중성입자빔입사 (Neutral Beam Injection)
한 줄 정의: 전기적으로 중성인 고에너지 입자빔을 쏘아 플라즈마를 가열하는 방법입니다.
쉽게 풀면
플라즈마를 핵융합이 일어날 만큼 뜨겁게 만들려면 외부에서 에너지를 넣어 줘야 합니다. 그런데 하전입자는 자기장에 막혀 플라즈마 속으로 들어가지 못합니다. 그래서 먼저 이온을 빠르게 가속한 뒤 전자를 붙여 전기적으로 중성으로 만들어 쏩니다. 중성입자는 자기장을 그대로 통과해 플라즈마 깊숙이 들어간 다음, 그곳에서 다시 이온화되어 에너지를 나눠 줍니다.
왜 중요한가
대형 토카막의 주된 가열 수단이자 플라즈마 회전과 전류를 만들어 내는 수단이라, 핵융합 실험에서 운전 조건을 좌우하는 장치입니다. 빔이 만들어 내는 고에너지 입자의 거동은 핵융합에서 생기는 알파입자의 거동을 연구하는 실마리도 됩니다. 빔 진단을 이용한 플라즈마 측정에도 활용됩니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
"중성입자빔입사 출력을 높이자 플라즈마 이온온도와 함께 회전 속도가 증가하는 경향이 관측되었다."
조금 더 깊게 보면
가속에는 양이온을 쓰는 방식과 음이온을 쓰는 방식이 있습니다. 양이온 방식은 구조가 간단하지만 에너지가 높아질수록 전자를 붙여 중성화하는 효율이 급격히 떨어져, 대형 장치에서는 음이온을 가속한 뒤 전자를 떼어 중성화하는 방식이 쓰입니다. 빔 에너지가 너무 낮으면 플라즈마 가장자리에서 다 흡수되고 너무 높으면 관통해 버리므로, 플라즈마 밀도와 크기에 맞춰 에너지를 정해야 합니다. 빔이 한쪽 방향으로 들어가면 운동량이 전달되어 플라즈마가 회전하게 되는데, 이 회전이 안정성에 영향을 줍니다.
주의할 점
중성입자빔입사는 플라즈마를 가열하는 수단이지 연료를 채우는 주된 방법은 아닙니다. 연료 보충은 주로 기체 주입이나 얼린 알갱이 주입으로 이루어진다는 점과 구분해야 합니다.