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1. 개요
токамак[1] / Tokamak[2]핵융합 발전 과정에서 플라즈마를 가두기 위해 자기장을 이용하는 도넛 모양 즉 원환면형 장치. 가둔 플라즈마 내부에 전류가 흘러 생긴 자기장이 플라즈마 불안정성을 만들어내므로, 플라즈마가 벗어나지 않게 하기 위한 또 다른 자기장이 필요한데, 이런 플라즈마의 움직임을 예측하고 막는 것이 관건이다.
2. 상세
2.1. 구조
중심으로부터 제1장벽[3], 블랭킷[4], 차폐막[5], 벽[6], 냉각수, 냉각수 속 초전도코일[7]로 이루어진다. 외에도 플라즈마 내부의 불순물을 제거하는 다이버터[8], 가열장치들, 플라즈마 불안정성을 억제하는 장치들, 갖가지 센서들과 온도 측정을 위한 레이저 등이 있다.토카막 플라즈마의 형태는 핵융합로 설계에 따라 Racetrack, D-Shape, 구형(Spherical) 등으로 나뉘며, 형태에 따라 플라즈마의 특성은 크게 달라지게 된다. 초기 단계의 토카막은 대부분 플라즈마 단면 형태가 원형인 Racetrack 타입의 토카막이었으나, KSTAR를 포함해 현재 대부분의 토카막은 단면이 D자 모양이며 Racetrack 타입에 비해 높은 성능을 가지는 D-Shape 타입을 채택하고 있다.
2.2. 운전
토카막은 구조상 플라즈마 내부에 전류가 흐르게 되는데, 플라즈마에게도 전기저항이 있어 플라즈마가 가열된다(Joule 열에 의한 Ohmic heating으로, 노를 젓는다 한다). 플라즈마는 에너지가 높아질수록 저항이 낮아져, 이렇게 가열할 수 있는 온도는 4000만K까지 정도라서 그 이후부터는 RF가열[9], 중성입자빔 입사장치(NBI)[10]를 이용한다.이들을 이용하는 방식에 따라 운전 모드가 나뉘어진다. RF가열과 NBI를 사용하는 L-모드와, 다이버터와 NBI를 사용하는 H-모드[11], H-모드에서 더 높은 플라즈마 압력과 밀도를 가지는 슈퍼 H-모드[12], ELM과 H-모드를 적절히 조화시킨 ELMy H-모드, 플라즈마 중심의 에너지를 높여 ELM현상이 없는 ITB모드와, H-모드와 ITB모드를 혼용하는 DTB모드가 있다.[13]
2.3. 장점
에너지 가둠 시간이 다른 방식에 비해 압도적으로 높고, 에너지 가둠 시간이 우월하다는 것은 Fusion triple product에 의해 점화 조건에 도달하는데 더욱 유리하다는 의미이다. 이 때문에 핵융합 발전의 실현을 위한 여러 후보들 중에서 가장 주목받고 활발히 연구되고 있는 방식이다.2.4. 단점
플라즈마 내부에 전류가 흐른다는 것 때문에 치명적인 단점도 하나 생긴다. 바로 플라즈마 불안정성(플라즈마 난류). 플라즈마 내부에 전류가 흐르니 자기장도 생겨 플라즈마 불안정성이 매우 커지는데, 토카막 속 플라즈마가 흔들린다거나, 갑자기 식어 사라져버려 붕괴되거나 한다. 토카막의 에너지 가둠 시간을 줄이는 주 원인이다. 이것만 아니었으면 이미 토카막으로 핵융합발전 상용화되었을 것이다.이를 보완한 다른 자기장 가둠 방식인 스텔러레이터가 있다. 그러나 스텔러레이터는 코일이 복잡해 제작이 어렵고 노 젓기가 불가능하며 플라즈마의 밀도와 온도도 토카막보다 떨어지기 때문에 아직까지 토카막이 대세이다. 그리고 플라즈마가 원을 그리며 돌며 방향을 바꿀 때 전자기파 복사로 에너지를 빼앗기게 된다는 단점도 토카막과 스텔러레이터의 공통된 단점인데 이게 온도가 높아지면 큰 문제가 돼 5억K 정도에선 순식간에 복사로 에너지를 잃고 식어버린다. 제1장벽은 이 복사의 열에서부터 보호하는 역할도 한다.
