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“야생마처럼 날뛰는 플라스마 잡는다” 국내 연구진, 새 이론 제시

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“야생마처럼 날뛰는 플라스마 잡는다” 국내 연구진, 새 이론 제시

2018.09.12 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.

 

국가핵융합연구소 제공

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.

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