user: 스텔라레이터의 원리를 알려주세요.

gpt: ## 핵융합 발생 조건
기체를 수억 도까지 가열해 기체의 에너지를 증가시키면 대부분의 입자는 핵융합을 발생시키기 위한 최저의 에너지에 도달할 수 있다. 평균 온도가 그보다 매우 낮을지라도, 맥스웰-볼츠만 분포에 따라, 일부의 입자들은 핵융합 발생의 하한선을 넘는 에너지를 가진다. 핵융합 반응은 발생하는 에너지가 투입하는 에너지보다 월등히 크기 때문에, 작은 양의 반응만으로도 그를 둘러싼 입자들에서 핵융합이 발생하기 위한 온도까지 가열시킬 수 있다. 1994년, 엔리코 페르미는 중수소-삼중수소 반응이 섭씨 50,000,000도에서 외부의 에너지 투입 없이 자립 가능하다는 것을 계산했다.

수만 도 이상으로 가열된 물질은 원자핵과 전자가 분리되어 플라즈마 상태가 된다. 이상기체 방정식에 따라, 플라즈마는 일반적인 기체와 같이 온도가 증가하면 내부 압력이 증가해 팽창한다. 플라즈마의 온도는 알려진 모든 물질을 녹여버릴 정도로 높아 일반적인 방법으로는 플라즈마를 잡아두기 힘들다. 대신, 플라즈마는 전기 전도성이 있고 전자기장의 영향을 받기 때문에, 자기장을 이용해 원자핵이 자기장을 따라 운동하게 하는 자기 가둠 방식이 고안되었다. 이러한 방식의 핵융합 장치는 수 테슬라 이상의 자기장을 필요로 하며, 보통 전자석 코일을 이용한다.

## 자기 가둠
가장 단순한 자기 가둠 구조는 솔레노이드를 이용해 만들 수 있다. 솔레노이드 내강은 진공상태에서 플라즈마로 채워진다. 솔레노이드가 형성하는 자기장은 플라즈마가 솔레노이드의 축을 따라 운동하게 해, 플라즈마의 팽창으로 인한 측면으로의 유출을 방지한다. 그러나 한정된 길이의 솔레노이드에서 플라즈마는 결국 양단으로 빠져나가, 안정된 상태를 유지할 수 없다.

이러한 솔레노이드의 한계를 해결하기 위해 토러스 형태의 코일이 사용되었다. 토러스 구조에서 입자들은 측면으로의 움직임이 제한된 상태로, 축을 주위로 자기장을 따라 운동하게 된다. 그러나 페르미는, 솔레노이드가 고리 형태로 변형되면, 토러스의 중심으로부터 가까운 곳의 도선이 바깥쪽보다 밀집되어, 불균일한 자기장에 의해 점차 입자들이 외곽으로 치우칠 것이라고 경고했다. 이때 전자와 원자핵이 서로 반대 방향으로 이동해 전하 불균등에 의한 전기력을 발생시키며, 이 힘은 자기력을 능가한다. 따라서 장기적 유지를 위해선 추가적인 힘을 발생시킬 필요가 있었다.

## 스텔라레이터
스피처는 페르미가 제기한 문제를 관의 형태를 물리적으로 변형시킴으로써 해결했다. 단순한 토러스 구조에서, 자기장이 강해질 때 토러스 중심으로부터 가까운 곳의 입자들은 상승하는 반면, 바깥쪽의 입자들은 하강한다. 한편, 만일 입자가 바깥쪽와 안쪽을 번갈아 지나간다면, 상승과 하강의 두 효과가 서로 상쇄되어 입자의 불안정한 움직임을 억제할 수 있다. 이러한 과정에서도 이동에 대한 알짜성분이 존재하기에 제어가 완벽하진 않으나, 계산 결과 입자를 가두고 목표 온도까지 가열하기에 충분하다는 것이 밝혀졌다.

