연구성과

물리 윤건수 교수팀, 안전한 ‘인공태양’에 한걸음 더

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[플라즈마 경계면 폭발 전 ‘섭동’ 현상 발견]

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태양이 1초 동안 만들어내는 에너지는 지구 상의 모든 발전소가 만들어내는 발전용량의 1조 배나 많은 에너지다. 이 에너지를 만들어내는 핵융합 현상을 모방해 만들어내는 ‘인공태양’은 언젠가 고갈될지 모를 화석연료, 그리고 항상 수많은 논란의 중심에 있는 원자력을 대체할, 고효율적이고 친환경적인 대체 에너지 자원으로 전 세계의 협력 아래 연구되고 있다. 이 핵융합 장치의 핵심은, 강력한 자기장을 이용해 수억도에 이르는 초고온 상태의 플라즈마를 가두는 토카막 장치다. 여기에서 일어나는 불안정한 상태를 규명하는 새로운 연구가 나와 학계의 관심을 모으고 있다.

물리학과․첨단원자력공학부 윤건수 교수 팀은 UNIST 물리학과 박현거 교수 팀, 국가핵융합연구소(NFRI) KSTAR 연구센터와 함께 토카막 내부에서 플라즈마 경계면 폭발 현상이 일어나기 직전에 발생하는 고립 섭동¹* 현상을 발견하고 그 발생 과정을 규명하였다. 이는 플라즈마 경계면 폭발이 고립 섭동에 의해 유발된다는 새로운 해석으로서 기존의 고유 모드²*에 기반한 해석의 한계점을 명확히 밝혔다는 점에서 학계의 주목을 모으고 있다.

지구에서 태양과 같은 핵융합 반응을 일으켜 에너지를 만들기 위해서는 태양보다 더 뜨거운 초고온의 플라즈마가 필요하다. 이 플라즈마는 기체가 이온화된, 물질의 네 번째 상태다. 태양은 중력이 강해 태양 내부의 높은 밀도와 압력을 통해 이 제멋대로인 플라즈마를 가둘 수 있지만, 태양과는 상황이 다른 지구에서는 플라즈마가 전하를 띠고 있다는 성질을 이용해 자기장으로 도넛 형태의 장치 속에서 끊임없이 돌아가도록 하는 토카막이라는 장치를 이용해 플라즈마를 가둔다.

문제는, 갇혀있는 이 플라즈마가 바깥과의 압력과 온도차이 때문에 경계면의 상태가 불안정해진다는데 있다. 상태가 불안정해지면 상당한 양의 플라즈마 입자와 열이 밖으로 한 번이 빠져나가는 ‘플라즈마 경계면 폭발현상’이 발생한다. 그리고 이 폭발현상은 크기에 따라 플라즈마를 가두는 토카막 내벽에 심각한 손상을 입힐 수 있는 위험을 안고 있다.

많은 연구자들이 이를 해결하기 위한 연구를 진행하고 있지만, 빠르게 일어나는 폭발현상을 제대로 이해하기는 어려웠다. 연구팀은 고속 밀리미터파 카메라와 초고속 전자기파 검출기를 개발, 우리나라의 ‘인공태양’ KSTAR에 설치해 경계면 폭발현상을 관측했다. 그 결과 경계면 폭발 직전에 고립 섭동현상이 일어난다는 것을 발견하는데 성공했다.

지금까지 발표된 이론으로는 이 현상을 설명할 수 없는 상황으로 향후 플라즈마 유체이론, 수치 시뮬레이션 연구에 활용될 수 있을 뿐 아니라, 지금까지 핵융합 관련 연구의 난제 중 하나로 손꼽혀 왔던 플라즈마 경계면 폭발 메커니즘을 이해할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

연구팀은 다른 형태의 플라즈마 경계면에서 발생하는 폭발적 붕괴 현상과 토카막 내에서 일어나는 폭발 현상의 유사성에 착안, 고립 섭동의 발생 조건에 대한 수학과 황형주 교수팀과의 공동연구로 이론적 모델도 이끌어내었다. 이와 함께 경계면 폭발과 함께 생겨나는 강력한 전자기파에 대한 해석 연구를 후속 연구로 진행하고 있다.

네이처가 발행하는 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)를 통해 발표된 이 연구는 미래창조과학부 핵융합연구개발 사업 및 Max Planck POSTECH/KOREA Research Initiative 프로그램, 그리고 교육부 BK21플러스 사업 지원을 통해 수행됐다.


1. 섭동(perturbation)
어떤 역학적 평형을 이루고 있는 주요 힘들 외에 작용하고 있는 부차적인 힘, 또는 그 힘에 의하여 평형 상태로부터 벗어난 교란된 상태.

2. 고유 모드 (eigen mode)
어떤 시스템 내부의 규칙적인 패턴으로 나타나는 자연스러운 진동 상태.