2021년 9월 5일 새벽 전, MIT 플라즈마 과학 및 융합 센터(PSFC) 실험실에서 공학자들이 주요 이정표를 달성했다. 고온 초전도 물질로 만들어진 새로운 유형의 자석이 대규모 자석으로서 세계 기록인 20 테슬라의 자기장 강도를 달성했다. 이것은 전력 순 출력을 생성할 것으로 예상되는 융합 발전소를 건설하기 위해 필요한 강도이며, 잠재적으로 거의 무한한 전력 생산 시대를 열 수 있다.
새로운 융합 장치인 SPARC(이 장치의 핵심 기술인 자석을 사용)의 설계에 대한 모든 기준을 충족했기 때문에 테스트는 즉시 성공으로 선언되었다. 실험자들로 구성된 피곤한 팀은 이 성취를 가능하게 하기 위해 오랜 시간과 노력 끝에 샴페인 마개를 따고 그들의 업적을 축하했다.
그러나 그것이 과정의 끝은 아니었다. 이후 몇 달 동안, 팀은 자석의 구성 요소들을 분해하고 검사했으며, 수백 개의 기구가 기록한 테스트 세부 정보를 분석하고, 같은 자석에 대해 두 번의 추가 테스트를 수행하여 최종적으로 가능한 실패 모드의 세부 사항을 배우기 위해 이를 극한까지 밀어붙였다.
모든 이 작업은 이제 PSFC 및 MIT 출신 회사인 Commonwealth Fusion Systems (CFS) 연구원들에 의해 상세한 보고서로 결실을 맺었으며, 3월호 특별판의 여섯 편의 피어 리뷰 논문 모음집에 게재되었습니다. IEEE Transactions on Applied Superconductivity 총론적으로, 팀은 예측과 컴퓨터 모델링이 매우 정확했으며, 이는 자석의 독특한 설계 요소들이 융합 발전소의 기초가 될 수 있음을 확인시켜 준다. 또한 논문들은 자석의 설계와 제작, 성능을 평가하기 위한 진단 장비에 대해 설명하며, 과정에서 얻은 교훈들도 포함하고 있다.
실용적인 핵융합 발전 실현을 위한 기술
자석의 성공적인 테스트는 최근 PSFC 소장직을 떠난 엔지니어링 교수인 덴nis Whyte에 따르면, "나의 의견으로는 지난 30년간의 핵융합 연구에서 가장 중요한 일이었다."라고 말했다.
9월 5일 시연 전까지, 최고 수준의 초전도 자석은 융합 에너지를 달성할 만큼 강력했지만, 그 크기와 비용 때문에 실질적으로나 경제적으로 실행 가능하다고 볼 수는 없었다. 그런데 실험 결과가 훨씬 작은 크기에서 그런 강력한 자석의 실현 가능성을 보여주자마자, 와이트는 “하루 아침에 융합 반응로의 1와트당 비용이 거의 40배나 바뀌었다”고 말했다.
“지금 융합 에너지에는 기회가 생겼다”고 와이트는 덧붙였다. 실험용 융합 장치에서 가장 널리 사용되는 설계인 토크막은 “내 의견으로는 경제성이 있을 수 있다. 이는 알려진 억제 물리학 규칙에 따라 능력에 있어 양자적 변화를 가져오며, 융합을 가능하게 하는 물체의 크기와 비용을 크게 줄일 수 있기 때문입니다.”
PSFC의 자석 테스트에서 얻은 포괄적인 데이터와 분석, 그리고 새로 발표된 여섯 편의 논문에 따르면, MIT와 CFS가 설계한 새로운 세대의 융합 장치 및 기타 상업적 융합 회사들의 유사한 설계는 과학적으로 견고한 기반 위에 구축되어 있음을 입증했다.
초전도 기술의 돌파구
융합은 가벼운 원자를 결합하여 더 무거운 원자를 형성하는 과정으로, 태양과 별들을 움직이는 동력이다. 그러나 지구상에서 이 과정을 활용하는 것은 수십 년간의 노력과 수십억 달러의 실험 장치에도 불구하고 엄청난 도전 과제로 남아왔다. 오랜 시간 동안 추구되었지만 아직 실현되지 않은 목표는 에너지를 소비하는 것보다 더 많은 에너지를 생산하는 융합 발전소를 만드는 것이다. 이러한 발전소는 운영 중 온실가스를 배출하지 않으며 매우 적은 양의 방사성 폐기물을 생성할 수 있다. 융합 연료는 해수로부터 얻을 수 있는 수소 형태로 사실상 무한하다.
