핵융합에너지 상용화 난제 중 하나인 플라즈마 경계면 불안정현상 (ELM)의 정확한 예측과 억제에 대한 실험으로 검증된 새로운 이론 모델이 국내외 공동 연구진에 의해 발표되어 세계 핵융합 연구계의 관심을 받고 있다.

국가핵융합연구소(소장 유석재, 이하 핵융합(연))는 미국 프린스턴 플라즈마연구소(소장 Steve Cowley, 이하 PPPL)의 박종규 박사와 공동으로 핵융합장치의 플라즈마 경계면 불안정 현상(Edge-Localized Mode, 이하 ELM) 억제 조건을 예측하는 이론모델을 정립하고 실험적으로 검증하는데 성공하였다고 11일(화) 밝혔다.

태양에너지의 원리인 핵융합 반응을 통해 에너지를 생산하기 위해서는 핵융합로 내부에 초고온 플라즈마를 안정적으로 오래 가둘 수 있어야한다. 하지만 핵융합로에 갇힌 초고온 플라즈마는 바깥 부분과 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 내벽을 손상시키고, 플라즈마를 안정적으로 가두는데 방해 요소가 된다.

때문에 ELM의 발생과 그로 인한 붕괴를 제어하는 것은 핵융합 상용화를 위해 해결해야 하는 대표적인 난제로 꼽히며, 지난 30년간 이를 해결하기 위해 다수의 핵융합 장치에서 ELM을 제어하는 연구가 수행되어져 왔다.

그중 한국의 인공태양이라 불리는 초전도핵융합연구장치 KSTAR는 현존하는 핵융합장치 중 가장 정확하게 제작된 것으로 평가받고 있으며, 최근 몇 년 간 ELM 억제 실험에서 독보적인 성과를 거두며 ELM 제어 연구 분야를 선도하고 있다.

이번 연구 역시 KSTAR에서 진행된 ELM 억제 실험결과를 기반으로 진공용기내부의 삼차원자기장 인가장치를 활용해 진행되었다.

공동연구팀은 KSTAR 실험 결과 분석을 통해 ELM 억제의 중요 물리기작을 실마리로 확보하고, 이를 기반으로 기존의 예측모델을 뛰어 넘는 플라즈마 반응을 고려한 이론모델을 수립하였다. 이후 정교하게 계획된 KSTAR 실험을 통해 수립한 이론모델의 예측에 맞는 결과를 얻음으로써 이론의 정합성을 성공적으로 규명하게 되었다.

그동안 삼차원 자기장을 이용한 ELM 억제에 대한 여러 모델들이 사용되어 왔지만, 실제 실험적으로 정밀하게 그 정합성이 검증된 경우는 이번에 개발된 모델이 유일하다. 이는 제시된 이론모델의 우수성 뿐 아니라 다양한 ELM 억제 실험조건을 제공할 수 있는 KSTAR 장치의 우수성 또한 연구 성과를 얻는데 핵심적인 역할을 했음을 의미한다.

이번 논문 제1저자로 참여한 PPPL의 박종규 박사는 “플라즈마 반응이 고려된 핵융합로 중심과 경계영역에서의 상대적인 자기장의 구조와 세기의 조율이 ELM을 억제할 수 있는 가장 핵심적인 변수”라고 개발된 이론 모델의 특징을 설명했다.

핵융합(연) 윤시우 KSTAR연구센터장은 “KSTAR가 핵융합의 난제인 ELM 억제를 해결할 수 있는 실험적으로 검증된 예측모델을 제공함으로써 향후 ITER나 핵융합실증로에서의 ELM 제어 방안의 불확실성을 해소할 수 있게 되었다”라고 설명했다.

이번 연구 성과를 담은 논문은 과학 분야의 최고 권위 국제학술지인 ‘네이쳐 물리학(Nature Physics)’의 9월 10일자에 게재되었다.
※ 논문명 : 3D field phase-space control in tokamak plasmas

핵융합(연) 유석재 소장은 “이번 연구 성과는 KSTAR 장치를 중심으로 수행되는 국내외 핵융합 연구자들의 대표적인 공동연구 성과”라며, “KSTAR의 장치우수성과 이를 기반으로 한 선도적인 연구 수행을 통해 핵융합상용화 기술 확보의 가능성을 다시 한번 확인할 수 있었다.”고 소감을 밝혔다.