스텔러레이터(Stellarator)는 핵융합 반응을 제어하기 위한 장치로, 플라즈마를 가두기 위해 복잡한 3차원 자기장을 활용합니다. 토카막(Tokamak)과 함께 핵융합 연구에서 중요한 기술로 자리 잡고 있으며, 특히 안정적인 장시간 운전이 가능한 설계로 주목받고 있습니다.
스텔러레이터는 ITER를 비롯한 토카막 연구와 상호 보완적인 역할을 수행하며, 미래의 상업용 핵융합 발전소의 또 다른 대안으로 평가받고 있습니다.
스텔러레이터(Stellarator): 차세대 핵융합 에너지 기술의 또 다른 축
1. 스텔러레이터의 기본 원리
스텔러레이터는 고온의 플라즈마를 장시간 안정화하기 위해 자기장을 복잡한 3차원 형태로 설계합니다. 이 설계 덕분에 자기장이 자체적으로 유지되며, 외부 전류 없이도 플라즈마를 가둘 수 있는 장점이 있습니다.
- 자기장으로 플라즈마 가둠: 스텔러레이터는 플라즈마를 자기장 속에 띄워 물질의 벽과 직접 접촉하지 않게 합니다. 이로써 에너지 손실을 줄이고 플라즈마가 불안정해지는 현상을 방지합니다.
- 3차원 코일 구조: 스텔러레이터의 복잡한 3D 코일 설계는 토카막에 비해 더 나은 안정성을 제공합니다. 전류에 의존하지 않기 때문에 플라즈마 내 전류로 인한 불안정성이 발생하지 않습니다.
2. 스텔러레이터와 토카막의 차이점
핵융합 연구에서는 토카막과 스텔러레이터가 주로 비교됩니다. 두 장치는 모두 자기장을 이용해 플라즈마를 가두지만, 그 원리와 구조에 차이가 있습니다.
| 항목 | 스텔러레이터 | 토카막 |
| 자기장 구조 | 3차원 구조의 자기장 | 2차원 대칭 자기장 |
| 플라즈마 안정화 | 외부 전류 없이 안정화 가능 | 내부 전류 필요, 불안정성 위험 있음 |
| 운전 시간 | 장시간 연속 운전 가능 | 제한된 운전 시간 |
| 설계 복잡성 | 매우 복잡한 코일 구조 | 상대적으로 단순한 구조 |
스텔러레이터는 복잡한 설계가 필요하지만, 장시간 운전에 유리합니다. 반면 토카막은 단시간에 고온의 플라즈마를 더 효과적으로 가둘 수 있습니다. 두 기술은 상호 보완적이며, 각각의 장점이 핵융합 연구에 기여하고 있습니다.
3. 스텔러레이터 기술의 장점
스텔러레이터는 다음과 같은 장점 덕분에 차세대 핵융합 발전소의 설계에 중요한 대안으로 평가받고 있습니다.
- 지속적인 플라즈마 운전: 스텔러레이터는 전류에 의존하지 않기 때문에 오래 지속되는 연속 운전이 가능합니다.
- 안정성 향상: 토카막에서 자주 발생하는 플라즈마 불안정 현상(예: 전류 드리프트)이 스텔러레이터에서는 발생하지 않습니다.
- 유지 보수 효율성: 장기간 운전이 가능하기 때문에 발전소 수준에서의 운영에 적합합니다.
4. 스텔러레이터의 한계와 도전 과제
스텔러레이터는 여러 장점에도 불구하고 상용화까지 극복해야 할 도전 과제가 많습니다.
- 복잡한 설계와 제조: 스텔러레이터의 3D 코일 구조는 설계와 제작이 매우 어렵고 비용이 많이 듭니다.
- 초기 비용 문제: 장비 설치와 유지 보수에 드는 초기 비용이 토카막보다 높습니다.
- 플라즈마 온도 제어: 스텔러레이터가 장시간 운전에 유리하지만, 초기 플라즈마 온도를 높이는 데는 토카막보다 효율이 떨어집니다.
5. 주요 스텔러레이터 프로젝트
Wendelstein 7-X (W7-X)
독일 막스플랑크 플라즈마 물리 연구소에서 개발한 W7-X는 현재 세계에서 가장 진보된 스텔러레이터입니다. 이 장치는 2015년 첫 실험을 성공적으로 마쳤으며, 장시간 플라즈마 운전을 목표로 하고 있습니다.
Startpage | Max Planck Institut für Physik
The Max Planck Institute for Physics in Munich is one of the world’s leading research institutions for particle physics. Here, scientists study the smallest building blocks of matter and how they interact. Theory and experiment work hand in hand. The phy
www.mpp.mpg.de
LHD (Large Helical Device)
일본 국립 핵융합 연구소(NIFS)에서 운영 중인 LHD는 헬리컬 구조의 스텔러레이터입니다. LHD는 플라즈마 안정성 연구에서 중요한 성과를 거두며, 미래의 상용 핵융합 발전소 설계에 필요한 데이터를 제공합니다.
National Institute for Fusion Science (NIFS)
ursuing everlasting energy out of the seawater; an inter-university research institute leading the world’s fusion research; graduate school of Sokendai university; Heliotron - a Japan's uniquely-advanced confinment of high-temperature, high-density plasm
www.nifs.ac.jp
6. 스텔러레이터의 상용화 전망
스텔러레이터 기술은 ITER 프로젝트와 같은 토카막 중심 연구를 보완하며, 미래의 상업용 핵융합 발전소 설계에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. W7-X와 LHD와 같은 연구 결과가 쌓이면, 장기적으로 스텔러레이터 기반의 발전소가 현실화될 가능성이 커질 것입니다.
하지만 상용화까지는 여전히 많은 과제가 남아 있습니다. 비용 절감과 제조 기술 발전, 그리고 플라즈마 제어 기술의 발전이 필요합니다. 각국의 연구소들이 협력하고 기술 발전을 지속한다면, 스텔러레이터가 핵융합 에너지의 중요한 대안으로 자리 잡을 수 있습니다.
7. 스텔러레이터가 기후 변화 해결에 미치는 영향
스텔러레이터 기반의 핵융합 에너지는 탄소 배출이 없고 방사성 폐기물 문제를 최소화하기 때문에, 기후 변화 문제 해결에 큰 역할을 할 수 있습니다. 특히 장기적이고 지속 가능한 에너지 공급이 가능해, 재생에너지와 함께 에너지 전환의 중요한 축이 될 수 있습니다.
결론
스텔러레이터는 토카막과 함께 핵융합 발전의 중요한 기술적 대안입니다. 복잡한 설계와 높은 초기 비용 등 여러 과제가 있지만, 장시간 안정적인 플라즈마 운전이 가능하다는 점에서 큰 장점을 제공합니다. W7-X와 LHD와 같은 프로젝트들이 성공한다면, 스텔러레이터는 미래의 상업용 발전소에 실질적인 대안이 될 수 있습니다.
기후 변화 문제 해결과 지속 가능한 에너지 공급을 위해 핵융합 에너지가 중요해지는 만큼, 스텔러레이터는 미래의 에너지 혁명에서 중요한 역할을 할 것입니다.