그것을 작동시키기 위해서는 연료를 극도로 높은 온도와 압력에서 압축해야 하며, 어떤 알려진 재료도 이러한 온도를 견딜 수 없으므로 연료는 매우 강력한 자기장으로 고정되어야 합니다. 이렇게 강한 자기장을 생성하려면 초전도 자석이 필요하지만, 이전의 모든 융합 자석은 약 4켈빈(절대 영도보다 4도 높음, 섭씨 -270도)과 같은 극저온에서 작동하는 초전도 물질로 만들어졌습니다. 최근 몇 년 동안 희토류-바륨-구리 산화물(REBCO)이라는 별명을 가진 새로운 물질이 융합 자석에 추가되었으며, 이를 통해 자석은 20켈빈에서 작동할 수 있게 되었습니다. 이 온도는 단지 16켈빈 더 따뜻하지만, 재료 특성과 실용적인 공학 측면에서 중요한 이점을 제공합니다.
이 새로운 고온 초전도체 물질을 활용하는 것은 기존 자석 설계에서 단순히 이를 대체하는 것만으로 해결할 수 있는 문제가 아니었습니다. 대신, "거의 모든 초전도 자석을 만드는 원칙들을 처음부터 다시 설계해야 했습니다,"라고 와이트는 말합니다. 새로운 REBCO 재료는 "이전 세대의 초전도체와 비교할 수 없을 정도로 매우 다릅니다. 단순히 적응하고 교체하는 것이 아니라, 실제로 처음부터 혁신해야 합니다." 이번 논문들은 응용 초전도 학회 논문집 특허 보호가 이루어진 후 그 재설계 과정의 세부 사항을 설명합니다.
핵심 혁신: 절연 없음
많은 사람들이 성공 가능성을 회의적으로 보던 극적인 혁신 중 하나는, 자석을 구성하는 얇고 평평한 초전도 테이프 리본 주위의 절연체를 제거한 것이었다. 거의 모든 전기 배선과 마찬가지로, 기존의 초전도 자석은 단선 간의 단락을 방지하기 위해 절연 재료로 완전히 덮여 있다. 그러나 새로운 자석에서는 테이프가 완전히 노출된 상태로 남겨졌다. 엔지니어들은 REBCO의 훨씬 더 높은 전도도에 의존하여 전류가 물질 내에서 흐르도록 했다.
“우리가 이 프로젝트를 시작했을 때, 즉 2018년경, 고온 초전도체를 사용하여 대규모 고자기장을 생성하는 기술은 초기 단계에 있었습니다,”라고 핵 과학 및 공학 부서의 로버트 N. 노이스 경력 개발 교수인扎차드 하트위그(Zach Hartwig)가 말했습니다. 하트위그는 PSFC에서 공동 임명을 받았으며, 이 자석 개발 프로젝트를 주도한 엔지니어링 그룹의 책임자입니다. “최신 기술은 실제 대형 장치를 만드는 데 필요한 요소를 제대로 반영하지 못하는 작은 실험실 실험이었습니다. 우리의 자석 개발 프로젝트는 실험대 규모에서 시작해 비교적 짧은 시간 안에 완전한 규모로 성장했습니다,”라고 그는 덧붙이며, 팀이 2만 파운드(약 9,072kg)짜리 자석을 만들어 약 20테슬라의 안정적이고 균일한 자기장을 생성했다고 언급했습니다. 이는 대규모로 생산된 어떤 자기장보다도 훨씬 강한 것입니다.
「이러한 자석을 만드는 표준적인 방법은 도체를 감고, 감기 사이에 절연층을 두는 것입니다. 비정상적인 이벤트인 예를 들어 정전 시 발생하는 높은 전압을 처리하기 위해 절연층이 필요합니다.」 그는 말했다. 「절연층을 제거하면 저전압 시스템의 장점이 생깁니다. 이것은 제작 과정과 일정을 크게 단순화시킵니다.」 또한 더 많은 공간이 생겨 냉각장치나 강도를 위한 구조물 같은 다른 요소들을 추가할 수 있습니다.
자석 조립체는 매사추세츠주 디븐스에서 CFS가 현재 건설 중인 SPARC 융합 장치의 돈우형 실내를 형성할 다소 작은 규모의 버전입니다. 이는 한쪽 면에는 초전도 테이프의 나선형 감김이 있고, 반대편 면에는 헬륨 가스를 위한 냉각 채널이 있는 16개의 판, 즉 '팬케이크'로 구성됩니다.
그러나 단열이 없는 설계는 위험하다고 여겨졌으며, 시험 프로그램에 많은 것이 달려 있었다. "이것은 실제로 이른바 단열 없고 비틀림 없는 기술로 자석을 설계하고 제작하며 테스트하는 데 관련된 것을 탐구한 첫 번째 자석이었습니다,"라고 하트위그는 말했다. "우리가 단열이 없는 코일이라고 발표했을 때 커뮤니티는 매우 놀랐습니다."