스피처는 간단하게 그의 생각을 실현할 방법을 제안했다. 단순 토러스를 사용하는 대신, 그는 토러스를 반으로 자른 구조를 생각했다. 스피처는 두 반쪽 토러스의 양 끝을 선형 코일을 이용해 서로 교차시켜서 연결해, 전체적인 구조가 8자 형태를 그리도록 했다. 두 교차하는 도선이 서로를 통과하게 배치할 수 없었기에, 이 장치는 45도 정도 비틀어진 입체적인 구조를 갖게 되었다.

이 방식이 어떻게 입자의 이동은 제어하는지 이해하기 위해, 하나의 입자가 중앙의 직선 구간에서 출발해 관을 따라 이동하는 경로를 고려하자. 만일 입자가 완벽하게 관 중앙에 있다면, 입자는 중심에서 벗어나지 않은 상태로 한 바퀴를 돌 수 있다. 이제 첫 번째 입자와 평행하게 운동하나 관의 벽 근처에 있는 입자를 생각하면, 한 반쪽 토러스에선 바깥쪽 벽을 따라 돌며 하강하고, 다른 반쪽 토러스로 진입하면 안쪽 벽을 따라 돌며 상승해 원래의 위치로 되돌아올 수 있다.

이 과정에 의해 입자의 불안정한 움직임을 유발하는 가장 큰 요인을 제거할 수 있으나, 고려되어야 할 다른 요소들이 아직 존재한다. 원자핵과 전자는 서로 반대 방향으로 매우 빠르게 운동하기에, 서로 다른 경로를 따라 이동하는 입자 간의 충돌이 발샐할 수 있다. 충돌 과정에서 입자들은 서서히 바깥 방향으로 이동하여, 결국 입자와 장치 내벽의 충돌 또는 전하의 분리를 유발할 수 있다. 스피처는 관을 따라 배치되어 플라즈마의 최외곽을 걷어내는 장치인 다이버터를 제안했다. 다이버터는 이온의 운동이 경로에서 어긋나 벽과 충돌하기 전에 이온을 제거할 뿐만 아니라, 플라즈마 내의 불순물들을 제거하는 역할을 한다.

고전적인 계산법에 따른 입자의 유실 비율은 순수한 토로이드보다도 충분히 낮았다. 그러나 1949년, D. Bohm에 의해 훨씬 큰 양의 유실이 발생한다는 것이 밝혀졌고, 이 효과는 ‘보옴 확산’이라고 명명되었다. 스피처는 이 문제에 대해 상당히 노력했고, 보옴 확산에 의해 나타나는 변칙적인 비율은 플라즈마의 불안정성 때문이라고 결론지었다.

## 문제점과 대안
초기의 8자형 장치는 많은 문제점을 지니고 있었다. 이는 여러 개의 다른 모델들이 등장하게 되는 계기가 되었고, 이를 통해 문제점들에 대한 해결법이 제시되었다.

가장 큰 문제점 중 하나는 장치 내부의 자기장이 주어진 질량, 주어진 속도로 운동하는 입자만을 정상적으로 가둘 수 있다는 것이었다. 설정 속도보다 더 빠르게 또는 더 느리게 운동하는 입자들은 시스템에 머무를 수 없었다. 낮은 속도의 입자들은 가두어지지 못해 외부로 유출될 수 있었고, 높은 속도의 입자들은 커브 구간에서 벽과 충돌할 수도 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 스피처는 직선 구간에 다이버터를 연결했다. 다이버터는 너무 빠르거나 너무 느리게 운동하는 입자를 제거하는 일종의 질량 분광기 역할을 했다.

