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201809.18

ELM‧수송‧난류 핵융합 3대 난제 해결할 통합이론 등장

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/853

KSTAR만의 3차원 자기장 특성 이용…핵융합 현상 실험으로 검증
핵융합연‧美 PPPL 국제공동연구 성과 ‘네이처 물리학’ 발표

 

 1948년 등장한 빅뱅 이론이 우주 탄생의 비밀을 한 꺼풀 벗겼듯, 2018년 핵융합 최대 난제인 ELM(Edge Localized Mode, 경계면 불안정 현상)*을 제어하는 통합이론 예측모델이 발표되며 인공태양 상용화로 가는 길에 청신호가 켜졌습니다. 바로 지난 9월 10일 ‘네이처 물리학(Nature Physics)’에 소개된 ’토카막 플라즈마에 대한 3차원 자기장 위상공간 제어’가 그 주인공입니다. 

 


'네이처 물리학'에 게재된 KSTAR 연구성과

 

논문 바로보기 ▶ 3D field phase-space control in tokamak plasmas


* ELM(Edge Localized Mode, 경계면 불안정 현상) 제어란?
플라즈마 경계의 큰 압력 변화로 인해 플라즈마 밀폐 상태를 방해하는 불안정 현상으로 이 현상이 발생하면 핵융합 장치의 플라즈마 가둠 성능이 저하되기 때문에 핵융합 상용화를 위해 해결해야 하는 난제

 

 주인공을 만나기 전, 과학에서 말하는 이론(theory)의 의미를 먼저 확인해 보았습니다. 사전에 따르면 이론은 ‘사물에 관한 지식을 논리적인 연관에 의하여 하나의 체계로 이루어 놓은 것’으로 과학의 본질을 이루는 부분입니다. 법칙이 어떻게(how)를 설명한다면 이론은 한 걸음 더 나아가 왜(why)를 설명해줍니다. 현상을 잘 설명하는 동시에 미래까지 예측할 수 있습니다.   

 

 그런 의미에서 이번에 발표된 통합이론 예측모델은 핵융합 플라즈마의 핵심 난제인 3차원 비대칭 자기장에 의한 ELM 제어를 전자유체역학적 안정성의 변화 및 플라즈마 수송 특성의 변화 측면에서 모두 한 번에 통합 설명하고, 나아가 ITER 건설은 물론 한국형 핵융합실증로(K-DEMO)의 설계와 운영의 방향성을 제시한 의미 있는 결실입니다. 국가핵융합연구소 KSTAR연구센터 고성능시나리오연구팀 전영무 팀장을 통해 이번 발표의 내용과 의미를 짚어보았습니다.

 

9월 10일 ‘네이처 물리학’에 발표된 새로운 통합이론의 의의를 설명하는 전영무 팀장

 

 


핵융합 현상 전체를 종합적으로 바라보는 눈을 갖다


 “KSTAR는 2007년 첫 플라즈마 발생에 성공한 뒤 지난 10년간 다양한 플라즈마 실험을 진행하며 고성능플라즈마 운전에서 독보적인 성과를 이뤄냈습니다. 지금까지는 실험으로 관측된 현상을 이론학자들이 다양한 물리적 지식을 동원해 해석하고 ‘이렇게 설명할 수 있다’라고 발표해 왔다면, 이번 발표는 기존의 현상과 실험내용을 통합 설명할 수 있는 새로운 이론모델을 제시하여 그 예측해석을 기반으로 완전히 새로운 독특한 실험방식을 제안하고, 이를 KSTAR만의 특장점을 십분 활용하여 실험적으로 검증에 성공한 결과입니다.”

 

 전영무 팀장에 따르면 KSTAR연구센터는 KSTAR 가동 초기부터 미국 프린스턴플라즈마연구소(PPPL) 소속 박종규 박사와 공동연구를 진행했습니다. 그리고 마침내 3차원 자기장을 적용했을 때 토카막 장치에서 일어나는 다양한 물리현상을 해석하고 예측하며 특히 ELM 억제와 관련한 중요 물리기작의 실마리를 확보할 수 있었습니다.

 

 그동안 삼차원 자기장을 이용한 ELM 억제 현상을 설명하기 위해 여러 이론모델이 제시되었지만, 실제 정교한 실험으로 적합성이 검증된 경우는 이번이 유일합니다. 마치 지금까지 코끼리란 실체를 두고 장님들이 각각 코와 꼬리, 다리를 만진 뒤 코끼리의 부분 특성만 정의했다면, 이제 코끼리 전체를 통찰할 수 있는 눈을 갖게 된 것과 같습니다. 

 

새로운 통합이론을 실험으로 검증해낸 한국의 초전도핵융합연구장치 KSTAR

 


우산장수와 부채장수 두 아들을 둔 어머니의 고충도 해결


 핵융합 상용화의 핵심인 고성능 플라즈마 장시간 운전을 달성하기 위해서는 3차원 자기장을 플라즈마에 적용했을 때 두 가지 미션을 동시에 달성해야 합니다. 하나는 플라즈마가 토카막과 부딪치는 경계영역에서 발생하는 ELM 현상을 제어하는 것이고, 다른 하나는 고성능의 플라즈마 중심부를 불안정해지지 않도록 잘 유지하는 것입니다. 

