap)에서의 입자 운동은 필드 라인들을 향하므로, 어스펙트 비율 감소의 가장 간단한 결과는 플라즈마 칼럼 자기-유체역학(magneto-hydrodynamic; MHD) 안정성에서의 증가이다. 이러한 향상된 MHD 안정성은 플라즈마 커런트에서의 현저한 증가 또는 환상형 자기장 강도에서의 감소를 허용한다; 이러한 특징은 성공적인 ST 실험에서 이용되었으며, 특히 컬햄(Culham)에서의 START (참고 문헌 [16]참조)에서 이용되었다. 도면은 예리한 플라즈마 에지(plasma edge)를 가진 START 토카막에서의 플라즈마(33)를 도시하며, 이것은 ST 플라즈마에서 얻을 수 있는 우수한 봉입 특성(H-모드)을 나타낸다.

오늘날까지, ST 는 우수한 물리 성능을 발생시켰지만 지금까지 이들은 낮은 자기장, 낮은 가열 동력을 가지며, 이들 대부분은 짧은 펄스의 장치들이다. 트리튬이 사용되지 않았으므로 중성자 플럭스(neutron flux)는 적절하며, 모델링(modelling)이 나타내는 바에 따르면 D-T 혼합이 채용될 수 있을지라도, 낮은 환상형 필드 때문에 중성자의 산출은 작을 것이다.

제안된 장치인 효율적인 콤팩트 핵융합로(Efficient Compact Fusion Reactor(ECFR))는 높은 자기장, 높은 유용성, 높은 중성자 흐름, 낮은 가동 비용 및, 연장된 시간 기간에 걸쳐서 총 에너지(net energy)를 발생시키는 성능을 가지는 최초의 ST 이다.

ECFR 의 주 파라미터들

ECFR 은 신장된 플라즈마를 가지는 긴 펄스의 구형 토카막이고 이중-무효 다이버터(double-null divertor)이다. 설계 목표는 듀테리움-듀테리움(deuterium-deuterium;DD)으로 진전되기 전에, 그리고 만약 소망된다면, 상당한 중성자의 흐름이 결과되는 듀테리움-트리튬(DT) 혼합으로 진전되기 전에, 수소에서의 일상적인 정상 상태 작동(방사능의 문제 없이 최적화 및 임의의 필요한 변형이 이루어질 수있음)을 나타내는 것이다. 이러한 설계는 시험 목적을 위하여 중성자 출력의 제어를 허용하는 선택적인 특징들을 포함한다 (특히 차폐/중성자 반사부 및 중수 블랭킷(heavy water blanket)을 포함한다).

표준적인 작동은 대부분의 엔지니어링 요건들에 대하여 "유사 정상 상태(quasi steady state)"로서 판단되는 1000 초 보다 긴 연소 길이 동안의 현저한 D-T 융합 파워를 발생시킨다. 대략 최대 200 KeV 에너지의 중성 비임의 인젝션은 보조적인 파워의 메인 소스(main source)를 제공하고 커런트 구동을 보조할 수 있다. RF 가열 및 커런트 구동도 또한 고려된다.

개시 및 상승( Start - up and ramp up )

현존의 토카막에서 플라즈마 커런트는 대형의 중심 솔레노이드를 이용하여 변형 작용(transformer action)에 의해 시작된다. 대형의 중심 솔레노이드를 이용하지 않으면서 ECFR 에서 플라즈마 커런트의 개시 및 상승을 얻도록 계획되는데, 왜냐하면 최종 설계에서, 권선을 보호하는데 필요한 광범위 차폐를 위한 불충분한 공간이 있을 수 있으므로 중성자의 큰 영향이 중심 솔레노이드의 이용을 억제할 수 있기 때문이다. 본 발명에서, 넓은 범위의 기술들이 이용될 수 있다.

구형 토카막의 주된 장점은 (낮은 어스펙트 비율 및 높은 신장을 가진) 플라즈마들이 낮은 인덕턴스(inductance)를 가지며, 따라서 커다란 플라즈마 커런트가 용이하게 얻어진다-플라즈마를 억제하는데 필요한 증가하는 수직 필스로부터의 플럭스 입력(input of flux)은 낮은 어스펙트 비율에서 또한 현저하다 (참고 문헌 [17]).

