리튬 입자 투입이 고밀도 별자리 플라즈마에서 중·고 Z 불순물 수송을 촉진한다

초록

LHD에서 연속적인 리튬 과립 투입이 고밀도 플라즈마의 티타늄·몰리브덴 불순물 체류 시간을 크게 단축시켰으며, 특히 Z가 높은 몰리브덴에서 그 효과가 두드러졌다. 시뮬레이션은 몰리브덴 수송이 고전적(classical) 메커니즘에 의해 지배됨을 보여준다.

상세 분석

본 연구는 LHD 대형 헬리컬 장치에서 중·고 Z 불순물(티타늄 Z=22, 몰리브덴 Z=42)의 핵심 영역 수송 특성을 리튬(Li) 과립을 연속적으로 투입함으로써 조사하였다. 실험은 인버스 시프트된 자기구조(Rax=3.6 m, Bax=2.75 T)와 수소 가스를 연료로 사용했으며, 3 MW ECRH와 3–7 MW NBI로 가열하였다. 플라즈마 평균 전자밀도는 5.3×10¹⁹ m⁻³, 중심 전자·이온 온도는 각각 2.2 keV, 1 keV 수준이었다. Li 과립은 4.8 s부터 방전 종료까지 중력에 의해 플라즈마 가장자리로 지속 투입되었으며, 그 결과 전자밀도는 가장자리에서 5 % 정도 상승하고, 중심 전자·이온 온도는 각각 12.5 %와 약간 상승하였다. 저장 에너지는 10 % 증가했으며, Zeff는 1.8에서 2.3으로 상승하였다. 이러한 변동은 Hα 방출 감소와 연계되어 연료 공급 감소를 시사한다.

불순물은 TESPEL(Tracer‑Encapsulated Solid Pellet) 방식으로 r_eff/a₉₉≈0.75 위치에 약 5×10¹⁷ 원자(티)·5×10¹⁷ 원자(몰) 규모로 주입되었다. 방출선 Ti XX(25.93 nm)와 Mo XXXII(12.79 nm)의 시간적 감소를 측정해 지수적 감쇠 시간 τ를 추정했으며, Li 투입이 없을 때 Ti τ≈1.38 s, Mo τ≈6.34 s였고, Li 투입 시 각각 τ≈1.15 s(≈‑17 %)와 τ≈1.43 s(≈‑78 %)로 크게 단축되었다. 이는 Z가 높을수록 Li에 의한 수송 촉진 효과가 강함을 의미한다.

수송 해석을 위해 STRAHL 코드를 이용해 확산계수 D와 대류속도 V를 조정했으며, Ti와 Mo 모두 D≈0.08–0.11 m² s⁻¹, V_min≈‑0.9 ~‑2.0 m s⁻¹ 수준에서 실험 데이터를 재현하였다. 특히 Li 투입 시 V의 음수 구간이 완화되어 불순물 외부로의 흐름이 가속화된 것으로 보인다.

전기장 E_r은 2D‑PCI에서 측정된 위상속도를 통해 추정했으며, Li 투입 전후 모두 부정적인 값으로 거의 동일하였다. 따라서 E_r 변화가 불순물 수송 변화를 직접 설명하지 못한다. 반면, Li 투입 시 RI(Resistive Interchange) 난류의 성장률이 감소함을 확인했는데, 이는 에너지 보존성 향상과는 일치하지만 불순물 배출을 억제할 것으로 기대되는 반대 효과와는 모순된다.

마지막으로 SFINCS 코드를 이용해 네오클래식(NC)과 고전(classical) 입자 플럭스를 계산한 결과, 전자·양성자 플럭스는 NC가 지배했으며 Li 투입 시 약간 증가하였다. 반면 Mo⁺³¹에 대한 총 플럭스는 고전적 기여가 우세했으며, Li 투입 시 고전 플럭스가 크게 증가해 불순물 배출이 촉진된 것으로 해석된다. 이는 고밀도, 이온‑루트 전기장 하에서 고 Z 불순물의 수송이 NC보다 충돌성 고전 메커니즘에 의해 지배될 수 있음을 시사한다.

요약하면, Li 과립의 연속 투입은 플라즈마 경계 조건을 미세하게 변화시켜 전반적인 입자·에너지 보존성을 향상시키면서도, 고 Z 불순물에 대해서는 고전적 충돌 전송을 강화시켜 핵심 영역에서의 체류 시간을 급격히 감소시킨다. 이는 향후 고밀도 별자리형 핵융합 장치에서 불순물 관리 전략을 재고할 필요성을 강조한다.