매일안전신문 - 과기부, KSTAR 초고온 핵융합 플라즈마 운전 성과 분석 새로운 핵융합 플라즈마 모드 발견

▲FIRE모드와 에이치(H)-모드의 온도 및 불안정성 차이 (사진:과학기술정보통신부)

[매일안전신문=김진섭 기자]서울대 공동 연구팀이 최근 새로운 핵융합 플라즈마 운전방식을 개발해 세계적인 주목을 받고 있다.

과학기술정보통신부는 나용수 서울대 원자핵공학과 교수와 한현선 한국핵융합에너지연구원 책임연구원 연구팀이 이 같은 연구결과를 국제학술지 네이처에 8일 공개했다.

핵융합은 중수소와 삼중수소 같은 가벼운 원소의 원소핵들이 결합해 무거운 원자핵으로 변하면서 에너지를 내놓는 현상이다.

태양이나 별처럼 초고온 플라즈마 상태로 '인공태양'이라 불린다.

우라늄과 플루토늄 등 무거운 원소를 쪼개 에너지를 내는 핵분열을 통한 원자력 발전과 반대되는 개념이다.

핵융합 반응으로 에너지를 만들기 위해서는 초고온과 고밀도 상태의 플라즈마를 핵융합로에서 장시간 안정적으로 가두는 운전 기술을 확보하는 것이 핵심이다.

가장 대표적인 운전 기술로 ‘H-모드’가 있다. H-모드는 플라즈마 가장자리에 에너지 장벽을 형성해 고온의 플라즈마가 빠져나가는 것을 막는다.

하지만 가장자리의 압력이 임계치를 넘어가면 ‘플라즈마 경계면 불안정’ 현상이 발생한다.

플라즈마가 풍선처럼 터지며 핵융합로 내벽에 손상을 일으킨다. H-모드가 기본 상용로 운전방식으로 고려되고 있으나 과학자들이 새로운 운전방식을 찾고 있는 이유다.

이에 연구팀은 새로운 운전방식인 ‘FIRE’를 개발했다. 2008년부터 운영해온 초전도핵융합연구장치의 운전데이터 분석과 시뮬레이션 검증을 진행한 결과, 플라즈마 가열 시 발생한 고속이온이란 높은 에너지의 입자들이 플라즈마 내부의 난류를 안정화 시키는 현상을 발견했다.

한 책임연구원은 “기존 H-모드가 바깥 쪽부터 중심부로 플라즈마를 가열한다면 FIRE는 중심부에서부터 가열하는 것이 차이”라며 “성능이 H-모드와 비슷하면서도 플라즈마 내의 불순물 축적도 없어 다른 불안정성 현상도 발생하지 않는다”라고 말했다.

연구팀은 FIRE가 차세대 플라즈마 운전방식으로 가능성이 있다고 보고 추가 연구를 이어간다는 계획이다.

한 책임연구원은 “플라즈마 밀도를 높여 성능을 높이는 연구를 할 것”이라고 밝혔다.

한편 나교수는 “한국의 핵융합 연구가 기존과 다른 독창적인 방식으로 이루어질 수 있음을 보여준 사례”라고 의의를 밝혔다.

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