또다른 보완 방법으로 토카막-스텔러레이터를 융합한 형태인 헬리오트론, 구형 핵융합로도 만들어지고 있다.
3. 역사
3.1. 1950년대
1955년, "원자력에너지의 평화적 이용에 관한 국제회의"가 열리고, 핵융합 기술에 한해서는 2차대전 직후부터 각국이 비밀리에 연구해 온 정보를 공개하고 국제적인 과학 협동을 하기로 한다.1956년, 소련의 이고리 쿠르차토프가 이끄는 쿠르차토프 연구소가 최초의 핵융합 연구소다.
1957년, 국제원자력기구(IAEA)가 생겨났다.
1958년, 핵물리학자이자 소련 수소폭탄의 개발자인 안드레이 사하로프와 그의 스승 이고리 탐이 토카막 기술을 최초로 제안했다. 토카막은 플라즈마에 전류를 흐르게 해 유도 자기장을 만들어 나선 운동을 하게 유도하는 방식을 취한다. 이로써 아예 제어가 거의 되지 않았던 초기의 다른 도넛 모양의 자기가둠 방식에 비해선 플라즈마 가둠 시간이 비약적으로 향상되었고, 유지하는 플라즈마 온도도 높았다.
3.2. 1960년대
1960년대, 냉전 당사자인 미국과 소련 모두 핵무기에 필요한 핵물질의 생산 속도가 대단히 느린 점에 불안감을 가지고 있었고, 짧은 시간 동안 대량의 핵물질을 생산해낼 수 있는 방법을 경쟁적으로 찾고 있었는데, 양자 모두 핵융합로가 효과적인 중성자 증식로로 사용될 수 있다는 점에 주목했다. 리튬 블랭킷을 우라늄 블랭킷으로 교체하는 것만으로도 핵융합로는 최고의 플루토늄 생산로로 완벽히 탈바꿈된다. 평시에는 발전소로 사용하던 시설을 그대로 전시에는 최고의 핵무기 생산 공장으로 활용할 수 있다는 점은 양국 수뇌부에게 금상첨화가 아닐 수 없었고, 중성자 증식로로 사용할 수만 있다면 심지어 핵융합 발전에 실패해도 나무랄 바 없었다. 결국 미소 양국 모두 제사보다는 제삿밥에 관심을 가지고 핵융합 발전에 전폭적인 지원을 하게 되었다. 현재 핵분열 발전소를 운용하는 나라들이 엄청나게 쌓여가는 플루토늄으로 골머리를 앓는 것을 보면 엄청난 아이러니. 또한 관성 가둠 방식이 미국과 러시아에서 연구 되고 있는 것도, 미국과 소련을 제외한 다른 나라들은 모두 토카막의 개발 이후 핵융합 발전에 뛰어들었으므로 관성 가둠 방식에 관심을 가질 필요가 없었기 때문이다. 물론 미국이 관성 가둠 방식을 계속 연구하는 데는 레이저 기술 향상의 목적도 있다.1968년, 러시아 노보시비르스크에서 열린 제3차 핵융합에너지 회의(FEC)에서 최초의 토카막 T-1을 개선한 T-3가 공개되었다. 이 무렵 토카막은 Thomson scattering 등의 Plasma diagnostic 기법으로 검증한 결과 기존에 개발중이던 스텔러레이터(Stellarator) 등 기타 다른 핵융합 발전 후보들 중에서 온도는 10배나 높은 섭씨 1000만도, 플라즈마 가둠 시간은 30배로 매우 효율이 좋았다. 따라서 이후 핵융합 장치의 대세로 자리잡는다.
3.3. 1970년대
1973년, 유럽연합의 JET(Joint Europe Torus)가 설계에 들어갔다.1979년, 대한민국의 서울대학교 원자핵공학과에서 SNUT-79를 만들었으나 큰 성과를 보이지 못 했다.