MAST 에서의 실험은 0.7A/Watt 의 효율로 (수직 필드 램프(vertical field ramp)에 의해 보조되는) 28 GHz 100kW 의 자이로트론(gyrotron)을 이용하는 개시(start up)를 나타내었다 (참고 문헌 [18]). ECFR 에 설치된 자이로트론은 ~ 1MW 의 파워를 가질 수 있고 ~ 700 kA 의 개시 커런트(start-up current)를 발생시키는 것으로 예측된다.

대안의 계획은 소형 솔레노이드(또는 상부/하부 솔레노이드의 쌍)를 이용하는 것으로서, 이것은 소형 차폐부를 가진 미네랄 절연(mineral insulation)을 이용하여 만들어진다 (또는 D-T 작동이 시작되기 전에 수축되도록 설계된다). 그러한 코일은 MAST 또는 NSTX 에서 사용되는 것으로서의 등가의 솔레노이드로서 대략 25 % 의 볼트-세크 출력(volt-secs output)을 가질 것으로 예측된다. 0.5 MA 정도의 초기 커런트가 예상된다. 양쪽 계획들을 조합하는 것이 특히 효율적일 것이다.

'수축 가능 솔레노이드(retractable solenoid)' 개념의 새로운 발전은 HTS 로부터의 솔레노이드 권선을 이용하고, 토카막 외부에 있는 액체 질소의 실린더 안에서 그것을 냉각하고, 초전도성을 여전히 가지면서 중심 튜브로 삽입하여, 전류를 통과시켜서 초기 플라즈마를 발생시키고, 다음에 D-T 작동 이전에 솔레노이드를 수축시킨다. HTS 이용의 장점은 낮은 전력 공급 요건 및, 지지된 HTS 권선들에 의해 허용될 수 있는 높은 응력이다.

이러한 초기의 플라즈마 커런트는 낮은 에너지의 NBI 비임들에 대한 적절한 목표일 것이며, 이들이 발생시키는 열 및 커런트 구동은 작동 레벨로까지 커런트 램프(current ramp)를 제공할 것이다.

가열 및 커런트 구동( Heating and current drive )

이전에 설명된 바와 같이, 건조 비용 및 가동 비용을 최소화시키고, 다이버터(divertor)의 열 부하(heat load)를 허용 가능 수준에서 유지하기 위하여, 최소 보조 가열 및 최소 커런트 구동에서 중성자의 현저한 영향을 획득하는 것이 소망스럽다.

프린스톤(Princeton)에서의 CDFE 및 NSTX 에서 양쪽 MAST 상의 최근 결과로부터 유추된, 최근의 에너지 봉입 스케일링(energy confinement scaling)이 시사하는 바에 따르면, ST 에서의 에너지 봉입은 통상적인 토카막에서보다 자기장에 강하게 의존하고 플라즈마 커런트에 덜 의존하며, 따라서 이러한 설계의 높은 필드에 대하여 향상된다.

NBI 를 포함하는 가열( 그리고 커런트 구동)의 다양한 방법들 및 라디오주파수(RF) 범위의 방법들이 적절할 수 있다. NBI 는 가장 널리 이용되는 계획이며, 플라즈마 안으로의 용이한 인젝션을 장점으로 가지고, 대부분의 RF 방법들보다 플라즈마 파라미터들에 대하여 감도가 덜하다는 장점을 가진다.

NBI 는 또한 커런트 구동의 가장 통상적으로 이용되는 방법이다. 그것의 효율은 많은 파라미터들-비임 에너지, 인젝션 각도, 플라즈마 밀도에 달려 있다. 통상적으로 NBI 의 1MW 는 0.1 MA 의 플라즈마 커런트를 구동할 수 있다; NBI 는 MW 마다 대략 3M 파운드의 비용이 소요되기 때문에, 이것이 주요 비용이다. 잠재적으로 도움이 되는 특징은 고온의 고 에너지 플라즈마에서 발생되는 자체 구동의 '부트스트랩(bootstrap)' 커런트로서, 이것은 필요한 커런트의 절반 또는 그 이상을 부담할 수 있다. 그러나 부트스트랩 커런트가 밀도와 함께 증가되는 반면에, NBI 커런트 구동은 높은 밀도에서 감소되어, 주의 깊은 최적화가 필요하다.

