기존 방식 단점 해결한 미래 핵융합 상용로 운전방식으로 주목

□ 과학기술정보통신부(장관 이종호)는 한국핵융합에너지연구원과 서울대 공동 연구팀이 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 초고온 핵융합 플라즈마 운전 성과를 분석하여 새로운 핵융합 플라즈마 운전방식(mode)을 발견했다고 밝혔다. 

 ㅇ 한국핵융합에너지연구원의 ‘초전도핵융합연구장치(KSTAR) 공동실험 및 플라즈마 연구’사업과 과학기술정보통신부 ‘핵융합선도기술개발사업(선도기술센터)’의 지원으로 수행된 본 연구의 성과는 세계적 국제학술지 네이처(Nature)에 9월 8일 00시(한국시간) 게재*되었다. 

    * 논문명 : A sustained high-temperature fusion plasma regime facilitated by fast ions (교신저자 : 서울대 나용수 교수, 제1저자 : 핵융합(연) 한현선 박사, 서울대 박상진)

□ 지구 상에서 태양과 같이 핵융합 반응으로 에너지를 만들기 위해서는 초고온·고밀도 상태의 플라즈마를 핵융합로에 장시간 안정적으로 가두는 기술을 확보하는 것이 핵심이다. 

 ㅇ 가장 대표적인 플라즈마 운전 방법은 고성능 플라즈마 운전 모드라고 불리는 H-모드(High Confinement mode)로, 이는 상용로 운전을 위한 기본 핵융합 플라즈마 운전 방법으로 고려되며, 차세대 운전 방법 개발의 기준 지표가 되고 있다.

 ㅇ 하지만, H-모드에서는 플라즈마 가장자리에 형성되는 장벽을 활용하기 때문에 가장자리의 압력이 임계치를 넘어가 풍선처럼 터지는 플라즈마 경계면 불안정 현상(Edge Localized Mode, 이하 ELM)이 발생하므로, 핵융합로 내벽에 손상을 일으킬 수 있다. 

 ㅇ 이에, 핵융합 연구자들은 ELM을 제어하는 방법을 연구하는 한편, 더욱 안정적인 플라즈마 운전 모드를 찾기 위해 노력하고 있다.

□ 국내 연구진은 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 운전데이터 분석과 시뮬레이션 검증을 통해, 플라즈마 가열시 발생한 고속이온(높은 에너지의 입자들)이 플라즈마 내부의 난류를 안정화시켜 플라즈마 온도를 급격히 높이는 현상을 발견하고, 이를 새로운 운전모드인 ‘FIRE* 모드’로 명명했다.

    * FIRE : Fast Ion Regulated Enhancement 

 ㅇ 이는 기존 H-모드 대비 플라즈마 성능을 개선함과 동시에 H-모드의 단점인 경계면 불안정 현상(ELM)이 발생하지 않고, 운전 제어도 용이하다는 장점이 있어 미래 핵융합 상용로의 플라즈마 운전 기술 확보를 위한 새로운 가능성을 열었다.

□ 이번 연구성과는 지난 몇 년간 초전도핵융합연구장치(KSTAR)에서 달성한 초고온 플라즈마 장시간 운전 성과*의 독창성이 일반 학계에서도 인정받았다는 것에 의의가 있고,

    * 이온온도 1억도의 초고온 플라즈마 30초 연속운전 성공(`21)

 ㅇ 고속이온의 물리적 이해를 바탕으로 향후 국제핵융합실험로(ITER) 및 핵융합 실증로 운전 기술 개발에 기여할 것으로 기대하고 있다.

□ 서울대 나용수 교수는 “FIRE 모드는 예측한 대로 실험이 진행되지 않았던 실패한 실험 결과를 분석하다가 새롭게 얻어진 창의적인 결과물로 한국의 핵융합 연구가 기존과 다른 독창적인 방식으로 이루어질 수 있음을 보여준 사례이다”며 의의를 밝혔고,

 ㅇ “이러한 초고온 플라즈마 운전 영역 발견은 초전도핵융합연구장치(KSTAR)가 초정밀도로 건설되었기에 가능했던 결과이자 국내외 대학, 연구소의 긴밀한 협력으로 가능했다.”라고 밝혔다.

□ 핵융합(연) 한현선 박사는 “이번 연구성과는 플라즈마의 밀도·온도·가둠시간이라는 핵융합 실현의 세 가지 조건 중에서도 특히 온도 측면에 집중하여 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 가열 성능을 플라즈마 중심부에 집중시키는 새로운 접근이 있었기에 가능했던 결과”라며, 

 ㅇ “FIRE 모드와 고속이온에 대한 추가 연구를 통해 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 1억도 초고온 플라즈마 운전성능 및 지속시간도 더욱 향상될 수 있을 것으로 기대된다.”고 설명했다.