3.4. 1980년대
1980년, 독일의 ASDEX가 가동했다. 1982년, 플라즈마 가둠 성능을 크게 향상시키는 H-Mode를 발견하여 토카막 연구에 새로운 지평을 열어주었다.1982년, 미국의 TFTR은 중수소-삼중수소 융합반응을 실증하였다. 1995년 무려 섭씨 5억 1천만도의 플라즈마 이온 온도를 기록했고, 1997년까지 운영되었다.
1983년, 유럽연합의 JET가 가동했다. 중수소-삼중수소 융합반응을 실증하였고, 현재까지 운영중이다.
1985년, 일본 JT-60이 가동했다. 이론적으로[14] 에너지 증폭률(Q)[15]=1을 달성하여 Breakeven(임계조건)을 달성하는 성과를 보이는 등 계속된 실험들은 자장 가둠 핵융합이 충분히 손익분기점을 넘길 수 있는 가능성이 있음을 확인시켜 주었다.[16]
1988년, 러시아에서 세계 최초로 초전도 자석을 사용한 대형 핵융합로 T-15가 완성된다. 사실 T-15 자체는 플라즈마 유지를 몇초 하지 못했지만 초전도 코일의 유용함을 보여주었기에 이후 등장한 KSTAR, EAST, ITER 등 토카막 장치들은 초전도 선재를 사용한 형태로 제작된다. T-15는 이후로도 실험로로 이것저것 개량되가며 현재까지 쓰인다. 90년대 ITER 건설전 테스트용으로 개량되었고 2020년대에는 핵융합-핵분열 퓨전 원자로로 개조되어 쓰이고 있다.
1988년, ITER의 설계가 시작되었다. 앞서 1985년에 미하일 고르바초프가 로널드 레이건에게 제안하여 시작했고, 스텔러레이터 방식과 토카막 방식 중 경합을 벌여 토카막 방식으로 짓기로 결정되었으며, 상용화 가능 최소 에너지 증폭률(Q=10)을 달성하는 것을 목표로 건설을 시작했다. ITER의 완공 이후에는 핵융합 발전의 각국 상용화 및 연구용 DEMO가 각국에 건설될 예정이다. 예를 들어 한국에 설치할 소형 ITER은 K-DEMO라고 부를 예정.
1980년대 후반, 과거에는 플라즈마를 유체[17]나 하전입자들의 집합(Particle-In-Cell 방법)으로 취급하여 모델링하였는데, 이를 플라즈마를 이루고 있는 하전입자들을 입자가 아닌 고리로 취급[18]하는 Gyrokinetic 방법이 도입되면서 컴퓨터로 플라즈마를 더 간편하게 사실적으로 모델링할 수 있게 되었다.
3.5. 1990년대
전자기술 및 컴퓨터 기술의 급속한 발전에 힘입어 핵융합 분야에도 많은 진보들이 이루어진다. 각종 측정 장비들의 성능이 크게 향상되고 가격도 낮아지면서 연구에 도움이 되며, 특히 슈퍼컴퓨터의 성능이 비약적으로 향상되면서 이론 플라즈마 물리에서도 많은 진전을 이룬다. 또한 기계학습을 비롯한 인공지능 기술을 이용하여 실험 결과의 처리나 플라즈마 물리에 대한 이해를 향상시키는 방법도 시도되었다.1995년, 대한민국이 KSTAR의 개발에 돌입한다.
3.6. 2000년대
2005년 10월, 한국이 한국핵융합에너지연구원을 설립한다.2006년 2월, 중국이 허페이시[19]에 EAST를 완공한다. #
2007년 9월, 한국이 대전광역시 대덕연구단지에 KSTAR을 완공한다. 초전도 자석, 초전도 코일 등을 사용하여 세계 최초로 완전 초전도 선재 사용 토카막 장치가 되었다.
2008년, KSTAR에 첫 플라즈마가 가동되었다.
