‘인공태양’ 핵융합 난제 해결할 이론모델 검증

조선비즈
  • 김민수 기자
    입력 2018.09.12 13:20

    실제 태양이 에너지를 만드는 방식을 지구상에 구현하는 핵융합 장치 상용화에 걸림돌인 ‘플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM)’을 해결할 새로운 이론예측모델이 개발됐다.

    국가핵융합연구소(이하 핵융합연)는 박종규 미국 프린스턴 플라즈마연구소 박사와 공동 연구를 통해 핵융합장치의 플라즈마 경계면 불안정 현상 억제 조거을 예측하는 이론모델을 정립하고 실험적으로 검증하는 데 성공했다고 12일 밝혔다.

    태양에너지의 원리인 핵융합 반응으로 에너지를 생산하려면 핵융합로 내부에 초고온 플라즈마를 안정적으로 오래 가둬야 한다. 플라즈마는 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 상태로 초고온 플라즈마 상태에서 원자핵이 반발력을 이기고 융합하는 핵융합 반응이 일어난다. 이같은 핵융합이 일어날 수 있도록 플라즈마의 안정적인 운영은 핵융합 상용화를 위한 핵심 과제다.

    대전 소재 핵융합연에 위치한 초전도핵융합연구장치(KSTAR). 빨간색 동그라미 부분은 중성입자빔가열장치. /조선DB
    문제는 핵융합로에 갇힌 초고온 플라즈마는 바깥 부분과 큰 압력 및 온도차로 불안정한 특성이 있다는 점이다. 특히 플라즈마 가장자리에는 파도처럼 규칙적인 패턴이 생기는 ELM이 발생한다. ELM은 핵융합로 내벽을 손상시키고 플라즈마를 융합로 내부에 안정적으로 가두는 데 방해요소가 된다.

    공동연구팀은 국내 ‘초전도핵융합연구장치(KSTAR)’에서 기존에 진행된 ELM 억제 실험결과를 토대로 이번 연구를 진행했다. KSTAR 실험결과 분석을 통해 ELM을 억제할 수 있는 중요한 실마리를 확보하고 플라즈마 반응을 고려한 이론모델을 수립했다. 이후 정교하게 설계한 KSTAR 실험을 통해 수립한 이론모델의 예측에 맞는 결과를 얻어 이론모델을 규명하는 데 성공했다.

    그동안 ELM 억제를 위한 여러 이론모델이 활용됐지만 실제 실험적으로 정밀하게 검증된 경우는 이번에 개발된 모델이 유일하다. 핵융합연은 ELM 억제 실험조건을 다양하게 제공할 수 있는 KSTAR 장치의 우수성이 연구성과를 얻는 데 핵심적인 역할을 했다고 평가했다.

    윤시우 핵융합연 KSTAR연구센터장은 "KSTAR가 핵융합 난제인 ELM 억제를 해결할 수 있는 실험적으로 검증된 예측모델을 만드는 데 큰 역할을 했다"며 "향후 국제핵융합실증로(ITER)에도 적용할 수 있을 것"이라고 말했다. 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 물리학(Nature Physics)’ 10일자(현지 시각)에 게재됐다.

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