EXL‑50U에서 1 MA 수소‑보론 플라즈마 구현과 실시간 보론화 기술

초록

EXL‑50U 구형 토러스에서 10 % 보론 함량을 갖는 수소‑보론 플라즈마를 비유도 ECRH 스타트업과 중앙 솔레노이드와의 시너지로 1 MA 전류를 달성하였다. 800 kW ECRH로 핵심 전자 온도 3 keV, 평균 전자 밀도 1×10¹⁹ m⁻³를 얻었으며, 순차적 기가트론 가동·전류 상승률 제어·실시간 보론 파우더 주입이 핵심 성공 요인이다. 향후 1.2 T 자기장 목표와 금속벽 ST·슈퍼전도 토카막에 대한 적용 가능성을 제시한다.

상세 분석

본 연구는 구형 토러스(ST)인 EXL‑50U에서 수소‑보론(p‑B) 플라즈마를 이용해 1 MA 급 전류 방전을 최초로 실현한 점에서 큰 의미를 가진다. 핵심 혁신은 30 % 디보레인, 70 % 수소 혼합가스를 연료로 사용하고, 방전 전·중에 보론 파우더를 실시간 주입함으로써 연료 내 보론 함량을 10 % 이상으로 유지한 ‘보론 풍부 연료 전략’이다. 이 전략은 기존의 저농도 보론 도핑 방식과 달리, 플라즈마 전류 상승률을 78 % 향상시켜 1.9 MA/s → 3.4 MA/s 로 증가시켰으며, 중앙 솔레노이드(CS)의 플럭스 소모를 크게 감소시켰다.

비유도 스타트업은 50 GHz, 230 kW 기가트론을 -0.2 s부터 가동해 전자 사이클로트론 공명 가열(ECRH)으로 수행했으며, 전류와 밀도가 상승함에 따라 800 kW까지 전력을 단계적으로 증가시켰다. 네 개의 기가트론을 순차적으로 켜는 방식은 초기 단계에서 과도한 파워가 흡수되지 않아 불순물 발생을 억제하고, 플라즈마 파괴 위험을 최소화한다.

플라즈마는 R=0.6 m, Bₜ=1 T 조건에서 평균 전자 밀도 1×10¹⁹ m⁻³, 중심 전자 온도 3 keV(저밀도 방전에서는 3.5 keV) 를 달성했으며, 엘롱게이션 1.5, 경계 안전인자 qₐ≈4의 제한기(리미터) 구성을 유지했다. 플라즈마 위치와 전류 파형은 사전에 정의된 궤적을 정확히 따랐으며, 자기 플럭스 재구성을 통해 1.03 MA의 피크 전류를 확인했다.

실시간 보론화는 금속벽 ST에서 최초로 적용된 사례로, 보론 파우더와 고농도 디보레인 가스가 플라즈마와 직접 접촉하면서 벽면에 보론 코팅을 형성한다. 이는 플라즈마‑벽 상호작용(PWI)을 감소시키고, 고전류·고온 플라즈마에서 발생할 수 있는 재료 손상을 완화한다는 점에서 ITER 및 차세대 ST(예: EHL‑2, STEP) 설계에 중요한 교훈을 제공한다.

또한, 전류 상승률을 70 ms 이후 의도적으로 감소시켜 급격한 플라즈마 팽창과 LFS 제한기와의 강한 충돌을 방지한 점은 전류 제어 전략의 실용성을 보여준다. 향후 2026년까지 Bₜ를 1.2 T로 상승시킬 계획이며, 현재 전류 한계인 1 MA를 넘어서는 고전류 방전이 기대된다. 이러한 결과는 저루프 전압 스타트업, CS 플럭스 절감, 실시간 보론화 기술이 결합될 때 금속벽 ST와 초전도 토카막 모두에서 상용화 가능한 고성능 플라즈마를 구현할 수 있음을 증명한다.