핵융합 난제 해결 이론의 모델 개발

핵융합 난제 해결 이론의 모델 개발

 

미래의 에너지로 꼽히는 핵융합은 마치 야생마처럼 날뛰는 초고온의 입자를 잘 길들여 서로 충돌시켜야 하는 어려운 기술이다. 야생마처럼 뛰는 초고온 입자는 물질의 제4상태인 ‘플라스마’라고 하는데, 현재는 자석을 이용해 플라스마를 도넛 모양의 용기에 가둬 길들이는 연구를 하고 있다. 이 장치(토카막) 안에 플라스마를 가둬 길들일 때, 학자들의 골치를 썩이던 현상을 ‘플라스마 경계면 불안정 현상(ELM)’이라고 하는데, 국내 연구팀이 이 현상을 줄일 이론을 발견하고 실험으로 검증하는 데 처음으로 성공했다.

 

핵융합로의 토카막에 갇힌 플라스마는 압력과 온도가 매우 큰 상태로, 바로 바깥의 공간과는 온도차, 압력차가 너무 크다. 예를 들어 한국의 실험용 핵융합로인 케이스타(KSTAR)의 경우, 가장 뜨거운 온도는 태양 표면 온도(6000도) 보다 5만 배 높은 3억 도에 달하지만, 플라스마 바로 옆은 방 안 온도에 해당하는 20-30도라 차이가 크다. 이런 차이 때문에 플라스마가 파도처럼 구불구불하게 변하는 현상이 일어나는데, 이것이 ‘플라스마 경계면 불안정 현상(ELM)’이다. 이 현상은 플라스마 가장자리를 풍선처럼 부풀려 터뜨리기에 토카막 내부 벽을 손상시키고, 플라스마를 새어나가게 해서 효율을 떨어뜨리는 문제를 일으키는 골칫거리였다.

 

미국 프린스턴대 플라스마 연구소 박종규 연구원과 국가 핵융합 연구소 유석재 소장은 ELM 현상을 줄이기 위해서는 토카막 내부 플라스마가 갖는 대칭성을 변화시켜야 한다는 데 주목했다. 도넛 모양의 구조인 토카막은 특성상 회전, 좌우, 위아래 등 다양한 대칭이 존재한다. 이 가운데 도넛 가운데 가상의 축을 기준으로 한 대칭을 일부 줄이면, 플라스마의 불안정성을 변화시킬 수 있다. 하지만, 이 경우 플라스마 제어가 어려워지는 단점이 있다.

 

연구팀은 독특한 구조의 자석을 지녀 특유의 3차원 플라스마 제어가 가능한 KSTAR를 이용해 플라스마 대칭성을 조절하고 불안정성을 변화시키는 이론 모델을 만드는 데 성공했다. 또한 이를 이용해 ELM 현상을 정밀하게 설명하고, 나아가 ELM을 억제하는 데에도 활용할 수 있음을 실험으로 입증했다.

 

박종규 연구원은 “핵융합로 중심부와 경계 영역에서 자기장의 구조와 세기를 서로 조율시킴으로써 ‘플라스마 경계면 불안정 현상(ELM)’을 억제할 수 있다는 사실을 발견했다”고 말했다. 국가 핵융합 연구소 유석재 소장은 “KSTAR를 중심으로 국내외 핵융합 연구자들이 공동 연구한 성과”라며 “핵융합 상용화 기술 확보 가능성을 다시 확인했다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 피직스’ 2018년 09월 10일자에 발표됐다.