[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 핵융합에너지 상용화의 난제 중 하나인 ‘플라스마(Plasma) 경계면 불안정현상’을 해결할 이론 모델이 한미 공동연구로 개발, 실험으로도 검증돼 국제 핵융합계의 비상한 관심을 끌고 있다.  

국가핵융합연구소(소장 유석재)는 미국 프린스턴 플라스마연구소(PPPL) 박종규 박사와 공동으로 핵융합장치의 '플라스마 경계면 불안정 현상(이하 ELM)' 억제 조건을 예측하는 이론 모델을 정립, 실험적으로 검증하는 데 성공했다고 12일 밝혔다. 

논문 제1저자로 참여한 박 박사는 “플라스마 반응이 고려된 핵융합로 중심과 경계 영역에서의 상대적인 자기장의 구조와 세기의 조율이 ELM을 억제할 수 있는 가장 핵심적인 변수”라고 개발된 이론 모델의 특징을 설명했다.

연구결과는 과학 분야의 최고 권위 국제학술지인 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’ 10일자에 게재됐다.

국가핵융합연구소 자료 사진 [제공=국가핵융합연구소]

태양에너지의 원리인 핵융합 반응을 통해 에너지를 생산하기 위해서는 핵융합로 내부에 초고온 플라스마를 안정적으로 오래 가둘 수 있어야 한다. 하지만 핵융합로에 갇힌 초고온 플라스마는 바깥 부분과 큰 압력 및 온도차로 불안정한 특성을 지니고 있다. 

원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 '물질의 4번째 상태'라고 하는 플라스마는 우주의 99.9%를 차지하고 있다. 초고온의 플라스마 상태에서 원자핵이 반발력을 이기고 융합하는 핵융합 반응이 일어난다. 핵융합 장치 내에서 핵융합이 일어날 수 있도록 플라스마를 연속적으로 운전하는 것은 핵융합 상용화를 위한 핵심 과제로 꼽힌다. 

특히 플라스마 가장자리에는 파도처럼 규칙적인 패턴이 생기는 ELM이 발생한다. ELM은 플라스마 가장자리를 갑자기 풍선처럼 터지게 만들기도 해 핵융합로 내벽을 손상, 플라스마를 안정적으로 가두는 데 방해 요소가 된다. 

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

그중 ‘한국의 인공태양’이라 불리는 초전도핵융합연구장치 KSTAR는 현존하는 핵융합장치 중 가장 정확하게 제작된 것으로 평가받는다. 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 진공용기 내부의 삼차원 자기장 인가장치를 활용해 진행됐다. 

한미 공동연구팀은 KSTAR 실험 결과 분석을 통해 ELM 억제를 위한 중요 물리기작을 실마리로 확보, 이를 기반으로 기존의 예측모델을 뛰어 넘는 플라스마 반응을 고려한 이론 모델을 수립했다.

이후 정교하게 계획된 KSTAR 실험을 통해 수립한 이론모델의 예측에 맞는 결과를 얻음으로써 이론의 정합성을 성공적으로 규명했다. 

kimys@newspim.com