3.7. 2010년대
전세계에서 한국과 중국이 세계 최초 달성을 서로 엎치락뒤치락하는 형국이다. 2020년대에 300초에 도달할 것을 목표로 하는데, 이는 장시간 플라즈마를 유지하는 데 있어서 다루어져야 할 물리적 현상들을 300초면 모두 확인할 수 있기 때문이다. 참고로 중국에서의 온도 기록은 전자온도이며, 한국에서의 온도 기록은 중심이온온도이다. 중심이온온도를 올리는 게 전자온도 올리기보다 훨씬 더 어렵다. 실질적인 반응은 중심이온온도와 연관되어있는데, 전자온도는 장시간 운전에 유리하고, 중심이온온도는 핵융합 최적화에 유리하다. 즉 두 국가가 추구하는 연구 방향이 서로 다르므로 단순 비교는 어려움에 유의하자. 다만 결과적으로는 둘 다 최대한 높여야 한다. 한편으로, ITER 측은 2단계 검증을 2035-2038년 사이로 설정한다.2016년 12월, 한국이 (전년도 중국의 55초 기록을 꺾고) 70초간 플라즈마를 유지하는데 성공하였다.[20] #
2017년 7월, 중국이 5천만도에서 100초를 달성하였다. #
2017년 9월, 한국이 7천만도에서 70초를 달성하였다. #
2018년 11월, 중국이 전자온도 1억도를 달성하였다. 유지시간은 밝히지 않았다. 1억도 달성 자체는 일본과 유럽도 이미 1~2초 한 바 있다. #
2019년 2월, 한국이 중심이온온도 1억도에서 1.5초를 달성하였다. #
3.8. 2020년대
2020년 3월, 한국이 중심이온온도 1억도에서 8초를 달성하였다. #2020년 10월, 미국 MIT와 그 스핀오프 기업 CFS가 SPARC라는 핵융합로 관련 논문 7편을 연달아 내놓아 화제가 되었는데, ITER보다 10년은 앞선 2025년 상용화를 약속했다. ITER이 착공된 2007년엔 없던 기술인 고온(영하 173도) 초전도체 자석을 사용하는 점이 다르다고 한다. # 이와 같이 고온 초전도체 기술이 계단식으로 발전하면서 상용화가 당겨질 돌파구로 여겨져 이에 주목하는 경향이 생긴다[21].
2020년 11월, 한국이 중심이온온도 1억도에서 20초를 달성하였다. # 이와 함께 핵융합연구소가 연구원으로 승격되었으며, 2025년까지 300초를 달성하겠다고 선언한다. 2021년 하반기 '가상 K-STAR' 시뮬레이션 연구를 시작한다. #
2021년 6월, 중국이 전자온도 1.2억도에서 101초를 달성하였다. #
2021년 11월, 한국이 전자온도 6천만도, 중심이온온도 1억도 30초를 달성하였다. #
2021년 12월, 중국이 전자온도 7천만도에서 1,056초(17분 36초)를 달성하였다.#
2021년 12월, 영국 JET가 5초간 59MJ, 전력으로 환산하면 11MW를 만들었다. JET(Joint European Torus)는 이름답게 유럽이 함께 영국에 지은 것이지만, 영국이 브렉시트하여 현재는 영국원자력청(UKAEA) 소속이다. #
2022년 1월, 한국이 300초 달성 시기를 2026년으로 늦췄다. 융합로 내부를 텅스텐으로 교체하는 작업을 2022년 8월부터 1년간 시행할 예정을 밝혔다.#
2022년 2월, 구글 딥마인드가 스위스 로잔 연방 공과대학교와 협업해 플라즈마 제어 AI를 만드는 중이라고 밝혔다. #
2022년 5월, 한국이 올해 목표를 이온온도 1억도 플라즈마 50초 운전이라고 밝혔다. #
2022년 9월, 한국이 H모드의 단점인 ELM이 발생하지 않는 새로운 플라즈마 운전방식을 네이처에 싣고, FIRE모드라고 이름 붙였다. #
2023년 2월, 한국의 국가핵융합위원회는 핵융합 실증로 설계를 위한 태스크포스를 상반기에 꾸려 2026년까지 예비 개념 설계를 마치기로 결정했다. 실증로의 최대 전기 출력은 500㎿(메가와트) 이상으로 정했다. 이 자리에서 KSTAR 측은 "2024년 100초, 2026년 300초(기술완성)"으로 목표시점을 밝혔다. #