다이버터에서의 열적 부하( Thermal load on divertors )

플라즈마를 가열하거나 또는 커런트 구동을 발생시키도록 플라즈마 안으로 펌핑된 에너지의 일부는 플라즈마의 에지에서 긁힘 층(scrape-off layer)을 따라서 나오는데, 이것은 다이버터 코일(divertor coil)에 의해 국부화된 다이버터 타격 지점들로 향한다. 여기에서 단위 면적당 파워는 모든 융합 장치들에서 중요한 관심사이며, 작은 중성자 또는 에너지 소스에서 정상적으로 수용 불가일 것이다. 그러나 본원에서는 입력 파워가 크게 감소되며 (다른 설계에서 수십 MW 에 비하여 수 MW 정도), 따라서 다이버터 부하가 그에 대응하여 감소된다. 추가적인 방법들은, 타격 지점 스위핑(strike-point sweeping); START 에서 관찰되는 '자연적인 다이버터' 특징의 이용; 및, (참고 문헌 [19]에서 팽(Peng)과 힉스(Hicks)에 의해서 주창된 바와 같이) 배기 프룸(exhaust plume)을 지향시는 다이버터 코일 이용;의 조합에 의해 단위 면적당 부하를 더욱 감소시키도록 이용되고; 가능하게는 (참고 문헌 [11]에서) 코쉔레우터(Kotschenreuther)에 의해 주창된 '슈퍼-X' 다이버터에서와 같이 영향 범위(footprint)를 넓은 반경으로 확장시킬 수 있다. 이것은 다이버터 제어 코일에서 보통 큰 전류를 필요로 하는데, 왜냐하면 이들이 보호를 위하여 중성자 소스로부터 다소 이동되어야 하기 때문이다; 그러나 이러한 요구는 여기에서 다루기가 쉬우며, 왜냐하면 적절한 플라즈마 커런트가 필요하기 때문이다. 다른 장점은 목표 영역에 걸쳐 액체 리튬의 유동을 이용함으로써 얻어질 수 있으며, 이는 예를 들어 폐쇄된 리튬 유동 루프(closed lithium flow loop)에서 용기로부터 기체를 펌핑하는데 이용되기도 할 것이다.

장치의 일반적인 개요( General outline of this device )

중성자 소스로서 이용되기에 적절한 통상적인 구리 자석들을 가진 구형 토카막의 단면은 도 4 에 도시되어 있다. 토카막의 주요 구성 요소들은 환상형 필드 자석(TF)(41), 선택적인 소형의 중심 솔레노이드(CS)(42) 및 폴로이달 필드(poloidal field;PF) 코일(43)들이며, 이들은 환상형 진공 용기(44) 안에 있는 플라즈마를 자기적으로 봉입, 형상화 및 제어한다. D 형상 TF 코일(41)에 작용하는 중심을 향하게 하는 힘은 상기 코일들에 의하여 그들의 직선 섹션들로써 형성된 저장부(valut) 안의 쐐기 작용(wedging)에 의해 반작용된다. 외부 PF 코일들 및 TF 코일(41)들의 외측 부분들은 블랭킷 및 차폐부(45)에 의해 중성자 플럭스로부터 선택적으로 보호된다. TF 코일, 중심 솔레노이드 및 다이버터 코일들의 중심 부분은 오직 차폐부에 의해 보호된다.

진공 용기(44)는 이중 벽으로서, 플라즈마를 향하는 타일들을 가지는 벌집 구조를 포함하고, 하부 포트 및 다른 구조체들을 통하여 직접적으로 지지된다. 선택적인 중성자 반사부(45)들은 용기와 일체화되어 고속 중성자들의 봉입을 제공하는데, 고속 중성자는 포트(port)들을 통하여 외측 블랭킷으로 중성자 플럭스의 최대 10 배의 증배(multiplication)를 제공하며, 여기에서 중성자들은 목표물의 방사를 위해 이용될 수 있거나 또는 다른 고속 중성자의 적용을 위해서 이용될 수 있거나, 또는 저속 중성자들의 강력한 소스를 제공하도록 낮은 에너지로 열중성자화될 수 있다. 그러한 조립체의 이유는 상호 작용을 회피하고 토카막의 구조 안에서 저속 중성자들의 포착을 회피하기 위한 것이다. 외측 용기는 미래에 다른 유형 블랭킷(Pb, 염(salts) 등)으로 대체되거나 또는 상이한 시험 및 연구를 위한 다른 요소들을 포함시킬 선택을 보유하면서 D₂O 를 선택적으로 포함한다. 외측 차폐부는 중성자 방사로부터 TF 및 PF 코일들 및, 모든 다른 외측 구조를 보호할 것이다. 자석 시스템(TF, PF)은 각각의 TF 코일 아래에 하나가 있는 중력 지지부들에 의하여 지지된다. 중성 비임의 인젝션을 위한 포트(47) 및 접근을 위한 포트(48)가 제공된다.

