양·음 삼각형 토카막 설계 최적화: 비용·신뢰성 트레이드오프 비교

초록

본 연구는 FUSE 통합 최적화 프레임워크를 이용해 양(Positive)·음(Negative) 삼각형 토카막의 설계 공간을 20만 건 이상 평가한다. 비용 최소화와 q₉₅ 최대화를 목표로 하면서 250 ± 50 MW 전력, TBR > 1.1, 파워 배출 제한, 1 h 플랫톱 등 공학적 제약을 동시에 만족한다. 양삼각형은 L‑H 임계와 SOL‑R 제한 사이의 좁은 운영 창으로 인해 R₀ > 6.5 m, B₀≈8 T의 대형 구조에 머무른다. 반면 음삼각형은 이러한 제약이 완화돼 R₀≈5.5 m, B₀>12 T의 고장력 소형 설계가 가능하며 HTS 기술과 시너지한다. 민감도 분석에서는 L‑H 임계와 파워 배출 한계의 50 % 변동이 양삼각형 설계의 경제성을 크게 좌우함을 확인했다.

상세 분석

이 논문은 토카막 설계에서 “플라즈마 성능”보다 “운영 제약”이 결정적인 역할을 한다는 점을 명확히 제시한다. FUSE 프레임워크는 플라즈마 균형, 중성자 배출, 열‑수송, 구조 설계, 비용 산정까지 전 과정을 하나의 데이터 흐름으로 통합한다. 특히, 양(PT)와 음(NT) 삼각형에 맞는 엣지 모델을 각각 EPED와 새롭게 개발한 WPED로 구현한 점이 혁신적이다. EPED는 H‑mode 페디스털을 기반으로 L‑H 전이와 페디스털 안정성을 연결하지만, NT는 강한 페디스털이 존재하지 않아 에너지 비율 c_WPED≈0.30을 고정하고 온도·밀도 프로파일을 부드러운 지수함수 형태로 매칭한다. 이러한 차이는 설계 최적화에 직접적인 제약을 부여한다.

다중 목표 유전 알고리즘을 이용해 200 k+ 설계 샘플을 탐색한 결과, 두 구성 모두 비용‑성능 파레토 프론트를 비슷하게 형성하지만, 최적 설계 경로는 크게 다르다. PT는 L‑H 전이 전력(P_LH)과 SOL‑R(=P_sol/R) 제한 사이의 “윈도우”가 좁아, 대형 플라즈마(반경 R₀ > 6.5 m)와 낮은 자기장(B₀≈8 T)으로 설계해야 한다. 이는 페디스털이 손상될 경우(최대 40 % 감소)에도 전력 출력과 q₉₅를 유지하기 위한 보완 메커니즘이다. 반면 NT는 L‑H 전이 요구가 없고, SOL‑R 제한이 완화돼 고자기장(>12 T)과 소형(≈5.5 m) 설계가 가능해 HTS(고온 초전도) 코일 기술과 자연스럽게 맞물린다.

민감도 분석에서는 L‑H 임계 전력과 SOL‑R 한계의 50 % 변동이 PT 설계의 존재 가능성을 크게 바꾸는 반면, NT는 이러한 변동에 비교적 강인함을 보였다. 즉, PT는 제약 예측이 정확할 경우 가장 저비용 경로를 제공하지만, 불확실성이 클 경우 설계 공간이 급격히 축소된다. NT는 비용 면에서는 PT와 동등하거나 약간 뒤처지지만, 물리·공학 불확실성에 대한 내성이 높아 리스크‑인포메드 선택에 유리하다.

이 연구는 토카막 설계 단계에서 “플라즈마 물리학 모델링”과 “시스템 엔지니어링 제약”을 동시 고려하는 통합 최적화가 필수임을 실증한다. 또한, NT 플라즈마가 제공하는 ELM‑free, 높은 파워 핸들링 특성이 고자기장 소형 설계와 결합될 때 경제적·기술적 경쟁력을 확보할 수 있음을 보여준다. 향후 연구에서는 수직 안정성, 고전압 부스트 전류, 그리고 실제 HTS 코일 설계와 같은 추가 제약을 포함해 설계 공간을 더욱 확대할 필요가 있다.