플라즈마의 중성입자-이온 충돌이 유속측정에 미치는 영향

Abstract

자기 핵융합장치의 플라즈마 가둠(plasma confinement)은 중심플라즈마와 진공챔버(vacuum chamber)의 내벽과 자기장에 의해 분리되어, 불순물이 없는 순수한 중수소, 또는 중수소-삼중수소, 플라즈마를 충분한 시간동안 유지되어야 한다. 그러나, 중심플라즈마와 챔버 벽사이의 경계플라즈마에서 스퍼터링과 이온화-재결합-하전교환과 같은 원자물리 현상에 의해 불순물의 유입과 플라즈마변수의 급변으로 중심플라즈마는 불안정해진다. 본 연구는 이러한 원자물리 현상, 특히 이온-중성자 충돌과 이온화 현상이 플라즈마 유속탐침 진단에 미치는 영향을 알고자 NAGDIS-II (NAGoya DIvertor Simulator-II)라는 원통형 플라즈마 선형장치에서 플라즈마 유속 측정 실험을 하였다. 실험조건은 원자물리 현상의 효과를 알아보기 위해 헬륨 플라즈마의 중성 기체 압력(neutral gas pressure)을 2 mTorr에서 35 mTorr까지 변화시켰고 두 개의 유속탐침으로 구성된 vector탐침을 사용하여 장치의 축 방향과 방위각의 플라즈마 유속(axial and azimuthal plasma flow velocities)을 측정했다. 이 때의 플라즈마 밀도와 전자온도는 단일탐침을 사용하여 측정하여 측정 압력 범위에서 플라즈마 밀도(ne)는 1010 cm-3 에서 1011 cm-3까지 변화시켰고 전자온도(Te)는 5 eV 에서 9 eV 까지 변함을 알았다. NAGDIS-II의 외부 자기장은 300 gauss 로 이온 회전 반지름(ion gyro-radius)을 계산하면 탐침의 크기보다 큼으로써 유속탐침 해석에 비자기화 유속탐침 이론을 적용했고 축방향의 플라즈마 유속, 마하수(Mach number)는 기존의 비충돌성(collisionless) 유속탐침 이론을 적용했을 때와 본 연구의 이온-중성자 충돌과 이온화 현상을 고려한 충돌 모델(collisional model)을 적용했을 때를 비교 분석했다. 그 결과 원자물리 현상을 고려하지 않은 비충돌성 이론을 적용한 마하수(이온음속(ion acoustic speed)로 정규화된 유속)는 충돌성을 고려한 마하수보다 최대 120 % 컸다. 또한 기체 압력 변화에 따른 마하수 변화의 경향에서 비충돌성 이론을 적용하였을 시에, 외부 에너지변동과 같은 변인이 존재하지 않음에도, 속도가 증가하는 물리적으로 해석 불가능한 구간이 나타났다. 이는 이온-중성자 충돌과 이온화 현상과 같은 원자물리 현상이 유속탐침 해석에 기인함을 역설적으로 증명한다. 방위각의 유속, 마하수 역시 축 방향과 동일한 방법으로 구하였는데 저온 플라즈마(Ti/Te ≪ 1)였기 때문에 그 값은 충돌성에 따른 마하수를 비교하기에는 매우 작았다.