한계까지... 그리고 그 너머로
이전 논문에서 설명한 초기 테스트는 설계와 제조 공정이 단지 작동할 뿐만 아니라 매우 안정적임을 입증했다 - 어떤 연구원들은 이를 의심했었다. 2021년 말에 수행된 다음 두 번의 테스트는 고의적으로 불안정한 상태를 만들어 장치를 한계까지 밀어붙였는데, 이는 전력 공급이 완전히 차단되어 치명적인 과열이 발생할 수 있는 상황을 포함한다. 이를 'クエンチ(Quench)'라 부르며, 이러한 자석의 작동에서 최악의 시나리오로 간주되며 장비를 파괴할 가능성이 있다.
하트위그에 따르면, 테스트 프로그램의 임무 중 하나는 “완전한 규모의 자석을 고의적으로 소멸시키는 것이었는데, 이는 과학을 발전시키고 설계 코드를 검증하기 위해 올바른 규모와 조건에서 중요한 데이터를 얻기 위함이었습니다. 그리고 나서 자석을 분해하고 무엇이 잘못되었는지, 왜 잘못되었는지 확인하고, 다음 단계로 넘어가 문제를 수정하는 방법을 찾는 것이었습니다. … 매우 성공적인 테스트였습니다.”
하트위그에 따르면, 16개의 케이크 중 하나의 모서리가 녹아내린 최종 테스트는 새로운 정보를 많이 제공했다. 첫째로, 그들은 자석 성능의 다양한 측면을 설계하고 예측하기 위해 여러 가지 다른 계산 모델을 사용해왔는데, 대부분의 모델은 전체적인 예측에서 일치했고 시리즈 테스트 및 실제 측정값으로 잘 검증되었다. 그러나 퀄치(quench)의 효과를 예측할 때 모델들의 예측이 달라졌으므로, 모델의 타당성을 평가하기 위해 실험 데이터를 얻는 것이 필요했다.
“우리가 예측한 가장 높은 정확도의 모델들은 자석이 얼마나 따뜻해질지, 퀴치(Quench)가 시작될 때 자석이 어느 정도 따뜻해질 것인지, 그리고 자석에 손상이 어디에 발생할지 거의 정확하게 예측했습니다,”라고 그는 말합니다. 새로운 보고서 중 하나에서 상세히 설명된 바와 같이, “그 테스트는 실제로 어떤 물리적 현상이 일어나고 있었는지를 우리에게 정확히 알려주었고, 앞으로 유용한 모델과 그렇지 않은 모델을 구분하도록 도와주었습니다.”
와이트는 “기본적으로 우리는 코일에 대해 다른 모든 성능을 테스트한 후, 의도적으로 코일에 최악의 상황을 재현했습니다. 그런데 대부분의 코일이 손상 없이 생존했으며, 일부 고립된 영역에서만 용융이 발생했습니다.”라고 말합니다. “코일 부피의 몇 퍼센트 정도만 손상되었습니다.” 이는 실제 융합 장치의 자석에서 극단적인 조건에서도 이러한 손상을 방지할 수 있도록 설계를 개정하는 계기가 되었습니다.
하트위그는 팀이 이러한 혁신적인 새로운 기록을 세우는 자석 설계를 완성할 수 있었고, 매우 짧은 일정 내에 첫 시도로 성공할 수 있었던 주요 이유가 알카토르 C-모드 토크막, 프랜시스 비터 매그넷 연구소 및 PSFC에서 수행된 다른 작업들로부터 쌓아온 수십 년간의 깊은 지식, 전문성, 그리고 장비 덕분이었다고 강조했다. “이것은 바로 이런 곳의 기관 역량의 핵심입니다,”라고 그는 말했다. “우리는 한 지붕 아래에서 이러한 일을 수행할 수 있는 능력, 인프라, 공간과 사람들을 갖추고 있었습니다.”
그는 MIT과 CFS의 협력이 핵심이었다고 말하며, 학술 기관과 민간 회사가 가장 강력한 면을 결합해 서로 단독으로는 할 수 없었던 일을 함께 해냈다. "예를 들어, CFS의 주요 기여 중 하나는 프로젝트에서 가장 중요한 물질인 고온 초전도체 300킬로미터(186마일)를 전례 없는 수준과 일정 내에 확보하고 공급망을 구축하는 것이었다. 이는 엄격한 품질 관리 하에 1년 미만의 시간 안에 이루어졌으며, 자석에 계획대로 통합되었다."
MIT과 CFS의 두 팀이 융합된 것도 성공에 있어 매우 중요했다고 그는 말했다. "우리는 자신을 한 팀으로 생각했고, 그것이 우리가 이루어야 할 일을 가능하게 만들었다."