외측 용기의 내부에서 내측 구성 요소(그리고 그것의 냉각 시스템)들은 플라즈마로부터의 중성자 및 방사 열을 흡수하고, D₂O 에 더하여 과도한 중성자 방사로부터 외측 구조 및 자석 코일들을 부분적으로 보호한다. 용기 안의 내측 구성 요소들에 침착된 열은 냉각수 시스템에 의해 환경으로 방출된다. 특수한 장치들이 채용되어 포착된 불순물 및 연료 개스를 배출시킴으로써 용기 내부의 플라즈마를 향하는 표면들을 베이킹(bake)하고 결국 세정한다.

토카막 연료 시스템은 연료 기체 또는 수소, 듀테륨 및 트리튬의 고체 펠렛과, 기체 또는 고체 형태인 불순물을 분사하도록 설계된다. 플라즈마의 개시(start-up) 동안에, 저밀도 기체 연료가 기체 분사 시스템에 의해 진공 용기 챔버 안으로 도입된다. 플라즈마 커런트가 증가될 때, 플라즈마는, 가능하게는 소형 수축 가능 솔레노이드(들) 및/또는 (START 및 MAST 상에서 이용되는 바와 같은) '병합-압축' 계획(merging-compression scheme)으로부터의 플럭스와 관련하여, 전자-사이클로트론 가열 및 EBW 보조 개시로부터, 신장된 다이버터 구성으로 진전된다. ST 개념의 주요 장점은 플라스마가 낮은 인덕턴스를 가지며, 따라서 필요하다면 커다란 플라즈마 커런트들이 용이하게 얻어진다-플라즈마를 억제하는데 필요한 증가되는 수직 필드로부터의 풀럭스 입력이 중요하다 (참고 문헌 [18]). 간단한 내부의 대형 반경 콘덕터(conductor)에 의하여 발생되는 플라즈마 링들의 시퀀스를 추가하는 것이 커런트를 증가시키도록 채용될 수도 있다.

커런트의 평탄한 상부에 도달된 후에, 추가적인 가열과 함께 차후의 플라즈마 연료 공급(기체 또는 펠렛)은 MW 범위에서의 융합 파워를 가진 D-T 연소로 이어진다. 가열 시스템으로부터의 비유도성(non-inductive) 커런트 구동으로써, 연소의 지속 기간은 1000 s 를 넘어서 연장될 것으로 생각되고, 시스템은 정상 상태 작동을 위하여 설계된다. 통합된 플라즈마 제어는 PF 시스템 및, 펌프 작용, 연료 공급(H, D, T 및, 필요하다면, He 및 N₂, Ne 및 Ar 과 같은 불순물), 그리고 진단 센서들로부터의 피드백에 기초한 가열 시스템에 의해 제공된다.

펄스는 보조 가열 및 커런트 구동 시스템들의 파워를 감소시킴으로써 중단될 수 있고, 이후에 커런트 감소 및 플라즈마 중단이 이루어진다. 가열 및 커런트 구동 시스템과 냉각 시스템은 긴 펄스의 작동을 위하여 설계되지만, 펄스의 지속 기간은 플라즈마를 향하는 구성 요소들상의 고온 장소들의 전개 및 플라즈마내의 불순물의 상승에 의해 결정될 수 있다.

위에 개략적으로 설명된 접근 방식은 정미의 파워(net power)를 발생시킬 목적을 가진 핵융합로의 이전 설계보다 훨씬 작은 '효율적인 콤팩트 핵융합로(Efficient Compact Fusion Reactor(ECFR))'의 설계를 가능하게 하는데, 이것은 그에 대응하여 저렴한 건조 및 작동 비용을 가진다 (현존 설계의 1/5 내지 1/15 의 체적, 자기장 에너지 및 트리튬 소비는 10-100 배 낮음). ECFR 은 과학 연구, 재료 시험, 의료 및 다른 적용예등을 위한 동위 원소의 생산에 이상적인 융합 중성자(fusion neutron)의 적어도 1MW 를 생성하면서, 정상 상태 작동, 플라즈마 제어, 트리튬 작동등과 같이 이전에 시험되지 않은 영역들을 평가하는 이상적인 첫번째 장치이다. ECFR 은 연장된 시간의 길이에 걸쳐서 정미의 에너지(net energy)를 발생시킬 수 있다. 그와 같은 것으로서 융합 기술의 유용한 현시(demonstration)보다 훨씬 낳은 것일 수 있으며, 융합 파워 스테이션의 첫번째 실행 가능한 현시일 수 있다.

