비선형 MHD 모델링을 통한 ASDEX Upgrade 파쇄 펠릿 주입 연구

초록

본 논문은 JOREK 비선형 MHD 코드를 이용해 ASDEX Upgrade에서 네온‑도핑된 파쇄 펠릿(​SPI​) 주입을 3차원 유체 시뮬레이션하고, 마커 입자를 통해 충돌‑복사 모델을 적용해 네온 함량(0‑10 %)에 따른 열소멸(TQ) 과정과 물질 동화 효율을 조사한다. 결과는 TQ가 두 단계로 진행되며, 첫 단계는 네온 함량에 무관한 대류·전도 손실, 두 번째 단계는 방사선 손실이 지배함을 보여준다. 낮은 네온 함량(≤0.12 %)에서는 전체 물질의 약 20 %가 동화되고, 네온 함량이 높을수록 동화된 네온 원자 수는 증가한다. 또한 파편 크기와 침투 속도가 냉전 전선 형성 및 동화 효율에 미치는 영향을 정량화한다.

상세 분석

본 연구는 ITER의 파쇄 펠릿 주입(​SPI​) 방식을 검증하기 위해, 실제 ASDEX Upgrade H‑mode 플라즈마 재구성을 기반으로 JOREK의 비선형 3‑D 비저항성·두 온도 감소 MHD 모델을 적용하였다. 핵심은 플라즈마 내부에서 펠릿 파편이 증발·이온화되는 과정을 마커 입자와 OpenADAS 원자 데이터베이스를 결합해 동시 계산한 점이다. 이를 통해 각 파편이 방출하는 네온 및 중수소 이온의 전하 상태와 복사 전력을 실시간으로 추적함으로써, 전통적인 고정 전하 분포 가정보다 정확한 방사선 손실 예측이 가능했다.

시뮬레이션은 네온 함량을 0, 0.12, 1, 10 % 네 단계로 스캔했으며, 파편 크기와 속도도 세 가지 경우(LF, MF, SF)와 반속도(HV) 시나리오로 변형하였다. 결과는 열소멸이 두 단계로 진행된다는 점에서 일관되었다. 첫 단계에서는 파편이 플라즈마 외곽의 스토케스틱 필드에 진입하면서 대류와 전도가 주된 에너지 손실 메커니즘이 되고, 이때 손실된 열에너지 비율은 네온 함량에 관계없이 약 50 %에 머문다. 두 번째 단계에서는 플라즈마가 완전히 붕괴하면서 온도가 급격히 낮아지고, 네온이 고전이(​Z​) 상태로 전이하면서 강한 방사선이 발생한다. 순수 수소(​D​) 주입에서는 이 방사선 단계가 거의 나타나지 않아, 전체 열소멸이 제한적이다.

동화 효율 측면에서, 낮은 네온 함량(≤0.12 %)에서는 파편이 플라즈마 중심부까지 도달해 전체 물질의 약 20 %가 동화된다. 이는 고네온 함량에서 파편이 외부에서 급격히 냉각·증발되어 동화가 억제되는 현상과 대비된다. 그러나 네온 원자 자체의 동화 수는 네온 함량이 증가함에 따라 선형적으로 상승한다. 즉, 전체 동화량은 감소하지만 방사선 효율을 높이는 네온 원자 수는 늘어난다.

파편 크기와 속도에 대한 추가 실험에서는, 작은 파편(​SF​)과 느린 속도(HV)일수록 외곽에서의 냉전 전선이 형성되어 플라즈마 경계면에서 강한 냉각이 일어나고, TQ 지속 시간이 길어지는 경향을 보였다. 반대로 큰 파편(LF)과 빠른 속도(FV)는 플라즈마 중심부에 빠르게 도달해 TQ가 짧아지고, 동화율이 상승한다. 이는 ITER 설계 시 파편 크기와 주입 속도를 최적화함으로써, 열부하를 균등하게 분산시키고 RE 억제에 필요한 전하 상태를 조절할 수 있음을 시사한다.

수치적 안정성을 확보하기 위해, 8개의 토로이달 모드(n=0…7)를 사용하고, 플럭스 정렬 격자(70×110)와 이상 전도벽을 가정했으며, 시간 스텝을 6.1×10⁻⁸ s로 설정해 고해상도 동역학을 재현했다. 또한, 저온 영역에서의 저항성 발산을 방지하기 위해 최소 온도 1 eV, 최대 온도 1.35 keV에서 저항성을 제한하였다. 이러한 수치적 조치는 플라즈마가 완전 붕괴되는 과정에서도 물리적 일관성을 유지하도록 설계되었다.

전반적으로, 본 연구는 3‑D 비선형 MHD와 충돌‑복사 모델을 결합한 최초의 대규모 시뮬레이션으로, 네온 함량, 파편 크기, 속도가 TQ 메커니즘과 물질 동화에 미치는 복합적 영향을 정량화하였다. 이는 ITER DMS 설계 시 파쇄 펠릿 파라미터 최적화와 실험 데이터 검증에 중요한 기준점을 제공한다.