Numerical Simulation on the Formation and Pinching Plasma in X-pinch Wires on 2-D Geometry

대기압의 백만 배 이상의 강한 압력(> 1 Mbar)이 물질에 가해지면 중성입자가 전리되어 플라즈마 상태로 변하는데, 이를 고에너지밀도 플라즈마라고 한다. 이러한 플라즈마는 물질에 레이저를 조사하여 압축하는 관성 압축과 강한 펄스전류로 유도되는 자기장을 활용하는 자장 압축 방식으로 구분되며, 이중 펄스전류에 의한 세선의 내폭 현상(implosion)을 활용하는 자장 압축은 관성 핵융합(ICF, inertial confinement fusion), 방사선원(X-선), 중성자원으로 다양하게 활용되고 있다[1]. 1990년대 초 미국의 산디아 국립연구소는 고전압펄스전원장치를 통해 200 TW, 2 MJ의 세계기록의 X-선을 발생시켰으며, 2000년 이후부터는 원자번호가 높은 물질의 원통형 실린더 내폭 현상을 응용하여 핵 융합을 달성하는 Maglif(Magnetized liner inertial fusion), ZPDH(Z-pinch dynamic hohlraum)의 연구가 이루어지고 있다. 이러한 개념은 수소폭탄 개발과 직결되는 군사과학 분야로 오늘날 한반도 핵 위협이 고조되는 상황에서 고에너지밀도 플라즈마 연구는 핵 융합 현상을 활용한 무기의 위협을 이해하고 대비하기 위해서 필수적인 군사과학 분야라고 할 수 있다. 세선의 내폭 현상을 이용하는 연구 중 X자 형태로 연결한 세선에 고전압 펄스전류를 인가하여 중심부의 강한 플라즈마의 압축 현상을 활용하는 것을 엑스 핀치(X-pinch)라고 한다. 엑스 핀치 플라즈마는 짧은 시간(~ ps) 내에 중앙부의 고온, 고밀도 조건을 형성함으로써 고 출력의 방사선 (X-선)을 방출[2] 할 수 있으며, 물질과 부하의 구조를 달리함으로써 고 출력의 X-선을 한 곳에 집중시키거나 특성을 바꿀 수도 있다. 또한, 엑스 핀치는 일반적으로 알려진 세선을 원통형으로 배치하여 내폭시키는 제트 핀치(Z-pinch)에 비해 비교적 작은 파워의 펄스 전원장치에서도 엑스선 발생과 강한 압축 조건을 형성할 수 있어서 대학 규모의 연구소에서 고에너지 밀도 플라즈마 현상을 연구하는 데 많이 활용된다. 엑스 핀치의 전산해석은 주로 미국, 영국, 러시아 등 일부 국가에서 이루어졌으며, 최근 주요 연구로는 1차원으로 해석한 Oreshkin, V. I(2017)[3], 3차원으로 해석한 J. P Chittenden(2007)[4], 2차원으로 해석한 Ivanenkov, G. V(2008) 연구[5]가 있다. 세선 폭발과 관련된 수치해석의 경우 일부 국가에 연구 노하우가 집중되어 있으며, 일반적인 코드 접근이 어렵다. 일부 공개 코드(FLASH, Chicago University)의 경우도 물성을 모사할 수 있는 물리 모델이 고려되지 않아서 다양한 물질에 따른 엑스 핀치 현상을 해석하는데 제한점이 많다. 이러한 제한점들로 인해 본 연구는 새로운 자기유체역학 코드를 개발하고 엑스핀치 현상을 전산모사함으로써 코드를 검증하고자 한다. 먼저 제트 핀치(Z-pinch)나 세선 폭발과 관련된 물리 현상을 주로 해석하기 위해 영국 임페리얼 대학교에서 개발한 2차원 (r, θ) 버전의 자기유체역학코드인 GORGON[6]을 벤치 마킹하여 (r, z) 버전으로 저항 자기유체역학 코드를 개발하였다. 물성 모델 없이 단순 내폭 현상 분석만 가능한 공개 코드와 차별적으로 토마스 페르미 기반의 상태방정식과 고밀도 상황에서 쿨롱 결합을 고려한 수송계수 모델[7]을 이용하여 실제 실험과 비교 가능하도록 텅스텐 플라즈마의 특성을 모사하였으며, 이온화 평형 과정에서 발생하는 재결합 방사 손실 모델을 적용하였다. 이를 통해 본 연구진에서 개발한 엑스 핀치 장치를 대상으로 전산해석을 수행하고 엑스 핀치 플라즈마 구조에서 나타나는 코어 – 코로나, 마이크론 Z 핀치의 형성과 축 방향으로 확장되는 마이크론 Z 핀치 구조를 실험 사진과 비교하였다. 또한, 중앙부에서 생성되는 고온, 고밀도의 조건과 연계하여 증가하는 방사 손실에 대해서 살펴보았다. This paper deals with the computational work to characterize the formation and pinching of a plasma in an X-pinch configuration. A resistive magnetohydrodynamic model of a single fluid and two temperature is adopted assuming a hollow conical structure in the (r,z) domain. The model includes the thermodynamic parameter of tungsten from the corrected Thomas-Fermi EOS(equation of state), determining the average ionization charge, pressure, and internal energy. The transport coefficients, resistivity and thermal conductivity, are obtained by the corrected Lee & More model and a simple radiation loss rate by recombination process is considered in the simulation. The simulation demonstrated the formation of a core-corona plasma and intense compression process near the central region which agrees with the experimental observation in the X-pinch device at Seoul National University. In addition, it confirmed the increase in radiation loss rate with the density and temperature of the core plasma.N