이러한 설계는 넓은 범위에 걸친 새롭고 확립된 기술들의 신규한 조합에 의해 가능하게 되는데, 상기 기술들은 플라즈마의 개시; 플라즈마 커런트의 증가; 상대적으로 낮은 커런트, 필드 및 보조 가열에서의 중성자 생성을 향상시키는 핵심 방법들; 향상된 에너지 봉입의 이용; 제어 가능하고 튜닝 가능한 방식으로 중성자 에너지를 변화시키는 수단; 정상 상태 작동을 발생시키는 효율적인 수단; 배기 열 부하(exhaust heat load)를 취급하는 방법; 코일 권선을 보호하고 중성자 출력을 제어하는 구조, 특별한 차폐 및 선택적인 반사부(reflector)의 특별한 방법; 및, 작은 구형 토카막에서 예외적으로 높은 환상형 필드를 가능하게 하는 HTS 의 이용;을 포괄한다.

에너지 또는 중성자 소스로서 이용되기에 적절한 HTS 자석들을 가진 구형 토카막의 1/4 단면은 도 6a 에 도시되어 있다. 도 4 에 도시된 주요 구성 요소들에 추가된 이러한 토카막의 중요한 특징들은 HTS 또는 베릴륨 또는 알루미늄일 수 있는 중심 기둥(61), 중심 기둥을 냉각시킬 수 있게 하는 단열 및 냉각 채널(62), HTS 로부터 만들어진 외부 코일(64)에 대한 중성자 손상을 방지하는 차폐부(63), HTS 를 냉각시키는 저온 유지 장치(65) 및, 차폐부(63)의 내부 또는 외부일 수 있는 진공 용기(66)이다.

중심 기둥(61)에 대해서는 몇가지 선택이 있다. 하나의 선택은 중성자 차폐부를 가지거나 또는 가지지 않는 HTS 를 포함한다. 다른 선택은 도 6b 에 도시되어 있으며, 베릴륨, 알루미늄 또는 HTS 재료가 아닌 다른 재료의 내측 부분(61a), 냉각제 채널(62a), 진공 절연부(62b) 및 단열부(62c)를 포함한다. 다른 선택은 도 6c 에 도시되어 있으며, 이것은 내측 부분(61b)이 HTS 로 제작되고, 외측 부분(61c)이 중성자로부터 HTS 로의 손상에 대하여 일부 차폐를 제공하는 HTS 아닌 다른 재료, 베릴륨, 또는 알루미늄으로 제작되는 조합에 의해 형성된다. 추가적인 중성자 차폐는 구형 토카막에서의 공간 제한을 받으면서, 각각의 선택에 추가될 수 있다.

플라즈마 개시( Plasma initiation ): 이 방법들은, 병합-압축; 자기 펌프 작용으로서, 그에 의하여 진동 커런트가 플라즈마 커런트를 증가시키는 플라즈마 링(plasma ring)들을 발생시키는, 자기 펌프 작용; 수축 가능 솔레노이드 또는 그러한 솔레노이드들의 쌍의 이용; 자이로트론(gyrotron)에 의한 RF 커런트의 개시;를 포함한다.

커런트 상승( Current ramp up ): 이 방법들은, 미리 냉각된 고온 초전도체 솔레노이드들일 수 있는, 수축 가능한 솔레노이드(들); RF 커런트 구동; 및, 성장하는 플라즈마를 포함하는데 필요한 폴로이달 필드(poloidal field)에서의 급속한 증가가 거의 충분한 플럭스를 입력하여 플라즈마 커런트를 소망의 작동 값으로 상승되도록, 플라즈마를 가열함으로써 발생된 효율적인 구동을 포함한다.

향상된 중성자 생성( Enhanced neutron production );통상적인 융합 장치에서 거의 모든 중성자 생성은 플라즈마의 중심에 있는 최고 온도 영역에서의 열 융합으로부터 발생된다. 대조적으로, SCFNS 슈퍼 콤팩트 중성자 소스에서, 대부분의 중성자 생산은 하나 이상의 중성 비임들이 플라즈마와 상호 작용함으로써 얻어진다. 제안된 ECFR 장치에서, 환상형 필드의 높은 값은 높은 플라즈마 온도를 제공하고, 중성자 출력은 열 및 비임-열 융합의 혼합이다. 새로운 모델링이 나타내는 것은 중성자 생성이 트리튬 분류(tritium fraction)를 최적화함으로써 그리고 고도로 신장된 플라즈마를 통한 최적의 각도로 지향될 때 NBI 비임의 상대적으로 긴 경로(ST 의 자연적인 특징)에 의해 더욱 향상된다는 점이다. 트리튬 분류는 듀테륨 또는 트리튬 중성 비임들의 이용에 의해 최적화될 수 있으며, 이는 가열 및 커런트 구동뿐만 아니라 연료의 재공급(refuelling)을 제공할 것이다.

