UNIST(총장 정무영) 연구진을 비롯한 국내 연구자들이 세계 핵융합 연구에서 30년간 풀지 못한 핵융합계 난제에 대한 새로운 해석을 발표해 주목받고 있다.
박현거 UNIST 핵융합플라즈마물리연구센터 센터장(UNIST 자연과학부 교수)과 윤건수 POSTECH 교수 공동 연구팀은 자기장에서 만들어진 난류(turbulent flow, 亂流)가 ‘핵융합 플라즈마 경계면 불안정성 현상(Edge-Localized Mode, ELM)’을 억제하는 원리를 밝혀내는 데 성공했다. 이번 연구에는 초전도핵융합연구장치(KSTAR)에 UNIST 센터 주도로 설치 운영 되는 최첨단 3차원적 전자온도 영상장치가 활용됐다.
미래 에너지원인 핵융합 에너지를 실현시키는 데는 자기장을 이용해 고온의 플라즈마(plasma)를 가둬 두는 용기인 토카막(tokamak)이 가장 효율적이다. 한국형 토카막 연구장치인 KSTAR는 역사상 가장 정확하게 만들어져 연구용으로는 최적이며, KSTAR보다 10배쯤 부피가 큰 국제 핵융합 실험로(ITER)는 실증로 바로 전의 장치이다.
토카막 장치에 갇힌 플라즈마는 언저리와 토카막 벽 사이의 큰 압력 차이 때문에 불안정하다. 특히 핵융합 플라즈마 경계면에는 두루마리구름처럼 규칙적인 모습을 가진 운전에 해로운 불안정성 현상인 ELM(Edge Localied Mode)가 나타난다. ELM은 플라즈마 가장자리를 붕괴시켜 안정적인 핵융합 반응을 방해한다. 이 때문에 ELM의 이해와 제어가 세계 핵융합계에서 중요한 문제로 다뤄졌다.
박현거 센터장을 비롯한 한국 연구진은 최근 몇 년간 KSTAR에서 자장섭동을 이용한 ELM 억제 실험에서 독보적인 성과를 거둬왔다. 특히 이번 연구로 자기장으로 플라즈마를 제어할 때 생기는 작은 소용돌이 형태의 난류가 ELM에 의한 플라즈마 붕괴를 막을 수 있다는 걸 밝혀냈다. 토카막 제어용 자기장이 작은 소용돌이 형태의 난류(난류성 와류)를 발달시키고, 이 난류들이 ELM 성장을 방해한다는 내용이다.
기존 ELM 연구에서도 토카막 제어용 자기장이 ELM을 완화시키는 실험 결과가 발표된 적은 있다. 하지만 이런 현상이 왜 일어나는지에 대한 구체적인 원리까지 밝힌 건 이번이 처음이다. 이번 논문에 제1저자로 참여한 이재현 UNIST 핵융합플라즈마물리연구센터 박사 후 연구원은 “특히 제어용 자기장이 ELM 발생 자체를 막지 못한다는 점은 기존에 알려진 이론이나 시뮬레이션 결과와 다른 점”이라며 “핵융합 플라즈마 분야 연구자들에게 시사하는 바가 크다”고 설명했다.
이재현 박사는 “이번 연구로 KSTAR에 설치한 3차원 전자온도 섭동영상 진단장치로 기존에 관측하기 어려웠던 난류에 대해 살필 수 있었다”며 “핵융합 난제 중 하나인 제어용 자기장과 ELM 억제의 상관관계를 밝히는 실마리를 제공했다는 점에 의의가 있다”고 말했다.
박현거 교수는 “이번 연구 결과들은 ELM을 제어하는 최적의 방법인 자장섭동 방식의 근본 원인을 밝혀 예측 가능한 해로운 불안정성 제어 개발에 초석이 될 것”이라며 “KSTAR가 핵융합 고온 플라즈마 연구의 패러다임을 바꾸는 역할을 하고 있음을 입증한 사례로도 의미가 있다”고 강조했다.
이번 연구 결과는 물리학 분야 최고 권위의 학술지, ‘피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)’ 8월 12일자에 게재됐다. 연구 지원은 미래창조과학부 한국연구재단 핵융합연구개발 사업을 통해 이뤄졌다.
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