KSTAR, 핵융합 난제 해결 새로운 실마리 제공
플라즈마 경계면 불안정 현상 새로운 해석 국제 학술지 발표

□ 핵융합 상용화 난제 중 하나인 플라즈마 경계면 불안정 현상에 대한 새로운 해석이 국내 연구진에 의해 발표되어 세계 핵융합 연구계의 관심을 받고 있다.

□ 국가핵융합연구소(소장 김기만)는 UNIST(총장 정무영) 박현거 교수팀, POSTECH(총장 김도연) 윤건수 교수팀과 공동으로 핵융합장치 자기장에 의해 만들어지는 난류(turbulent flow, 亂流)가 플라즈마 경계면 불안정 현상(Edge-Localized Mode, 이하 ELM)을 억제한다는 사실을 규명했다고 8일(목) 밝혔다.

○ 이번 연구는 초전도핵융합연구장치인 KSTAR에 설치된 첨단 진단장치인 3차원 전자온도 영상장치로 촬영 된 플라즈마 분석을 통해 이루어졌다.

□ 태양에너지의 원리인 핵융합 반응을 통해 에너지를 생산하기 위해서는 핵융합로 내부에 플라즈마를 안정적으로 오래 가둘 수 있어야한다. 하지만 핵융합로에 갇힌 초고온 플라즈마는 바깥과 큰 압력 및 온도차로 불안정한 특성을 지니고 있다.

○ 특히 플라즈마 가장자리에는 파도처럼 규칙적인 패턴이 생기는 ELM이 발생한다. ELM은 플라즈마 가장자리를 갑자기 풍선처럼 터지게 만들기도 해 핵융합로 내부를 손상시키고, 플라즈마를 안정적으로 가두는데 방해 요소가 된다.

○ 때문에 ELM의 발생 자체 또는 붕괴를 제어하는 것은 핵융합 상용화를 위해 해결해야 하는 대표적인 난제로 꼽히며, 지난 30년간 이를 해결하기 위해 다수의 핵융합 장치에서 ELM을 제어하는 연구가 수행되어져 왔다.

○ 현존하는 핵융합장치 중 가장 정확하게 제작된 것으로 평가받고 있는 KSTAR는 최근 몇 년 동안 ELM 억제 실험에서 독보적인 성과를 거두며, ELM 제어 연구 분야를 선도하고 있다.

□ 공동연구팀은 KSTAR 실험 결과 분석을 통해, 자기장으로 플라즈마를 제어할 때 플라즈마 표면에 생겨나는 작은 소용돌이 형태의 난류가 ELM에 의한 플라즈마 붕괴가 일어나지 않도록 막는 다는 사실을 밝혀냈다.

○ 그동안 자기장을 이용해 ELM으로 인한 플라즈마 붕괴를 막은 실험 결과들은 있었지만, 자기장이 플라즈마에 어떠한 영향을 미쳐 플라즈마가 붕괴되지 않는지에 대한 구체적인 원리는 밝혀지지 않았었다.

○ 이번 논문 제1저자로 참여한 이재현 UNIST 핵융합플라즈마 물리연구센터 박사후연구원은 “특히 핵융합장치의 제어용 자기장이 ELM 발생 자체를 막지 못한다는 점은 기존에 알려진 이론이나 시뮬레이션 결과와 다른 점”이라고 설명했다.

○ POSTECH 윤건수 교수는 자기장에 의해 생겨난 난류와 ELM과의 관계를 “마치 목성 표면의 거대붉은점(Red Giant Spot)이 주변 난류와의 상호 작용을 통해 안정적인 구조를 유지하고 있는 현상”에 견줄만한 흥미로운 결과라고 설명했다.

□ 이번 논문은 KSTAR에 설치된 3차원 전자온도 영상 진단장치를 이용해 세계 최초로 자기장에 의해 생성된 플라즈마 표면 난류의 존재를 실제로 관측하고, 난류와 ELM의 상호작용을 최초로 밝혀내었다는 점에서 의미가 크다.

○ 이는 향후 핵융합 상용화 기술 개발을 위한 최적의 ELM 제어 방법 개발에 새로운 가능성을 열어 준 연구 결과로, 세계 핵융합 연구자들의 주목을 받고 있다.

○ 이번 연구 성과를 담은 논문은 지난달 12일 물리학 분야의 최고 권위 국제학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 게재되었다.

□ 핵융합(연) 김기만 소장은 “이번 연구 성과는 KSTAR 장치를 중심으로 수행되는 국내 핵융합 연구자들의 대표적인 공동연구 성과”라며, “KSTAR가 세계 핵융합 연구의 새로운 패러다임을 바꾸는 역할을 하고 있음을 입증한 대표적 사례이다.”고 소감을 밝혔다.