8자형 장치에서 두 개의 직선 구간은 서로 교차할 수 없기에, 두 반쪽 토러스가 약 135도의 각을 이루고 있었다. 때문에 평면에 가까운 장치를 위한 새로운 설계가 진행되었다. 초기의 스텔라레이터 B-2는 서로 평행한 두 평면을 오가도록 도선을 재배치했다. B-2는 S자형 구조를 형성했는데, 이러한 구조는 장치가 완전한 대칭 구조를 이루게 했다

입자의 회전에 대한 더 나은 해결방안은 스텔라레이터 B-64와 B-65에 적용되었다. 이 장치들은 교차구간을 제거하고 장치를 타원형으로 제작해 구조를 평면화시켰다. 입자의 회전은 두 반쪽 토러스의 양 끝에 새로운 코일을 배치해, 코일로부터 만들어지는 자기장이 기존의 자기장과 중첩되어 입자의 경로를 180도 회전시키도록 했다. 이 방법은 핵융합로의 설계를 단순화시켰지만, 실제로 완전히 대칭이도록 제작하는 것은 상당히 어려운 일이다.

## 플라즈마의 가열
앞서 언급한 바에 의하면, 핵융합이 일어나기 위한 조건을 형성하기 위해선 플라즈마를 수억 도 수준으로 가열해야 한다. 이 온도까지 가열하는 과정은 일반적인 방법으로 행해지기는 어렵고 많은 에너지를 필요로 하기에, 효과적인 가열을 위한 다양한 방법이 제시되었다. 한편, 핵융합 에너지가 임계 조건에 도달하게 되면 투입하는 에너지가 발생하는 에너지와 같은 수준에 이르며, 이를 넘어서 점화 조건에 도달하면 추가적인 가열 없이 핵융합 반응을 유지 시킬 수 있다.

영국과 미국에서 연구된 제타 핀치와는 달리, 스텔라레이터는 고분자 수준에서 플라즈마에 유도전류가 흐르지 않으며, 각각의 입자들은 끊임없이 돌고 있지만 플라즈마는 중립적인 평형 상태를 유지한다. 토카막과 핀치 장치에서의 경우, 플라즈마 전류가 가열을 위한 첫 번째 수단이 되지만, 스텔라레이터의 경우 이러한 방법을 사용할 수 없다.

초기의 스텔라레이터에서 플라즈마를 가열을 위한 장치는 핀치 장치에서와 비슷한 형태를 가졌다. 이것은 변압기와 연결된 도선에 의한 첫 번째 기작과, 플라즈마 전류에 의한 두 번째 기작으로 구성된다. 스텔라레이터 내부의 특정한 부위에 에너지가 전류의 펄스를 통해 공급되면, 입자들은 에너지가 상승해 운동을 시작한다. 입자의 운동은 기체를 유입시켜, 빠른 속도로 모든 기체를 이온화시킬 수 있다. 이 과정은 기존의 가열장치와는 달리 기체의 저항에 의존해 열을 발생시키기 때문에, 옴 가열이라고 한다. 기체의 온도가 상승하면, 플라즈마의 전기 전도성은 증가한다. 이는 옴 가열의 효율을 지속적으로 낮춰, 시스템의 온도는 약 1백만 K의 상한선을 가진다.

플라즈마를 더 높은 온도로 가열하기 위해, 두 번째 열원으로 자기 펌핑 시스템이 추가되었다. 자기 펌핑 시스템은 진공 챔버를 따라 배치된 코일을 통해 공급되는 무선 주파원으로 구성되어있다. 이 때 주파원의 진동수는 자기력선 주위의 입자들이 자연적으로 가지는 진동수인 사이클로트론 진동수와 같은 값으로 설정된다. 이는 입자들의 에너지를 증가시켜 더 넓은 반경으로 돌도록 한다. 이상기체 법칙에 따라서, 에너지가 증가한 입자에 의해 온도가 증가한다. 옴 가열과 마찬가지로 이 과정은 온도가 증가함에 따라 효율성이 감소하지만, 더 높은 온도까지 가열하는 것이 가능하다. 진동수를 이온이 순환하는 진동수에 맞춰 설정한다면, 이것을 이온-사이클로트론 공명 가열이라고 한다.