가변적인 중성자 에너지: 통상적인 융합 장치에서 중성자 에너지는 D-T 융합에 대하여 14 MeV 에서 고정되고 D-D 융합에 대하여 2.5 MeV 에 고정된다. 제안된 장치의 한가지 버전(version)에서 이온 사이클로트론 공명 가열(ion cyclotron resonance heating)을 일으키도록 구성된 안테나는 환상형 챔버 내부에 장착될 것이다. 이러한 ICRH 시스템은 제어 가능하고 튜닝 가능한 방식으로 몇가지 MeV 에 의해 조사된 중성자들의 에너지를 증가시키도록 구성될 수도 있다.

D-D 융합으로부터의 중성자 출력의 최적화: D-T 융합이 일부 적용예들에 대하여 최고의 중성자 플럭스 및 에너지를 달성하는 최상의 방법이지만, 트리튬과 관련된 문제(예를 들어, 복잡성, 안전성, 규정 또는 이용 가능성)를 회피하고 대신에 ICRH 를 이용하여 중성자 에너지를 증가시키고 그리고/또는 D-D 플라즈마를 가열하여 중성자 플럭스를 증가시키는 것이 보다 효과적일 수 있다. 이러한 ICRH 의 이용은 높은 환상형 필드 및 높은 플라즈마 커런트와 조합되어, 동일한 중성자 플럭스를 발생시키는 D-T 융합 시스템보다 더욱 비용 효과적일 수 있는 시스템에서 D-D 융합으로부터 경이롭게 높은 중성자 출력을 제공한다. JET(참고 문헌 [4])로부터의 데이터는 ICRH 가 D-D 융합에 대하여 14 의 인자로 중성자 산출을 증가시킬 수 있다는 점을 나타낸다.

유리한 봉입 스케일링( Favorable confinement scaling ):최근의 연구는 통상적인 토카막에 대하여 도출된 ITER 스케일링 보다, ST 에서의 에너지 봉입이 자기장에 대한 강한 의존성 및 플라즈마 커런트에 대한 약한 의존성을 가진다는 점을 시사한다. 이러한 예측은 ECFR 의 높은 필드 및, 상대적으로 낮은 플라즈마 커런트에 대하여 매우 유망한 것이다.

구조 특성: 낮은 전압의 환상형 필드 코일 세그먼트들의 절연은 커다란 강도 및 상대적으로 높은 저항성을 조합시킨 스테인레스 스틸에 의해서 이루어질 수 있다; TF 시스템은 CCFE 에서 Voss 에 의해 개발된 펠트메탈 미끄럼 접합부(feltmetal sliding joint)의 강인 버젼(high-duty version)을 이용하여 장착 이탈될 수 있다; 장치 자체는 PF 코일 및 외부 TF 코일들을 낮은 에너지의 중성자로부터 보호하고, 그리고 연구 및 처리 작업을 위한 중성자들의 주요 흐름을 지향시키도록 중수 탱크 및 차폐부/반사부(예를 들어 Be 또는 Pb) 층들의 조합을 특징으로 할 수 있다. 또한 자기장을 차폐하는 이온 튜브들을 통하여 양이온 비임들을 플라즈마 안으로 직접 발사할 수도 있다.

여기에서 설명된 바와 같은 콤팩트 핵융합로들은 대형의 토카막보다 단위 플라즈마 체적 당(堂) 훨씬 넓은 표면적을 가진다는 점이 이해될 것이다. 일반적으로 비용 및 수행 곤란성은 적어도 플라즈마 체적과 선형적으로 비례하는 반면에, (허용 가능 손상 레벨들에 의해 제한되는 것으로 간주될 수 있는) 에너지 출력은 표면적과 선형적으로 비례한다. 더욱이, "한가지(또는 몇가지) 종류" 장치의 비용은 "여러 종류" 장치들의 비용보다 더 비싼 것으로 공지되어 있다. 따라서 여러개의 소형 핵융합로들은 단위 정미 파워 출력(unit net power output)에 대하여 하나의 대형 핵융합로보다 저렴할 것이다.

