■ 핵융합 발전, 새로운 플라즈마 운전 기술 확보

 

■ 핵융합 발전, 새로운 플라즈마 운전 기술 확보

국내 연구진이 미래 핵융합 상용화에 기여할 수 있는 새로운 플라즈마 운전 기술을 확보했다. 기존 운전 방식 보다 1억도 초고온 플라즈마 성능을 높이고, 오랜 시간 유지할 수 있어 ITER (국제 핵융합 실험로)나 핵융합 실증로 운전에 활용될 수 있을 전망이다. 과학기술정보통신부는 한국 핵융합 에너지 연구원과 서울대 공동 연구팀이 KSTAR (초전도 핵융합 연구 장치)의 초고온 핵융합 플라즈마에 대한 새로운 운전 방식을 발견했다고 2022년 09월 08일 밝혔다.

핵융합 반응으로 에너지를 만들려면, 초고온 고밀도 상태의 플라즈마를 핵융합로에 장시간 안정적으로 가두는 기술이 필요하다. 지금까지 플라즈마를 가두는 가장 대표적인 운전 방법은 고성능 플라즈마 운전 모드로 불리는 'H-모드'였다. H-모드는 플라즈마 가장자리에 형성되는 장벽을 활용하기 때문에 압력이 임계치를 넘어가면 풍선처럼 터지는 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM)이 발생해서, 핵융합로 내벽에 손상을 일으킬 수 있다. 이 때문에 핵융합 연구자들은 ELM을 제어하면서 보다 안정적인 플라즈마 운전 모드를 찾기 위한 연구를 해 왔다.

연구팀은 KSTAR의 운전 데이터 분석과 시뮬레이션 검증을 통해 플라즈마 가열 시 발생한 고속 이온이 플라즈마 내부의 난류를 안정화시켜 플라즈마 온도를 급격히 높이는 현상을 발견해 이를 '파이어(FIRE) 모드'로 명명했다. 파이어 모드는 상대적으로 낮은 플라즈마 밀도에서 중심부에 가열을 집중하는 방법이며, 이 때 높은 에너지를 지닌 고속 이온들이 플라즈마 내부의 난류를 안정화시켜 플라즈마 중심의 이온 온도를 급격하게 높이고 오랜 시간 유지된다. 이를 통해 기존 H-모드보다 플라즈마 성능을 개선할 수 있고, 경계면 불안정 현상(ELM)이 발생하지 않아 운전 제어가 쉬워진다.

나용수 서울대 교수는 "파이어 모드는 기존의 예측한 대로 실험이 이뤄지지 않은 실험 실패 결과를 분석하다가 얻은 결과물이며, 우리의 핵융합 연구가 기존과 다른 독창적 방식으로 이뤄졌음을 보여주는 사례이다" 라고 평가했다. 한현선 핵융합연 박사는 "플라즈마의 밀도, 온도, 가둠 시간이라는 핵융합 실현의 세 가지 조건 중 온도 측면에 집중해 KSTAR의 가열 성능을 플라즈마 중심부에 집중시키는 새로운 접근이 있었기에 가능했다. 추가 연구를 통해 KSTAR의 1억도 초고온 플라즈마 운전 성능과 지속 시간을 더욱 향상시켜 나가겠다"고 말했다. 이 연구 결과는 국제 학술지 '네이처' 2022년 09월 08일자에 게재됐다.