'1억도' 초고온 핵융합 장치 운전할 새로운 방법 찾았다

[이데일리 강민구 기자] 한국핵융합에너지연구원과 서울대 공동 연구팀이 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 초고온 핵융합 플라즈마 운전 성과를 분석해 새로운 핵융합 플라즈마 운전방식을 제시했다. 전 세계 주요국이 프랑스에 건설하는 국제핵융합실험로를 비롯해 차세대 핵융합 실증로 운전 기술 개발에 활용할 수 있는 성과다.

지구에서 태양처럼 핵융합 반응으로 에너지를 만들려면 초고온·고밀도 상태의 플라즈마를 핵융합로에 오랜 시간 안정적으로 가두는 기술을 확보해야 한다.

플라즈마 운전 방법은 주로 고성능 플라즈마 운전 방식인 H-모드를 이용한다. 상용로 운전을 위한 기본 핵융합 플라즈마 운전 방법으로 고려되고 있다.

이 방식은 플라즈마 가장자리에 형성되는 장벽을 활용하기 때문에 가장자리의 압력이 임계치를 넘어가 풍선처럼 터지는 플라즈마 경계면 불안정 현상이 발생한다. 핵융합로 내벽에 손상을 끼칠 수 있기 때문에 안정적인 운전방식을 찾는 연구가 이뤄지고 있다.

국내 연구진은 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 운전데이터를 분석하고, 시뮬레이션 검증했다. 그 결과, 플라즈마를 가열할 때 발생한 고속이온이 플라즈마 내부의 난류를 안정시켜 플라즈마 온도를 급격히 높이는 현상을 확인하고, ‘FIRE 모드’라고 이름 지었다.

이 방식은 기존 H-모드 대비 플라즈마 성능을 개선했고, H-모드의 단점인 경계면 불안정 현상이 발생하지 않는 것으로 나타났다.

나용수 서울대 교수는 “FIRE 모드는 예측한 대로 실험이 되지 않았던 실패한 실험 결과를 분석하다가 새로 얻은 결과물로 우리나라 핵융합 연구가 독창적인 방식으로 이뤄질 수 있음을 보여준 사례”라고 말했다.

한현선 핵융합연 박사는 “플라즈마의 밀도·온도·가둠시간이라는 핵융합 실현의 세 가지 조건 중에서도 온도 측면에 집중해 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 가열 성능을 플라즈마 중심부에 집중시키는 새로운 접근이 있었기에 가능했다”며 “FIRE 모드와 고속이온에 대한 추가 연구를 통해 KSTAR의 1억도 초고온 플라즈마 운전성능과 지속시간도 늘릴 것”이라고 기대했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘네이처’에 8일 0시에 게재됐다.

KSTAR 1억도 플라즈마 사진.(사진=한국핵융합에너지연구원)