2023년 4월, 중국이 403초 운전을 달성했다. 조선일보의 계열사 조선비즈는 '1억도 이하의 약 7천만도', '이온이 아닌 전자 가열', '중국은 시간을 달성한 뒤 온도를 올리는 방식, 한국은 온도를 달성하고 시간을 늘리는 방식' 등 중국 측 기술이 한국보다 뒤떨어진다고 주장했다. # 하지만 위에서 나오지만 (2010년대 항목 앞문장 참조), 이것은 목표까지 가는 경로의 문제이기 때문에 누가 떨어지고 누가 앞선다고 말할 수는 없다. 두 나라의 전략이 달라서 온도를 먼저 높인 후 시간을 유지시키느냐(한국), 아니면 그 순서를 반대로 하느냐(중국)의 문제이고 결국 최종 결과에 누가 먼저 도달하느냐가 관건이며, 한국이나 중국 모두 목표 도달하지 못했기에 현 단계에서 기술의 우열을 판단하기엔 이르다.
2023년 12월, 한국의 KSTAR가 디버터를 텅스텐으로 두르는 2018년부터의 개발 및 작업을 완료했다. 이로서 똑같이 텅스텐을 두른 ITER의 선제적 실험이 가능해졌다. #
2024년 3월, 한국의 KSTAR가 중심이온온도 1억도에서 48초, 고성능 플라즈마 운전모드(H-mode) 102초를 달성하였다고 밝혔다. 또한 미국 프린스턴 플라즈마 물리연구소(PPPL)와 함께 '외부 자기장을 이용한 오차 자기장 최적화 모델'을 개발했음을 밝혔다. 앞으로 디버터를 넘어 내벽 부품 전체를 텅스텐으로 교체하고, AI 기반 실시간 피드백 제어를 도입할 계획을 밝혔다. #
4. 파생형 장치
4.1. 스텔러레이터
4.2. 구형 토카막
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| ▲ Globus-M2 구형 토카막 구조도 |
가로세로비(縱橫比, Aspect ratio)가 1:1에 가까워지면 베타값[22]이 높아지므로, 이를 발전용으로 구현하려는 시도들이 있다.
2008년, 서울대 원자핵공학과가 VEST라는 실험로 구형 토카막을 구축했다. #
2009년, 영국 컬햄[23] Tokamak Energy 사가 세워졌다. 이 회사는 고온 초전도체(High Temperature Superconductor)기술을 접목한 소형 핵융합 발전소를 제작하는 것을 목표로 하고 있다. 2018년엔 ST40 핵융합로가 1500만도를 달성했다.
2014년, 미국 MIT에서는 ARC(Affordable, Robust, Compact)[24]라는 이름을 가진, 구형 토카막과 유사한 형태의 토카막을 연구하고 있다. 그러나 이 토카막은 모양은 구형이지만 전통적인 토카막과 동일하게 초기 플라즈마의 가열에 Central Solenoid를 사용하기 때문에 엄밀히 말해 구형 토카막은 아니다. 구형 토카막은 일반적인 토카막의 초기 플라즈마 가열방법인 Ohmic heating에 사용되는 Central Solenoid를 삽입할 공간이 없기 때문에, 보통 초기 플라즈마의 가열에 Ohmic heating 대신 자기 재결합(Magnetic reconnection)이나 Electron Bernstein Wave, Coaxial Helicity Injection 등의 방법들을 사용한다. 이렇게 Central Solenoid을 이용한 Ohmic heating 대신 이러한 다른 방법들을 사용하는 것이 일반 토카막과 구별되는 구형 토카막의 주요한 특징 중 하나이다. MIT의 ARC 핵융합 발전.
4.3. 헬리오트론
토카막과 스텔러레이터를 섞어서 만든 헬리오트론(Heliotron)이 있으며, 현재 헬리오트론 방식의 토카막-스텔러레이터는 일본의 LHD(Large Helical Device: 거대나선장치)가 유명하다.
