[지금은 과학] 새로운 핵융합로 운전방법 찾았다

[아이뉴스24 최상국 기자] 한국핵융합에너지연구원과 서울대 공동 연구팀이 국내 초전도핵융합연구장치(KSTAR)에서 진행해 온 초고온 핵융합 플라즈마 실험을 통해 기존의 플라즈마 운전방식의 단점을 해결할 수 있는 새로운 운전 모드를 발견했다고 밝혔다.

나용수 서울대 원자핵공학과 교수(교신저자)와 한현선 한국핵융합에너지연구원 박사, 박상진 서울대 에너지시스템공학부 석·박사과정(이상 제1저자)으로 구성된 연구팀은 8일 국제학술지 네이처(Nature)에 'FIRE(Fast Ion Regulated Enhancement)'라고 이름 붙인 새로운 플라즈마 운전모드를 발표했다.(논문명 : A sustained high-temperature fusion plasma regime facilitated by fast ions)

연구진은 이 새로운 운전모드가 기존 운전모드의 단점을 해결할 수 있어 향후 상용 핵융합로에서 사용할 수 있는 대안 시나리오로 활용할 수 있을 것으로 기대했다.

핵융합으로 대용량에너지를 생산하고자 하는 목표를 달성하기 위해서는 초고온·고밀도 상태의 플라즈마를 핵융합로에 장시간 안정적으로 가둘 수 있는 기술을 확보해야 한다.

가장 대표적인 플라즈마 운전 방법은 고성능 플라즈마 운전 모드라고 불리는 'H-모드(High Confinement mode)'로, 상용 핵융합로 운전을 위한 기본 운전 방법으로 고려되고 있다.

하지만 H-모드에서는 플라즈마 가장자리의 압력이 임계치를 넘어가면 풍선처럼 터지는 '플라즈마 경계면 불안정 현상(Edge Localized Mode, ELM)'이 발생해 핵융합로 내벽에 손상을 일으킬 수 있다는 게 문제다. 이에 핵융합 연구자들은 ELM을 제어하는 방법을 연구하는 한편, 더욱 안정적인 플라즈마 운전 모드를 찾고 있다.

연구진은 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 운전데이터 분석과 시뮬레이션 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’로 명명했다.

FIRE 모드는 상대적으로 낮은 플라즈마 밀도에서 중심부에 가열을 집중하는 방법으로 만들어졌다. 연구진은 이 새로운 모드에서는 H-모드의 단점인 경계면 불안정 현상(ELM)이 발생하지 않을 뿐만 아니라 다른 심각한 불안정성 현상이 발생하지 않으며 플라즈마 내의 불순물 축적도 없다고 밝혔다.

연구진은 또한 이 모드가 H-모드와 유사하거나 더 높은 성능을 보이면서도 운전 제어가 쉽다는 장점이 있어 미래 상용 핵융합로에서의 플라즈마 운전기술 확보를 위한 새로운 가능성을 열게 됐다고 설명했다. 다만 현재는 다소 낮은 밀도에서 운전을 하기 때문에, 높은 온도를 계속 유지하면서도 플라즈마의 밀도를 계속 높일 수 있는 조건에 도달하기 위한 연구를 계속해야 한다고 덧붙였다.

KSTAR 연구진은 지난 2021년 이온온도 1억도의 초고온 플라즈마를 당시 세계 최고기록인 30초 동안 연속운전하는 데 성공한 바 있다. 연구진은 "이번 연구성과가 지난 몇 년간 KSTAR에서 달성한 초고온 플라즈마 장시간 운전 성과의 독창성을 일반 학계에서도 인정받았다는 것에 의의가 있다"며 고속이온의 물리적 이해를 바탕으로 향후 국제핵융합실험로(ITER) 및 핵융합 실증로 운전 기술 개발에 기여할 것"으로 기대했다.

나용수 교수는 “FIRE 모드는 예측한 대로 실험이 진행되지 않았던 실패한 실험 결과를 분석하다가 얻어진 결과로 한국의 핵융합 연구가 기존과 다른 독창적인 방식으로 이루어질 수 있음을 보여준 사례”라며 “초전도핵융합연구장치(KSTAR)가 초정밀도로 건설됐기에 가능했던 결과이자 국내외 대학, 연구소의 긴밀한 협력으로 가능했다.”라고 밝혔다.

한현선 박사는 “이번 연구성과는 플라즈마의 밀도·온도·가둠시간이라는 핵융합 실현의 세 가지 조건 중에서도 특히 온도 측면에 집중해 KSTAR의 가열 성능을 플라즈마 중심부에 집중시키는 새로운 접근으로 가능했던 결과”라며, “FIRE 모드와 고속이온에 대한 추가 연구를 통해 KSTAR의 1억도 초고온 플라즈마 운전성능과 지속시간도 더욱 향상될 수 있을 것"으로 기대했다.

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