핵융합 난제 '플라즈마 불안정' 현상 해결 실마리 찾아

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 핵융합 에너지 실현에 필요한 플라즈마 현상에 대한 이해를 높이고, 앞으로 핵융합로 운전에서 초고온 플라즈마 운전을 방해하는 불안정 현상을 해결할 가능성을 제시했다.

한국핵융합에너지연구원은 최민준 KSTAR연구본부 박사가 국내외 연구팀과 공동 연구로 주변 난류가 ‘자기섬(magnetic island)’의 발생과 억제에 영향을 준다는 사실을 실험으로 확인했다고 24일 밝혔다.

최민준 한국핵융합에너지연구원 KSTAR연구본부 박사.(사진=한국핵융합에너지연구원)

핵융합 반응을 통해 에너지를 생산하려면 핵융합로에 초고온 플라즈마를 안정적으로 오래 가둬야 한다. 핵융합로에 갇힌 플라즈마는 전류 밀도가 균일하지 않고, 에너지가 높아 불안정하다.

플라즈마를 가두기 위한 자기력선 대문에 찢김과 재결합이 일어나는 섬 모양의 자기장 구조인 ‘자기섬’이 발생하면 플라즈마가 손실되거나 붕괴된다. 따라서 핵융합 에너지 실현에서 자기섬 발생과 이에 따른 플라즈마 붕괴 제어가 해결해야 할 난제이다.

연구팀은 자기섬과 주변 플라즈마에서 발생하는 여러 미세한 불안정 현상을 통칭하는 ‘난류’와의 상호작용에 주목했다. 연구팀은 초전도핵융합연구장치 KSTAR의 플라즈마 실험을 통해 자기섬 주변의 난류가 난류 퍼짐 현상이나 자기력선 재결합을 빠르게 만들어 자기섬의 발생과 억제에 직접 영향을 준다는 사실을 확인했다.

난류 퍼짐 현상은 자기섬의 발달을 억제하는 요인으로 알려졌지만, 온도나 밀도가 균일하지 않은 곳 어디든 난류가 발생할 수 있다. 따라서 난류 퍼짐 현상을 실험으로 알아내기에는 어려웠다.

하지만 KSTAR 장치에서는 커다란 자기섬의 안쪽은 고유의 자기 구조로 밀도나 온도가 균일하게 유지되고, 바깥쪽에는 균일하지 않은 온도와 유동 속도 때문에 난류가 좁은 부위에서 발생해 자기섬 바깥쪽에서 안쪽으로의 난류 퍼짐 현상을 확인할 수 있었다.

연구팀은 또 KSTAR 장치에서 자기섬의 플라즈마 붕괴 과정을 관찰하던 중 붕괴가 빠르게 일어나면 자기력선 재결합 영역에서 난류 세기가 증가한다는 것도 확인했다.

최민준 박사는 “주변 난류가 자기섬의 발달 과정에 끼치는 영향을 분석한 결과”라며 “자기섬 주변의 난류의 세기를 줄이거나 분포를 변경해 플라즈마 붕괴를 막거나 완화할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’에 지난달 14일자에 게재됐다.