5. 대표적인 토카막
주요 국가별 운용중 및 운용 종료된 토카막들은 다음과 같다. 구형(Spherical) 토카막은 위첨자로 S로 표시.5.1. 아시아
- 대한민국
- VESTS : Versatile Experiment Spherical Torus. 서울대학교 원자핵공학과에서 운용중. 크기는 KSTAR보다 훨씬 작다.
- KSTAR : 세계 최초로 완전 초전도체 코일을 이용. 2008년부터 운용 중.
- 일본
- JT-60 (종료) → JT-60SA : 일본 이바라키현 나카시에 있는 토카막. 2010년 운용 종료 후 초전도 토카막으로 개조해 2020년 조립 완료하고 개명. 일본 원자력 연구개발 기구(JAEA)에서 운용.
- QUESTS : 일본 규슈대학에서 운용중.
- 중국
- HL-2A (종료) → HL-2M : 독일의 ASDEX 토카막을 이용하여 제작된 중국 최초의 토카막. 최신 기종은 HL-2M.
- EAST : 한국의 KSTAR와 엎치락뒤치락하는 라이벌. 2006년부터 운용중.
- SUNISTS
- 인도
- ADITYA
- SST-1
- 파키스탄
- GLAST-IS (종료) → GLAST-II : 굉장히 특이한 토카막으로, 구형 토카막인데 진공 용기의 재질이 유리다. 초기 버전인 GLAST-I은 중앙부의 튜브가 강철로 되어 있으나, GLAST-II는 그것마저도 유리로 만든 굉장히 특이한 토카막. 애초에 장반경 20cm 남짓의 꼬마 토카막이라서 가능했던 것. 그래서 위의 다른 토카막들과는 달리 교육용 및 훈련용에 사용되고 있다.
5.2. 아메리카
- 미국
- DIII-D : 캘리포니아주 샌디에고에 있는 토카막. 제너럴 아토믹스 제작. 미국 에너지부와 공동으로 1986년부터 운용 중. 구리자석 토카막.
- ETPD
- LTX
- NSTXS
- Pegasus
- SPARC (제작중) : 매사추세츠주 데벤스에 건설 및 운용될 차세대 토카막.
- TFTR (종료) : 1997년 운용 종료.
- Alcator A, B, C, C-mod (종료) : 미국 MIT에서 운용되었던 토카막. 이탈리아계 미국인이자 유명 물리학자인 브루노 코피(Bruno Coppi; 1935년생)가 제안, 유명 핵융합 연구가인 이안 허친슨(Ian Hutchinson; 1951년생)이 발전시킴.[25] 후에 CFS에서 연구개발 되는 SPARC 핵융합로의 모태가 되었다. 2016년 운용 종료.
- 캐나다
- STOR-M
- 멕시코
- Novillo
- 브라질
- ETE
5.3. 유럽
- 러시아(구 소련)
- T-1 (종료) : 러시아(구 소련)에서 만든 세계 최초의 토카막.
- T-3 (종료) : 러시아(구 소련)에서 처음으로 대중에게 공개한 토카막.
- T-15 (종료) → T-15MD : 러시아에서 만든 세계최초 초전도 자석을 사용한 토카막(T-15)을 개조하여 만든 핵융합-핵분열 원자로
- Globus-MS (종료) → Globus-M2S : 러시아 연방 국제과학기술센터(ISTC)에서 운용중인 구형(Spherical) 토카막. 기존 Globus-M 보다 개량되었다.
- 영국
- JET : 유럽연합이 함께 만든 토카막. 영국 옥스퍼드에 위치. 1984년부터 운용.
- STARTS (종료) : Small Tight Aspect Ratio Tokamak. 세계 최초의 구형(Spherical) 토카막. 1990년부터 1998년까지 8년간 운용.
- MAST-US (종료) → MAST UpgradeS : 2020년부터 업그레이드 공사 중으로 가장 최신 기종은 후속 프로젝트인 MAST 토카막을 업그레이드한 MAST Upgrade.