 

 하지만 기존의 이론과 실험으로는 경계면 ELM을 제어하면 중심부 플라즈마가 틀어지고, 중심부 반응을 강화하면 경계면이 붕괴하는 상충적인 반응을 적절히 조절하지도, 정확히 예측하지도 못했습니다. ELM 제어와 동시에 플라즈마 중심부의 수송 악화 현상을 막을 솔루션 마련은 핵융합 연구자들에게 부여된 최고의 미션이자 ITER와 K-DEMO 같은 차세대 토카막 개발을 위한 중대한 과제였습니다. 이번 발표가 주목받는 이유는 이처럼 복잡하고 상충하는 3차원 비대칭 자기장에 대한 핵융합 반응들을 모두 설명하는 최초의 통합이론이기 때문입니다. 

 

 전영무 팀장은 통합이론의 의미를 다음과 같이 설명합니다. “통합이론은 복잡하고 다양한 3차원 비대칭 핵융합 현상을 일괄적으로 표준화하여 이해할 수 있는 기반을 제공합니다. 즉, 3차원 비대칭 자기장으로 토카막 플라즈마에서 일어날 수 있는 3가지 핵심난제인 경계면 ELM 제어와 오차자장이 만들어내는 자기유체역학적 불안정성에 의한 중심부 플라즈마 붕괴, 그리고 플라즈마 수송 특성 변화 등 3차원 자기장이 갖는 물리현상을 종합적으로 이해해 궁극적으로 ELM 현상을 효과적으로 제어할 수 있게 됐습니다.”


2017 KSTAR ELM 제어 연구성과 ▶ ELM 제어 주역들 이구동성 "KSTAR 시대 열렸다"

 

 

2017년 KSTAR는 해외 핵융합 장치들의 3~4초대 ELM 제어 기록에 비해 10배 정도의 제어 능력을 보여줬다.

 

 


기존의 틀을 깨자 새로운 핵융합 패러다임 열려


“박종규 박사가 기존의 방법론과는 전혀 다른 방법을 제시한 것도 놀라웠는데, 그가 예측에 기초하여 제시한 방법과 수치가 KSTAR 실험 데이터와 매우 잘 일치해 더욱 놀라웠습니다. 한마디로 기존의 틀을 깨는 결과였습니다.”

 

 KSTAR연구센터와 미국 PPPL(Princeton Plasma Physics Lab)의 박종규 박사는 ELM 현상을 조절하기 위해서는 토카막 내부 플라즈마가 갖는 대칭성을 ‘특정한’ 구조로 ‘충분히’ 변화시켜야 한다는 데 주목했습니다. 도넛 모양의 구조인 토카막은 특성상 회전, 좌우, 위아래 등 다양한 대칭이 존재하는데요. 3차원 비대칭 자기장을 ‘특정한’ 구조로 적용하면, 이 중 도넛 가운데를 관통하는 가상의 축을 기준으로 한 대칭을 일부 변형시켜, 플라즈마의 불자기유체역학적 안정성이나 플라즈마 수송 특성을 변화시킬 수 있습니다. 

 

 KSTAR는 그동안 수많은 시행착오를 거치며 3차원 자기장의 세기나 특유의 구조를 조절해 ELM을 제어하고 운전시간을 늘려왔습니다. 하지만 박종규 박사는 이러한 세기나 구조를 효과적으로 최적화하는 이론적으로 간단한 방법을 제시할 수 있었고, 특히 지금까지의 상식을 깨고 ‘매우 특별한 구조의 3차원 자기장을 이용하는 경우, 3차원 자장코일의 전류세기를 줄이는 과정에서 ELM 억제를 달성할 수 있다’는 혁신적인 아이디어를 제시하였고, 실제 KSTAR 실험을 통해 이를 성공적으로 증명해낼 수 있었습니다.
 
 즉, 공동연구팀은 핵융합로 중심부와 경계 영역에서 자기장의 구조와 세기를 서로 조율시킴으로써 ELM을 억제할 수 있다는 사실을 발견하고, KSTAR를 이용해 플라즈마 비대칭성을 정교하게 조절하여 불안정성 및 수송 특성을 변화시키는 이론 모델을 만들었습니다. 또 KSTAR 실험으로 ELM 현상을 정밀하게 설명하고, 나아가 어느 정도 세기일 때 좋은 운전성과가 나오고 ELM을 억제할 수 있을지 예측 가능함도 확인하였습니다. 높은 신뢰도로 결과를 예측할 수 있고, 기존에 생각하지 못한 방법으로 최적의 결과를 도출할 수 있음을 알게 된 것이죠. 

