초전도핵융합연구장치(KSTAR)를 활용한 실험에서 핵융합 난제인 '플라스마 자기섬' 발생을 해결할 실마리가 발견됐다.
한국핵융합에너지연구원(원장 유석재)은 최민준 KSTAR연구본부 박사가 라즐로 바도크지 미국 제너럴 아토믹스 박사, 함택수 서울대 교수, 박현거·윤의성 울산과학기술원 교수, 윤건수 포스텍 교수와 함께 핵융합 플라스마의 불안정 현상의 하나인 자기섬(magnetic island) 발생에 주변 난류가 영향을 끼칠 수 있음을 증명했다고 24일 밝혔다.
핵융합 반응을 통해 에너지를 생산하기 위해서는 초고온 플라스마를 안정적으로 오래 가두는 것이 중요하다. 핵융합로에 갇힌 플라스마는 균일하지 않은 전류 밀도와 고에너지로 인해 불안정한 특성을 갖는데 특히, 플라스마를 가두는 자기력선에 찢김과 재결합이 일어나는 섬 모양의 자기섬이 발생하면 플라스마가 붕괴할 수 있다. 그러나 자기섬 발생과 그로 인한 플라스마 붕괴를 제어하는 것은 핵융합 에너지 실현을 위한 대표적인 난제로 꼽힌다.
최 박사 등은 KSTAR 실험을 통해 자기섬 주변 난류가 '난류 퍼짐'을 일으키거나 '자기력선 재결합'을 가속화해 자기섬 발생에 영향을 준다는 것을 입증했다. 난류가 자기섬 발생에 끼치는 영향을 연구하는 물리 모델은 있었지만, 실제 실험으로 연관성을 증명한 것은 처음이다.
KSTAR 실험에서 자기섬 안쪽은 고유의 자기 구조로 밀도·온도가 균일하게 유지되고, 바깥쪽은 불균일한 온도와 유동 속도 때문에 난류가 부분적으로 발생한다는 사실을 파악, 자기섬 바깥에서 안쪽으로의 난류 퍼짐 현상을 확인했다.
최민준 핵융합연 박사는 “이번 연구 결과는 핵융합에너지 실현에 필요한 플라즈마 주요 현상에 대한 이해를 높일 뿐 아니라 핵융합로 운전에서 자기섬에 의한 플라스마 붕괴를 효율적으로 억제하는 데 활용할 수 있을 것”이라며 “자기섬 주변의 난류의 세기를 줄이거나 분포를 변경하면 플라즈마 붕괴를 막거나 완화할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 지난 1월 14일 자에 게재됐다.
충청=강우성기자 kws9240@etnews.com