- 프랑스
- ITER (제작중) : 국제사회가 함께 만드는 토카막. 프랑스 카다라슈에 위치.
- TFR
- Tore Supra (종료) → WEST : 실험로. 후속작인 WEST로 발전.
- 독일
- 이탈리아
- FTU : Frascati Tokamak Upgrade. 프라스카티 시의 이름을 따서 1990년부터 운용. 자기장을 최대 8 T까지 가할 수 있는 몇 안 되는 고자기장 토카막이지만 구리자석을 쓴 것이 특징.[27]
- 포르투갈
- ISTTOK
- 스위스
- TCV : 로잔 연방 공과대학교에서 운용중인 토카막. 구글 딥마인드와 협력하여 플라즈마 제어에 인공지능을 이용하는 방법을 연구.
- 체코
- COMPASS
- GOLEM
[1] тороидальная камера с магнитными катушками (toroidal chamber with magnetic coils, 자기장 코일로 만든 도넛형의 가동장치)의 앞글자를 따서 만들어진 약자이다.[2] 한국어 명칭인 토카막은 해당 러시아어 단어를 그대로 표기한 것일 뿐이다. 명칭 때문에 언뜻 들으면 토카幕으로 오해할 수도 있는데, 막이라고 불릴 정도로 얇지도 않다. 후술하듯이 금속으로 되어 있다.[3] 중심의 뜨거운 플라즈마로부터 보호하기 위함. 주로 열에 강한 높은 카본타일로 만들지만, 플라즈마와의 충돌로부터 유리한 텅스텐을 사용하는 추세가 진행중이다. 이는 카본 타일이 높은 열유동량(Heat flux; 단위 시간당 단위 면적에서 이동한 열에너지량)에서 못 버티고 녹아버리기 때문이며, 텅스텐은 그보다 더 높은 열유동량에서 버틸 수 있다. 다만 역으로 텅스텐은 높은 복사량(Radiation flux)에서 균열(Fracture)이 발생하는 문제가 있다.[4] DT반응으로 생긴 중성자가 중수소화 리튬으로 이루어진 블랭킷과 충돌하면 삼중수소가 만들어진다. 이렇게 만들어진 삼중수소는 DT반응의 연료로 다시 사용하고, 중성자의 에너지가 전달, 냉각수가 기화되어 증기터빈을 돌려 발전한다.[5] DT반응으로 생긴 중성자를 차폐하기 위함. 중성자는 중간 정도의 방사능을 띈다.[6] 토카막의 벽면이다. 내부를 초고진공 상태로 유지시키는 역할을 하고, 이중으로, 금속으로 만든다.[7] 플라즈마를 가두고 돌리는 TF코일, 플라즈마를 띄우는 PF코일, 전하를 섞는 CS코일이 있다.[8] 현재 X, Super-X, X-point target, Snowflake, Double decker 등 다양한 다이버터 디자인들이 연구되고 있다.[9] 내부의 플라즈마나 플라즈마 속 전자의 고유진동수에 맞는 전자기파를 쏴 공명시켜 에너지를 전달한다. Ion Cyclotron Resonance Heating, Electron Cyclotron Resonance Heating, Lower Hybrid Current Drive, Magnetic pumping 등 다양한 공명 주파수를 타겟으로 하여 가열시키는 것이 가능하다.[10] DT반응의 연료인 중수소를 이온화시키고 고에너지로 가속시켜 토카막 내부로 발사해 에너지를 전달하고 연료를 공급한다. 플라즈마를 띄우기 위한 강한 자기장 때문에 연료가 이온화되어 전하를 띠는 상태에서는 들어갈 수 없고, 가속시킨 상태에서 Neutralizer로 중성화시켜 원자 상태로 만든 뒤에 노심 플라즈마로 입사시킨다. 양이온을 주입하는 P-NBI(10keV 수준의 저에너지용), 음이온을 주입하는 N-NBI(1MeV 수준의 고에너지용), 토카막 접선 방향으로 입사시키는 Tangential NBI, 토카막 중심 방향으로 입사시키는 Perpendicular NBI 등이 존재한다.