중성자 발생용 구형 집속 빔 핵융합 장치의 방전에 대한 연구

Abstract

본 연구는 산업, 의학, 학문적으로 활용범위가 매우 넓지만 국내의 이용시설이 대형 연구시설인 연구용 원자로(하나로)와 동위원소를 이용한 소수의 산업시설에 제한되어 있어 연구개발 및 활용이 극히 미비한 중성자 발생장치의 하나인 구형 집속 빔 핵융합 장치의 방전현상에 관한 연구이다. 기존의 중성자 발생장치인 원자로는 그 규모가 커서 공간적 제약이 있고, 동위원소 중성자원은 수명이 짧고 중성자속이 낮은 단점이 있다. 구형 집속 빔 핵융합 장치를 이용한 중성자 원은 안정적인 운전에 의한 중성자 발생으로 수명이 반영구적이고, 구조가 간단하여 소형 제작이 가능하며 상용화되어 있는 중성자 발생관보다도 많은 중성자를 발생시킬 수 있다. 본 연구에서는 구형 양극과 동심원의 그리드 형태의 음극 사이에서 글로 방전을 일으키고 이때 발생된 이온이 음극 중심으로 가속되어 충돌에 의한 핵융합이 일어날 때 중성자를 발생시키는 구형 집속 빔 핵융합 장치를 제작하였으며, 펄스전압의 발생을 위해 전원, 에너지 저장장치, 스위치로 구성된 펄스발생 시스템을 구성하였다. 여러 가지 형상의 음극을 제작하고 각 음극을 이용한 직류방전과 펄스방전 실험을 행하여 방전개시전압과 방전전류를 측정하였고 star mode 방전현상을 관측하였다. 또한 모의실험을 통해 실험장치 내의 하전입자의 운동을 해석하여 하전입자의 궤도를 확인하고 구형 양극 내부의 전위분포를 계산하였고, 실험계획법을 이용하여 중성자 발생과 밀접한 관계가 있는 이온전류가 최대가 되는 최적 조건을 도출하였다.; It is shown study of gas discharging physics in Spherical Convergence Beam Fusion (SCBF) device that has a extent application as a neutron source in industrial and medical researching field through this paper. Existing neutron generators, HANARO and neutron tube, HANARO has limitation on installation and configuration because of its bulky space, and neutron tube has low density of neutron beam yield with short life time. Neutron source using the SCBF device with simple structure has semi-permanent life time through stable discharging operation, and a possibility in generation of more higher neutron density with a small device size in comparison with commercial neutron generator, neutron tube. Through this study, it has been proceeded manufacturing of SCBF device and components of pulse generating system that consists of power supply, energy storage device, high voltage switch to apply high voltage potential and to accelerate ion beam around cathode region to form ion beam fusion in glow gas discharging between spherical grid type of cathode and spherical anode. For efficient ion beam fusion around cathode region, it is measured DC discharging and pulsed discharging characteristics in SCBF device at the point of breakdown voltage with discharging current and is observed star mode discharging phenomenon with several types of cathode through this paper. As a numerical method to improve ion beam fusion in SCBF device, it is presented calculation of potential distribution at internal space in SCBF using analysis of trace in charged particles between cathode and anode region, and of optimal condition to generate maximum ion current that closely relates with yield of neutron generation.