 

자기장의 안정 운전영역 비교. (a) 플라즈마 반응을 고려한 결과, (b) 플라즈마 반응을 고려하지 않은 기존 모델 해석 결과. 연구팀은 특정한 3차원 자기장을 크게 만들었다 줄여서 특정영역에 도달하게 하면 ELM이 제어된다는 가설을 세웠고 KSTAR 실험을 통해 이론과 부합하는 결과를 증명했다.

 


“지금까지는 플라즈마 반응을 고려하지 않고 3차원 구조 자장을 설계하고 해석했지만, 새로운 통합이론을 적용하면 오차자장과 ELM 제어, 플라즈마 수송에 미치는 영향을 최적화할 수 있는 설계가 가능합니다. 나아가 토카막 방식의 핵융합 장치뿐만 아니라 스텔러레이터 방식의 핵융합 장치에도 적용이 가능합니다.”

 

 전영무 팀장은 이번 발표가 핵융합 플라즈마의 3차원 비대칭 물리연구의 패러다임을 바꾸는 계기가 될 것이라고 공언했습니다. 기존 3차원 자기장과 플라즈마 연구의 틀을 바꾼 이번 연구는 ITER와 K-DEMO 등 차세대 핵융합 장치 설계의 새로운 비전을 제시했습니다. 나아가 핵융합 발전의 난제를 해결하기 위해서는 다르게 접근하고 사고의 전환을 꾀해야 한다는 패러다임의 변화를 이끌 전망입니다.  

 

2018년 캠페인을 통해 새로운 도전에 나선 KSTAR연구센터

 

 
새로운 가능성의 발견, 왜 KSTAR였을까?


 네이처 물리학에 발표된 논문은 PPPL의 박종규 박사가 제1저자로, 국가핵융합연구소의 전영무 박사 외 4명이 주기여자로 참여했습니다. PPPL에서도 핵융합장치 DIII-D를 이용한 활발한 핵융합 연구가 진행되고 있는데, 왜 한국의 KSTAR여야 했을까요? 

 

 그 답은 KSTAR의 3차원 자기장 코일에 있습니다. KSTAR는 세계에서 유일하게 축 방향으로 3열의 3차원 자기장 코일을 제작하여 활용 중인 핵융합 장치입니다. 3열의 3차원 자기장 세기를 어떻게 조절하느냐에 따라 외부자기장이 플라즈마와 반응하여 증폭하는 공명자기장과 전혀 반응하지 않는 비공명자기장을 효과적으로 분리·조절할 수 있는 등 독창적인 3차원 자기장 연구가 가능합니다. 2011년 ELM 붕괴 완벽 억제에 성공한 이후 ELM 연구를 선도해 온 비결 역시 3차원 자기장을 3열로 설계해 세상에서 가장 정확하게 제작한 KSTAR 장치의 우수성에 기반을 두고 있습니다. 다시 말해 KSTAR는 공명자기장과 비공명자기장을 가장 이상적으로 통제하여 새로운 이론을 검증할 수 있는 유일한 장치였습니다.

 

2018캠페인 중 핵융합연에 할당된 실험일은 34.5일, 국내공동연구와 국제공동연구에 각각 14일과 22.5일이 배정돼 전체 실험의 50%가 공동연구로 진행됨을 알 수 있다. KSTAR에 대한 국내외 연구진의 높은 관심이 엿보인다.


 KSTAR는 해마다 새로운 연구 목표와 방향을 정하고 국내외 연구진의 실험적이고 도전적인 제안을 반영해 캠페인을 기획합니다. 박종규 박사도 해마다 공동연구를 제안하고 캠페인에 참여하여, 3차원 비대칭 자기장에 대한 플라즈마 반응 물리모델을 개발하기 위해 노력해 왔습니다. 이러한 과정이 기반이 되어 연구팀은 지난 2017 캠페인에서 ITER 초기 운전 조건과 34초 ELM 제어 동시 구현을 실현했으며, 관련 성과가 ‘네이처 물리학’에 발표되자 더 많은 해외 전문가들이 KSTAR 캠페인에 참여를 희망하고 있습니다. 

 

 기존의 틀을 깨는 새로운 통찰과 이론은 어느 한 사람의 아이디어로 갑자기 만들어지지 않습니다. 수년간 비전을 갖고 해결해야할 문제들을 정의하고 해법을 찾는 과정에서 맺은 결실입니다. 지난 9월 4일 2만 샷을 달성한 KSTAR는 2018년 현재도 새로운 물리실험으로 핵융합의 내일을 준비하고 있습니다. 이렇게 차곡차곡 쌓아 올린 실력은 2020년 장치 업그레이드를 통해 상용화를 향한 또 하나의 진전을 이뤄 내리란 기대입니다.  

 

플라즈마 20000샷 달성에 성공한 KSTAR 연구센터. 초전도 토카막 장치의 특성을 이용한 도전적인 연구성과들이 핵융합의 비전을 제시해 왔다.

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