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iterKOREA 한국사업단

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진단장치

기능

핵융합 고온 플라즈마의 물리변수(밀도, 온도, 자기장 등)를 측정하기 위한 부대장치로서, 측정 데이터는 핵융합 연소 플라즈마 물리현상 이해, 플라즈마 제어, 일차벽 손상 여부 판별에 활용함

제원 및 기능

  • 약 40여종의 독립적인 측정시스템들로 구성되며, 자기장, 중성자, 분광, 레이저, 마이크로파, 입자 진단 등의 기법 활용
  • 센서, 거울(Mirror), 도파관(Waveguide) 등의 측정 부품들은 플라즈마를 직접 관측하기 위해 진공용기 상부(12), 중간(6), 하부(6) 포트에 플러그 구조물을 사용하여 설치되고, 계측기기는 포트플러그 바깥에 설치됨.

우리나라 조달내역

  • 상부 포트플러그 구조물 1개, 광학진단장치: VUV (Vacuum Ultra Violet) 분광기, 중성자 진단장치: 중성자방사화시스템 등 진단장치 2개
  • 조달금액 : 4.88kIUA (총 조달금액 : 137.5kIUA), 참여율 : 3.5%
    • EU 25.7%, 미국 16.0%, 일본 14.8%, 러시아 13.9%, 중국 3.7%, 인도 3.3%, FUND 19.1%
    • 7개 회원국은 담당 Port를 기준으로 조달품목을 할당받음

한국 조달 ITER 진단장치 : 상부포트플러그, 진공자외선분광기, 중성자방사화시스템

세부설명

핵융합 장치에서 고온 플라즈마를 발생시키고 오랫동안 유지하기 위해서는 운전 중 지속적으로 다양한 종류의 물리량(온도, 밀도, 자기장 등)을 측정하여 핵융합 반응의 성능을 분석하고, 플라즈마가 불안정해지지 않게 잘 유지되도록 능동적으로 플라즈마를 제어하여야 한다. 진단장치는 이러한 플라즈마 제어와 성능 분석에 필요한 다양한 물리량을 측정하는 시스템이다. 또한 진단장치는 핵융합 플라즈마의 고에너지 입자뿐만 아니라 고속 중성자에 의해 손상될 수 있는 플라즈마 대면 부품인 일차벽 및 디버터의 표면을 관측하여 손상 여부를 판별하여 장치의 안전운전을 하고자 하는 기능도 있다.

ITER 진단장치는 이러한 목적으로 약 45 개의 물리량들을 측정하며, 측정 목적에 따라 크게 다음의 세 가지로 분류할 수 있다. 각 물리량들에 대한 분류는 표 1에 정리되어 있다.

  1. 1. 장치 안전과 기본적인 플라즈마 제어
  2. 2. 핵융합 플라즈마 성능 향상을 위한 제어
  3. 3. 핵융합 플라즈마 성능 평가 및 ITER 성능을 결정하는 중요 물리현상 분석

ITER 진단장치는 위와 같은 다양한 물리량들을 측정하기 위해 40여종의 독립적인 시스템으로 구성되어 있다. 각 측정시스템들은 자기장, 중성자, 분광, 레이저, 마이크로파, 입자 진단 등의 기법을 활용하여 플라즈마를 관측한다. 진단 장치들은 플라즈마를 직접 관측하는 센서, 반사경 등 신호 수신 장치, 신호 계측 장치, 데이터 분석처리 장치 등으로 구성되어 있다. 이들 장치들은 진공용기 내부에서부터 진단 장치실에 이르기까지 토카막 건물 전체에 걸쳐 설치된다[그림1] 특히 플라즈마를 관측하는 신호 수신 장치는 진공용기 주변에 뚫려있는 포트를 통해 설치된다. 이 때 진단장치들의 많은 센서, 거울, 도파관(Waveguide) 등의 측정 부품들은 포트 플러그라는 구조물을 이용하여 진공 포트의 안쪽에 설치된다.
우리나라가 조달하는 진단장치는 다음과 같다.

ITER 진단장치 설치 개념도

  • 진단 상부 포트플러그

    상부 진단 포트플러그는 고온 플라즈마와 고속 중성자로부터 진공용기 내부에 설치되는 진단장치(센서, 거울, 서터 등)를 보호하는 구조물로서 진단장치를 내부에 장착한 후에 진공용기 포트에 외팔보 형태로 설치된다. 포트플러그는 진단장치 지지 및 보호라는 고유 기능 이외에도 진공용기 내부의 주 진공을 유지하고 핵융합 반응에서 생성된 중성자를 차폐하여 초전도 자석을 보호하는 역할도 한다.
    ITER 장치는 진공용기의 상부 및 중간 위치에 각 18개의 포트가 뚫여 있으며, 이 중에서 상부 포트 12개와 중간 포트 6개가 진단장치 설치를 위해 사용한다. 한국은 상부포트 18번에 설치될 진단 포트플러그를 조달한다. 상부 포트 플러그는 길이 6m 높이 1m 폭 1m의 대형 구조물로서 내부에는 중성자 차폐와 진단장치 설치를 위해 진단모듈을 장착한다. 무게는 20톤 정도이다. 18번 상부포트플러그에 설치되는 진단장치는 VUV 분광기와 중성자방사화시스템으로 모두 한국이 조달하는 시스템들이다.

    ITER 진단 상부 포트플러그 18번

  • VUV Survey Spectrometer (Equatorial Port #11)

    VUV 분광장치는 ITER 운전 중 핵융합 플라즈마 내부에 들어있는 불순물들의 종류와 거동을 관측하고자 설치된다. Equatorial Port #11에 설치될 예정인 VUV Survey 분광기는 넓은 VUV 파장 대역(2.4~160 nm)에서도 높은 분해능을 확보할 수 있도록, 5 채널 분광시스템으로 구성되어 있다. 파장 영역 별로 나뉜 채널별로 분광계를 구성하였으며, 실시간으로 스펙트럼을 얻을 수 있도록 설계되었다.

  • VUV Imaging Spectrometer (Upper Port #18)

    Upper Port #18에 설치될 VUV Imaging 분광기는 Equatorial 포트에 설치될 분광기와는 달리, ITER 플라즈마 언저리(Edge) 부근의 불순물(Impurities)의 거동을 위치에 따라 실시간으로 관측하려는 진단 장치이다. 분광기의 분해능을 높이면서, 시공간 측정이 동시에 가능하도록 좁은 VUV 분광 대역에서 2차원 Image를 얻도록 하였다. ITER 플라즈마에 섞여 있는 주요 불순물들을 판별할 수 있는 분광선이 대부분 포함되는 영역인 좁은 파장 대역(17~34 nm)을 선택하여, 분광의 범위에서 약 500분해능을 실현하도록 설계되었다.

  • 중성자방사화시스템 (Neutron Activation System)

    ITER 플라즈마의 연료인 중수소와 삼중수소가 핵융합 반응을 일으키면 14.1 MeV의 에너지를 가진 중성자가 방출된다. 중성자방사화시스템은 일차벽 부근에서 이러한 중성자를 측정함으로써 일차벽으로의 중성자 플루언스 및 총 핵융합 출력을 측정하는데 그 목적이 있다. 중성자를 측정하기 위해 본 진단장치는 중성자 조사를 받은 금속시편의 방사화도를 측정하는 방법을 사용하는데, 이 때 금속시편은 공압 방식에 의해 토카막 내부의 조사점과 방사화도 측정장치 사이를 왕복하게 된다.

    ITER Neutron Activation System Layout