KISTI의 과학향기

국내 연구팀이 새로운 핵융합 플라즈마 운전방식을 발견해 향후 미래 핵융합 상용로 운전 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다.

 

지구 상에서 태양과 같이 핵융합 반응으로 에너지를 만들기 위해서는 초고온·고밀도 상태의 플라즈마를 핵융합로에 장시간 안정적으로 가두는 기술을 확보하는 것이 핵심이다. 

 

가장 대표적인 플라즈마 운전 방법은 고성능 플라즈마 운전 모드라고 불리는 에이치(H)-모드(High Confinement mode)로, 이는 상용로 운전을 위한 기본 핵융합 플라즈마 운전 방법으로 고려되며, 차세대 운전 방법 개발의 기준 지표가 되고 있다.

 

하지만, H-모드에서는 플라즈마 가장자리에 형성되는 장벽을 활용하기 때문에 가장자리의 압력이 임계치를 넘어가 풍선처럼 터지는 플라즈마 경계면 불안정 현상이 발생한다. 이는 핵융합로 내벽에 손상을 일으킬 수 있다. 이에, 핵융합 연구자들은 ELM을 제어하는 방법을 연구하는 한편, 더욱 안정적인 플라즈마 운전 모드를 찾기 위해 노력하고 있다.

 

나용수 서울대 원자핵공학과 교수 연구팀과 한현선 한국핵융합에너지연구원 책임연구원 연구팀은 초전도 핵융합 연구장치(KSTAR)의 운전데이터 분석과 모의실험 검증을 통해, 플라즈마 가열시 발생한 고속이온(높은 에너지의 입자들)이 플라즈마 내부의 난류를 안정화시켜 플라즈마 온도를 급격히 높이는 현상을 발견하고, 이를 새로운 운전모드인 ‘FIRE 모드’라고 이름 붙였다.

 

FIRE 모드는 기존 H-모드보다 플라즈마 성능을 개선했고, ELM 현상도 발생하지 않았다. 또 운전 제어도 쉬워 미래 핵융합 상용로의 플라즈마 운전 기술 확보를 위한 새로운 가능성을 열었다는 평가를 받고 있다.

 

나 교수는 “FIRE 모드는 예측한 대로 실험이 진행되지 않았던 실패한 실험 결과를 분석하다가 새롭게 얻어진 창의적인 결과물로 한국의 핵융합 연구가 기존과 다른 독창적인 방식으로 이루어질 수 있음을 보여준 사례”라고 설명했다. 한 책임연구원은 “이번 연구성과는 플라즈마의 밀도·온도·가둠 시간이라는 핵융합 실현의 세 가지 조건 중 특히 온도 측면에 집중하여 초전도 핵융합 연구장치(KSTAR)의 가열 성능을 플라즈마 중심부에 집중시키는 새로운 접근이 있었기에 가능했던 결과”라며, “FIRE 모드와 고속이온에 대한 추가 연구를 통해 초전도 핵융합 연구장치(KSTAR)의 1억도 초고온 플라즈마 운전성능 및 지속시간도 더욱 향상될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

 

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처’ 9월 8일 자에 실렸다.