ITER 3차원 자기장 정밀 계산: TBM 및 페라이트 삽입물의 자화 효과 분석

초록

본 논문은 ITER의 시험 블랭킷 모듈(TBM)과 페라이트 삽입물(FI)에서 발생하는 비선형 자화에 의해 유발되는 3차원 자기장 변화를, FEM과 Biot‑Savart 적분을 결합한 새로운 계산 체계로 정밀히 평가한다. 기하학적 단순화로 인한 질량 손실을 보정하기 위해 물성 곡선을 수정했으며, 얻어진 자기장과 벡터 퍼텐셜은 빠른 이온 궤도 추적 및 플라즈마 응답 모델에 바로 활용 가능하도록 제공한다.

상세 분석

이 연구는 ITER 내부의 강자성 부품, 특히 유럽형 헬륨‑냉각 펩블 베드(HCPB) TBM과 페라이트 삽입물(FI)이 토카막 자기장에 의해 자화될 때 발생하는 국소적인 자기장 교란을 정량화하기 위해, 전통적인 FEM 접근법과 정확한 Biot‑Savart 적분을 결합한 하이브리드 방법을 제시한다. COMSOL Multiphysics(버전 4.4)와 AC/DC 모듈을 이용해 먼저 전체 구조에 대한 자화 해석을 수행하고, 얻어진 자화 분포를 영구자석 모델로 전환한다. 이때 비선형 B‑H 곡선을 물질별로 정의하고, 기하학적 단순화(예: 작은 구멍, 볼트 구멍, 얇은 판의 공극 등)로 인해 실제 부피가 감소한 경우, 자화 강도를 보전하기 위해 H‑B 곡선을 보정하는 식(3)을 도입하였다. 보정 계수 c는 원래 부피와 단순화된 부피의 비율이며, 이를 통해 전체 자기 모멘트 M=∫M dV가 유지되도록 하였다.

코일 및 플라즈마 전류는 EQDISK 파일에서 추출한 전류 밀도와 토러스 좌표계에 맞게 균일하게 배분했으며, TF 코일의 복잡한 D‑형 곡선을 2차 베지어 곡선으로 스무딩하여 COMSOL에 직접 입력하였다. 경계 조건은 무한 구(shell) 모델을 활용해 방사형 좌표 변환(% = R²+z²)으로 구현했으며, 이는 실제 수 킬로미터 거리까지의 무한 경계 효과를 근사한다.

자기장 계산 후, BioSaw 코드를 통해 코일 전류만을 고려한 Biot‑Savart 기반 배경 자기장을 별도로 생성하고, FEM에서 얻은 영구자석(자화) 필드를 이와 중첩하였다. 이렇게 얻어진 전체 B와 벡터 퍼텐셜 A는 스무딩 없이 그대로 FAST ION 궤도 추적 코드(ASCOT)와 플라즈마 응답 스펙트럼 코드에 입력될 수 있다. 결과는 기존 연구