성가 설명된 실시예들로부터의 변형들은 본 발명의 범위에 여전히 속한다는 점이 이해될 것이다.

참고 문헌 [1] Jassby D L 'Optimisation of Fusion Power Density in the Two Energy Component Tokamak Reactor'Nuclear Fusion 1975 Vol 15 p453

참고 문헌 [2] A. Sykes et al, 'Fusion for Neutorns-a realizable fusion neutron source' Proc of 24^th IEEE Symposium on Fusion Enginering, Chicago 2011 Invited Paper SO2B-1

참고 문헌 [3] M.Valovic et al, Nuclear Fusion 51 (2011) 073045

참고 문헌 [4] C Hellesen et al, Nuclear Fusion 50 (2010) 022001

참고 문헌 [5] R D Stambaugh et al, "The Spherical Tokamak Path to Fusion Power" Fusion Technology Vol 33 P1 (1998)

참고 문헌 [6] T C Hender et al, "Spherical Tokamak Volume Neutron Source" Fusion Engineering and Design 45 (1990) p265

참고 문헌 [7] H R Wilson et al 'The Physics Basis of a Spherical Tokamak Component Test Facility Proc. 31^st EPS Conf 2004

참고 문헌 [8] G M Voss et al, 'Conceptual design of a Component Test Facility based on the Spherical Tokamak' FED 83 (2008) p1648

참고 문헌 [9] A Dnestrovskij et al, Plasma Devices and Operations, 15, 2007, p1

참고 문헌 [10] Y-K M Peng et al　2005 Plasma Phys . Control . Fusion 47 B263

참고 문헌 [11] M. Kotschenreuther, P. Valanju, S. Mahajan, L.J. Zheng, L.D. Pearlstein, R.H. Bulmer, J. Canik and R. Maingi ?he super X divertor (SXD) and a compact fusion neutron source ( CFNS )' Nucl. Fusion 50 (2010) 035003 (8pp)

참고 문헌 [12] R M O Galvao et al, "Physics and Engineering Basis of a Multi-functional Compact Tokamak Reactor Concept" paper FT/P3-20, IAEA conf 2008

참고 문헌 [13] B V Kuteev et al, 'Plasma and Current Drive parameter options for a low power-power Fusion Neutron Source' 23rd IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering, 2009. SOFE 2009.

참고 문헌 [14] D L Jassby, Comments Plasma Phys. Controlled Fusion, 3 (1978) 151

참고 문헌 [15] Y-K.M. Peng and D.J. Strickler, Nucl. Fusion 26, 769 (1986).

참고 문헌 [16] M Gryaznevich at all, Phys. Rev. Letters, 80, (1998) 3972

참고 문헌 [17] O. Mitarai and Y. Takase, Plasma current ramp-up by the outer vertical field coils in a spherical tokamak reactor, Fusion Sci. Technol. 43 (2003),

참고 문헌 [18] V. Shevchenko, Nuclear Fusion Vol 50 (2010) p22004

참고 문헌 [19] Y-K M Peng and J B Hicks,: proceedings of the 16th Symposium on Fusion Technology, London, U.K., 3-7 September 1990, Vol 2 p1288

참고 문헌 [20] V. Selvamanickam, "2G HTS Wire for High Magnetic Field Applications" HTS4Fusion Conductor Workshop, May 26-27, 2011, Karlsruhe, Germany.

41. 환상형 필드 자석 42. 중심 솔레노이드
43. 폴로이달 필드 44. 환상형 진공 용기

Claims (50)

