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201609.19

KSTAR, 핵융합 난제 해결 새로운 실마리 제공

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/kstar/589

 

 

 

 우리나라의 인공태양, 초전도핵융합연구장치 KSTAR를 통해 다시 한 번 세계를 놀라게 할 연구 결과가 발표되었습니다.

 KSTAR 연구에 참여하고 있는 국내 연구진들이 핵융합 상용화 난제 중 하나인 플라즈마 경계면 불안정 현상(Edge-Localized Mode, ELM)에 대한 새로운 해석을 발표한 것인데요. 이번 성과는 핵융합 상용화를 위해 꼭 필요한 고성능 플라즈마의 장시간 가둠 성능을 개선시킬 수 있는 가능성을 제시하며 세계 핵융합 연구계의 관심을 받고 있습니다. 핵융합 상용화를 위한 새로운 실마리가 되어줄 것으로 기대되는 이번 연구 성과의 내용을 자세히 살펴보겠습니다. 

 


ELM, 너의 정체가 뭐니?

 

 태양에너지의 원리인 핵융합 반응을 통해 에너지를 생산하기 위해서는 핵융합로 내부에 플라즈마를 안정적으로 오래 가둘 수 있어야 합니다. 하지만 강력한 자기장에 의해 핵융합로에 갇힌 초고온 플라즈마는 바깥과 큰 압력 및 온도차로 불안정한 특성을 지니고 있습니다.

 

 특히 플라즈마 가장자리 경계면에는 파도처럼 규칙적인 패턴이 생기는 ELM이 발생합니다. ELM은 풍선이 갑자기 터지듯 주기적으로 에너지 및 입자 분출을 일으키는 붕괴 현상을 일으키기도 합니다. 이러한 ELM 붕괴현상은 플라즈마의 에너지 손실을 일으키거나 핵융합로 내부를 손상시킬 수 있어 안정적인 핵융합 반응을 방해하는 요소입니다.

 

 때문에 ELM의 발생 자체 또는 붕괴를 제어하는 것은 핵융합 상용화를 위해 해결해야 하는 대표적인 난제로 꼽히며, 지난 30년간 이를 해결하기 위해 다수의 핵융합 장치에서 ELM을 제어하는 연구가 수행되어 왔습니다.

 


KSTAR, 최적의 ELM 제어 방법 개발에 새로운 가능성 제시

 

 현존하는 핵융합장치 중 가장 정확하게 제작된 것으로 평가받고 있는 KSTAR는 최근 몇 년 동안 ELM 억제 실험에서 독보적인 성과를 거두며 ELM 제어 연구 분야를 선도하고 있습니다. 지난 2011년에는 세계 최초로 ELM 현상을 완벽하게 억제하는 데 성공하며, 전 세계 ELM 연구에 있어서 새로운 실마리를 제공한 바 있습니다. 
 
 이번에는 국가핵융합연구소 KSTAR 연구센터장이자, UNIST 교수로 재직 중인 박현거 교수팀과, POSTECH 윤건수 교수팀이 공동으로 KSTAR 실험 결과 분석을 통해 자기장으로 플라즈마를 제어할 때 플라즈마 표면에 생겨나는 작은 소용돌이 형태의 난류가 ELM에 의한 플라즈마 붕괴가 일어나지 않도록 막는다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈습니다.

 

 KSTAR의 ELM 제어 성공 사례와 같이 핵융합장치의 자기장을 이용하여 ELM을 억제하고 플라즈마 붕괴를 막을 수 있다는 것은 기존에 알려져 있었습니다. 하지만 자기장이 플라즈마에 어떠한 영향을 미쳐 플라즈마가 붕괴되지 않는지에 대한 구체적인 원리는 밝혀지지 않았었기 때문에 이번 성과가 더욱 주목받고 있습니다. 세계 최초로 자기장에 의해 생성된 플라즈마 표면 난류의 존재를 실제로 관측하고, 난류와 ELM의 상호작용을 최초로 밝혀낸 것입니다. 이러한 성과는 향후 핵융합 상용화 기술 개발을 위한 최적의 ELM 제어 방법을 개발하는 데 새로운 가능성을 열어 줄 것으로 기대되고 있습니다. 

 

 이번 연구 성과는 세계 유일하게 KSTAR에 설치된 첨단 진단장치인 3차원 전자온도 영상장치로 촬영 된 플라즈마의 분석을 통해 얻을 수 있었습니다. 입체적인 ELM 현상을 촬영할 수 있는 3차원 전자 온도 영상장치는 KSTAR의 거점센터인 UNIST와 POSTECH이 공동으로 개발한 것으로 ELM 생성의 원인과 과정을 보다 효과적으로 분석할 수 있게 되었습니다. 

 

 

국내 연구자들의 협력으로 만든 세계적 성과

 

 이번 연구 결과는 물리학 분야 최고 권위 국제학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 게재되었습니다. 논문 제 1저자로 참여한 이재현 UNIST 박사후연구원은 “특히 핵융합장치의 제어용 자기장이 ELM 발생 자체를 막지 못한다는 점은 기존에 알려진 이론이나 시뮬레이션 결과와 다른 점”이라며, “핵융합 플라즈마 분야 연구자들에게 시사하는 바가 크다.”고 덧붙였습니다.

 

 공동 연구에 참여한 POSTECH 윤건수 교수 역시 자기장에 의해 생겨난 난류와 ELM과의 관계를 “마치 목성 표면의 거대붉은점(Red Giant Spot)이 주변 난류와의 상호 작용을 통해 안정적인 구조를 유지하고 있는 현상”에 견주며, 이번 연구 결과의 중요성을 강조했습니다.

 

 핵융합(연) 김기만 소장은 “이번 연구 성과는 KSTAR 장치를 중심으로 수행되는 국내 핵융합 연구자들의 대표적인 공동연구 성과”라며, “KSTAR가 세계 핵융합 연구의 새로운 패러다임을 바꾸는 역할을 하고 있음을 입증한 대표적 사례이다.”라고 소감을 밝혔습니다.

 

 앞으로도 KSTAR 장치를 중심으로 한 국내 핵융합연구자들의 연구를 통해 핵융합 난제에 대한 중요한 실마리를 제공하고, 국제핵융합실험로(ITER)의 성공적인 운영 및 핵융합에너지 상용화를 위해 기여할 수 있기를 기대합니다. 

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