한국핵융합에너지연구원이 핵융합에 필요한 초고온 플라즈마 운전을 방해하는 불안정 현상들 사이의 상호작용을 밝혀냈다.
한국 인공태양 케이스타(KSTAR) 연구본부의 최민준 박사가 국내외 연구팀과 공동연구를 통해 핵융합 플라즈마의 주요 불안정 현상 중 하나인 자기섬(magnetic island)의 발생과 억제에 주변의 난류(turbulence)가 직접적인 영향을 끼칠 수 있음을 실험을 통해 입증하는 데 성공했다.
땅 위에서 태양과 같은 핵융합 반응을 일으켜 에너지를 생산하려면 핵융합로에 초고온 플라즈마를 안정적으로 오래 가둘 수 있어야 한다.
핵융합로에 갇힌 플라즈마는 균일하지 않은 전류 밀도와 고에너지로 인해 불안정한 특성을 갖는다.
여기에 플라즈마를 가두기 위한 자기력선에 찢김과 재결합이 일어나는 섬 모양의 자기장 구조, 즉 자기섬이 발생하면 플라즈마가 손실되거나 붕괴가 일어날 수 있다.
자기섬의 발생과 그로 인한 플라즈마 붕괴를 제어하는 것은 핵융합 에너지 실현을 위해 해결해야 하는 대표적인 난제다.
연구팀은 자기섬과 주변 플라즈마에서 발생하는 여러 미세한 불안정 현상을 통칭하는 ‘난류’와의 상호작용에 주목했다.
연구팀은 실험에서 자기섬 안쪽은 밀도·온도가 균일하게 유지되고, 바깥쪽은 불균일한 온도와 유동 속도 때문에 난류가 부분적으로 발생한다는 사실을 이용해 자기섬 바깥에서 안쪽으로의 난류 퍼짐 현상을 확인했다.
KSTAR의 플라즈마 실험을 통해 자기섬 주변의 난류가 퍼짐 현상이나 자기력선 재결합의 가속화를 만들어 자기섬의 발생과 억제에 직접 영향을 끼칠 수 있다는 것을 입증했다.
이번 성과로 핵융합에너지 실현을 위해 필요한 플라즈마의 주요 현상들에 대한 이해를 높일 수 있게 됐다.
또 향후 핵융합로 운전에서 자기섬에 의한 플라즈마 붕괴를 효율적으로 억제하는데 활용될 수 있을 것으로 보인다.
핵융합연 측은 "KSTAR는 1억도 초고온 플라즈마 운전 세계 기록 달성과 같은 장치 운전 성과 외에도 핵융합 플라즈마 물리연구에서도 세계적 성과를 내고 있다"라며 "이번 연구 성과를 바탕으로 앞으로도 활발한 플라즈마 물리연구를 수행하여 핵융합 난제 해결에 앞장서겠다”라고 전했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 지난달 14일 자에 실렸다.
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