[11] L-모드에 비해 효율이 2배정도 높은데, ELM(Edge Localized Mode)현상이 문제가 된다.[12] 2015년 DIII-D에서 첫 관찰.[13] 한국 KFE의 토카막인 KSTAR에서 ITB모드와 DTB모드를 최초로 구현하였다. ITB모드 덕분에 최초로 플라즈마 1분 이상 유지, DTB모드 덕분에 최초로 1억K 20초 이상 유지를 달성할 수 있었다.[14] 당시 실험에서 중수소만을 사용했기 때문에 이 실험으로 얻은 결과를 이용해서 삼중수소가 첨가되었을 때의 Q값을 이론적으로 계산하였다.[15] 투입된 에너지와 핵융합으로 발생한 에너지의 비를 뜻한다. 실제로는 여러 물리적, 경제적 이유로 이 값이 1이 아닌 10은 넘어야 실제 사용이 가능하다.[16] 계산 방식에 따라 일부 학자들은 유럽의 JET 토카막도 임계조건을 달성했다고 주장한다. 당시 JET는 가장 높은 열출력을 기록한 핵융합로였다.[17] 정확히는 자기유체이다. 유체역학 문서 참고.[18] 자화된 플라즈마에서 하전입자는 자기장을 따라 Cyclotron motion을 하기 때문이다.[19] 삼국지에서 오나라와 위나라가 공방전을 벌인 장강 하류의 '합비성' 그 곳 맞다.[20] 차세대 핵융합로 운전 모드 중 하나인 'ITB(Internal TransportBarrier, 내부수송장벽) 모드'를 세계 최초로 구현했다는 점에서 의의가 있다.[21] 동일 온도에서 고온 초전도체 도선은 저온 초전도체 도선에 비해 더 많은 전류를 흘릴 수 있고, 따라서 더 강한 자기장을 발생시킬 수 있다. 이렇게 되면 토카막의 경우 자기장의 세기가 강해질수록 플라즈마를 더 강하게 구속할 수 있기 때문에 보다 작은 크기의 핵융합로에서도 이보다 크기가 큰 핵융합로와 비슷한 수준의 에너지를 생산하는 것이 가능해진다. 단 Troyon beta limit에 의해 무조건 자장 세기를 증가시키는 것은 불가능하며, CFS에서는 고출력 LHCD 전류구동으로 플라즈마 전류를 증가시켜 이런 한계를 극복하는 것으로 알려져 있다.[22] 플라즈마의 압력을 자기장의 압력으로 나눈 값이다. 베타값이 클수록 작은 핵융합로에서 많은 에너지를 낼 수 있으며, 핵융합 발전 문서에서 언급된 D-D 핵융합과 aneutronic 핵융합을 일으킬 수 있는 플라즈마 도달온도를 낮출 수 있다는 점에서 제법 도움이 된다는 것이다. 다만 ARC와 ST-E1은 D-T 연료를 사용할 것이다.[23] 이곳에 위치한 Culham Centre for Fusion Energy는 유명 핵융합 연구소로, 핵융합 발전 연구 태동기부터 있었던 연구소이다.[24] 현재는 Commonwealth Fusion Systems 라는 회사를 스핀오프로 설립하여, ARC의 데모 버전인 SPARC(핵융합로)를 건설하는 중에 있다.[25] 이안 허친슨은 36세경인 1987년에 '플라즈마 진단의 원리'(Principles of Plasma Diagnostics)라는 교재를 저술했는데, 해당 교재는 대학원 물리학과나 원자력공학과, 또는 반도체공학 등에서 플라즈마 진단을 배운다면 반드시 한 번은 공부하게 된다. 플라즈마 진단 영역에서는 거의 전자기학의 그리피스나 잭슨, 양자역학의 그리피스/가시오로비츠 수준의 지위에 있는 교재라 볼 수 있다.[26] 정확히는 MPI für Plasmaphysik[27] 가령 세계 최초의 초전도 자석을 쓴 토카막 T-15는 자기장이 3.6T로 FTU 보다 2배나 작다.