1. 플라즈마 챔버 안에 플라즈마를 봉입시키기 위한 자기장을 발생시키도록 구성된 플라즈마 봉입 시스템(plasma confinement system) 및 환상형 플라즈마 챔버를 포함하는, 콤팩트 구형 토카막 핵융합로(compact spherical tokamak nuclear fusion reactor)로서,
   플라즈마 봉입 시스템은, 고온 초전도체(high temperature superconductor; HTS)를 포함하는 재료로 만들어진 환상형 필드 자석(toroidal field magnet, 41)들을 포함하고, 상기 환상형 필드 자석은 사용시에 30 K 이하로 냉각되고, 자기장은 사용시에 5T 이상의 환상형 성분(toroidal component)을 구비하도록 구성됨으로써, 봉입된 플라즈마의 주 반경(major radius)이 1.5 m 이하이도록 플라스마 봉입 시스템이 구성될 수 있는, 콤팩트 핵융합로.
2. 제 1 항에 있어서,
   플라즈마는 트리튬 이온들을 포함하는, 콤팩트 핵융합로.
3. 제 1 항에 있어서,
   플라즈마는 듀테륨(deuterium) 이온들을 포함하지만 트리튬 이온들을 포함하지 않는, 콤팩트 핵융합로.
4. 제 1 항에 있어서,
   중성자 비임들이, 상기 비임들에 있는 입자들 사이의 융합 반응을 최적화시키도록 선택된 하나 이상의 방향들로부터 플라즈마 안으로 지향(指向)됨;
   플라즈마로의 파워 입력이, 100 MW 보다 작도록 핵 융합로가 구성됨;
   핵 융합로가 중성자 소스 또는 에너지 소스로서 작동되도록 구성됨; 및
   플라즈마 커런트(plasma current)가 유도(induction) 없이 구동됨;중 하나 이상을 더 포함하는, 콤팩트 핵융합로.
5. 제 1 항에 있어서,
   환상형 필드 자석들을 구성하는 재료는, 상기 환상형 필드 자석들을 구성하는 재료 내에, 1 마이크론보다 큰 두께를 가진 HTS 층을 구비하는, 콤팩트 핵융합로.
6. 제 1 항에 있어서,
   환상형 필드 자석들을 구성하는 재료는, HTS 로 제조된 재료내에 1 마이크론보다 큰 두께를 가진 HTS 층, 또는 0 보다 크고 90 마이크론보다 작은 두께를 가진 비(非) HTS 층들을 포함하는, 콤팩트 핵융합로.
7. 제 1 항에 있어서,
   베릴륨(beryllium) 또는 알루미늄을 포함하는 비 HTS(non-HTS) 재료로 형성되는 중심 칼럼을 포함하는, 콤팩트 핵융합로.
8. 제 1 항에 있어서,
   중심 칼럼의 내측 부분은 HTS 로 만들어지고, 외측 부분은 중성자로부터 HTS 로의 손상에 대하여 차폐를 제공하는 베릴륨 또는 알루미늄을 포함하는 비(非)-HTS 재료로 만들어지는, 콤팩트 핵융합로.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
   베릴륨 또는 알루미늄을 포함하는 비(非)-HTS 재료는 그것의 저항을 감소시키도록 극저온으로(cryogenically) 냉각되고,
   중심 칼럼으로부터 떨어진 환상형 필드 자석들의 나머지를 형성하는 HTS 재료에 선택적으로 접합되는, 콤팩트 핵융합로.
10. 제 1 항에 있어서,
    플라즈마 챔버의 벽들상에서 단위 면적 당(當) 부하(load)를 감소시키도록 최적화된 다이버터(divertor)들을 더 포함하고, 상기 다이버터들의 표면의 전부 또는 일부에는 선택적으로 리튬이 코팅되는, 콤팩트 핵융합로.
11. 제 1 항에 있어서,
    플라즈마를 향하는 챔버의 벽의 표면중 일부 또는 전부는 리튬으로 코팅되는, 콤팩트 핵융합로.
12. 제 1 항에 따른 복수개의 콤팩트 핵융합로를 포함하는 발전소.
13. 환상형 플라즈마 챔버를 포함하는 구형 토카막 핵융합로(spherical tokamak nuclear fusion reactor)를 작동함으로써 중성자 또는 에너지를 발생시키는 방법으로서,
    플라즈마 챔버 안에서 플라즈마를 개시시키는 단계;
    1.5 m 이하의 주 반경(major radius)을 가진 플라즈마를 플라즈마 챔버 안에 봉입시키도록, 5T 이상의 환상형 성분을 가진 자기장을 발생시키도록 30 K 이하로 냉각된 고온 초전도체 재료를 포함하는 환상형 필드 코일을 이용하는 단계; 및,
    중성자 및 다른 에너지 입자들을 방사시키는 단계;를 포함하는, 중성자 또는 에너지 발생 방법.
14. 제 13 항에 있어서, 적어도 10000 초 동안 플라즈마를 정상 상태(steady state)에서 유지하는 단계를 더 포함하는, 중성자 또는 에너지 발생 방법.
15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    중성자들은 초당 적어도 3 x 10¹⁷ 중성자 의 비율로 발생되는, 중성자 또는 에너지 발생 방법.
    
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