작성일 : 18-09-12 16:51
KSTAR 박종규 박사 미국 PPPL 공동 연구진 , 핵융합 난제 해결할 新 이론예측모델 개발
 글쓴이 : happy
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KSTAR, 핵융합 난제 해결할 新 이론예측모델 개발  

플라즈마 경계면 불안정 억제 예측모델 개발

강민구 기자 botbmk@hellodd.com

입력 : 2018.09.11|수정 : 2018.09.11



국내·외 공동 연구진이 핵융합에너지 상용화 난제 중 하나인 플라즈마 경계면 불안정현상(ELM)의 정확한 예측과 억제에 대한 실험으로 검증한 새로운 이론 모델을 제시했다.

국가핵융합연구소(소장 유석재)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 실험으로 검증하는데 성공했다고 11일 밝혔다. 

핵융합 반응을 통해 에너지를 생산하기 위해서는 핵융합로 내부에 초고온 플라즈마를 안정적으로 오래 가둘 수 있어야 한다. 하지만 핵융합로에 갇힌 초고온 플라즈마는 바깥 부분과 큰 압력과 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 가두는 것을 방해한다.

ELM 발생과 그로 인한 붕괴를 제어하는 것은 핵융합 상용화를 위해 해결해야 하는 대표적인 난제로 지난 30년간 이와 관련된 연구가 진행되어 왔다. 

그 중에서 초전도핵융합연구장치 KSTAR는 현존 핵융합장치 중 정확하게 제작된 것으로 평가받는다. 최근 몇 년 간 ELM 억제 실험에서 성과가 나오고 있다.

이번 연구도 KSTAR에서 진행된 ELM 억제 실험결과를 기반으로 진공용기내부의 삼차원자기장 인가장치를 활용했다.  

공동연구팀은 KSTAR 실험 결과 분석을 통해 ELM 억제의 중요 물리기작을 알아내고, 이를 기반으로 기존 예측모델을 뛰어 넘는 이론모델을 수립했다.

이후 KSTAR 실험을 통해 수립한 이론모델 예측에 맞는 결과를 얻었다.

그동안 삼차원 자기장을 이용한 ELM 억제에 대한 여러 모델들이 사용됐다. 실제 실험으로 이론적 정합성이 검증된 사례는 이 모델이 유일하다.

이번 논문 제1저자로 참여한 PPPL의 박종규 박사"플라즈마 반응이 고려된 핵융합로 중심과 경계영역에서의 상대적인 자기장의 구조와 세기의 조율이 ELM을 억제할 수 있는 가장 핵심적인 변수"라고 말했다.  


윤시우 핵융합연 KSTAR연구센터장 "KSTAR가 핵융합의 난제인 ELM 억제를 해결할 수 있는 실험적으로 검증된 예측모델을 제공했다"면서 "향후 ITER나 핵융합실증로에서의 ELM 제어 방안의 불확실성을 해소할 수 있게 될 것"이라고 말했다.  

이번 연구는 국제학술지 '네이쳐 물리학(Nature Physics)'에 지난 10일자로 게재됐다.  

KSTAR 3D 코일의 구조.<자료=국가핵융합연구소 제공 >

KSTAR 3D 코일의 구조.<자료=국가핵융합연구소 제공>



“야생마처럼 날뛰는 플라스마 잡는다” 국내 연구진, 새 이론 제시

2018년 09월 12일 18:00
KSTAR 내 플라스마 움직임을 나타낸 3차원 그림. 붉은색은 양(+)의 전류, 푸른색은 음(-)의 전류를 띤 플라스마를 나타낸다. - 사진 제공 네이처 피직스
KSTAR 내 플라스마 움직임을 나타낸 3차원 그림. 붉은색은 양(+)의 전류, 푸른색은 음(-)의 전류를 띤 플라스마를 나타낸다. - 사진 제공 네이처 피직스

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 ELM이다. 이 현상은 플라스마 가장자리를 풍선처럼 부풀려 터뜨리기에 토카막 내부 벽을 손상시키고 플라스마를 새어나가게 해 효율을 떨어뜨리는 등 큰 골칫거리였다.

 

KSTAR -사진제공 국가핵융합연구소
KSTAR -사진제공 국가핵융합연구소

박종규 미국 프린스턴대 플라스마연구소 연구원과 국가핵융합연구소는 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. 또 이를 이용해 ELM 현상을 정밀하게 설명하고, 나아가 ELM을 억제하는 데에도 활용할 수 있음을 실험으로 입증했다.

 

박 연구원은 “핵융합로 중심부와 경계 영역에서 자기장의 구조와 세기를 서로 조율시킴으로써 ELM을 억제할 수 있다는 사실을 발견했다”고 말했다. 유석재 국가핵융합연구소장은 “KSTAR를 중심으로 국내외 핵융합 연구자들이 공동연구한 성과”라며 “핵융합 상용화 기술 확보 가능성을 다시 확인했다”고 말했다.

 

연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 피직스’ 10일자에 발표됐다.

  • 윤신영 기자 ashilla@donga.com