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201910.08

상식을 뒤집어 플라즈마 안정성을 높이다

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/998

서울대 나용수 교수팀, 핵융합 플라즈마 가속 및 안정화 기술 개발

 

​태양이 에너지를 내는 원리인 ‘핵융합’ 반응을 지구에서 만들기 위해서는 태양과 같은 상태인 초고온의 플라즈마를 만들고 유지할 수 있어야 합니다. 물질의 네 번째 상태로 불리는 ‘플라즈마’는 전자와 원자핵이 모두 분리되고 뒤섞여 존재하는 상태입니다. 이러한 플라즈마를 구성하는 입자들은 전기적 성질을 지니고 있어 전기장과 자기장의 영향을 받는데요. 이러한 특성을 이용해 플라즈마를 자기장으로 가두고 핵융합 반응이 일어날 수 있도록 개발한 장치가 바로 ‘토카막’입니다.

 

하지만 이 토카막에서 초고온 플라즈마를 자기장으로 가두는 데에 고질적인 난제가 있었습니다. 그 주범은 플라즈마 입자를 구성하는 ‘이온’이었습니다. 질량이 작은 전자는 수월하게 가둘 수 있지만, 질량이 큰 이온은 매우 작은 자기장의 변화에도 민감하게 반응하여 전자보다 쉽게 플라즈마 바깥쪽으로 이동해 손실이 일어나기 때문이었죠. 이온의 손실은 플라즈마의 회전을 줄여 플라즈마의 안정성을 감소시키고, 결국 효율적인 핵융합 반응을 방해하는 요인이 되었습니다.

 

 

▲ 플라즈마 회전 가속 및 플라즈마 안정화

 

서울대학교 원자핵공학과 나용수 교수 연구팀은 이러한 기존의 상식을 뒤집어 자기장 변화를 이용해 오히려 플라즈마의 회전을 증가시켜 안정화하는 방법을 찾는 데 성공했습니다. 일반적으로 핵융합 성능을 악화시키는 비대칭 자기장을 활용해 전자의 이동을 이온보다 더 크게 만들 수 있는 조건을 찾아낸 것입니다.

 

연구팀은 국가핵융합연구소 KSTAR 연구진과 함께 새롭게 찾은 조건을 초전도 토카막 장치인 KSTAR에서 실험을 통해 최초로 검증하는 데에도 성공했습니다. 뿐만 아니라 실험 결과를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 정량적으로 설명할 수 있는 것을 확인했는데요. 이 연구 성과는 세계적인 물리학 분야 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ Vol. 123에 소개되며, 더욱 안정적인 핵융합 플라즈마를 만들 수 있게 될 거라는 큰 기대를 모았습니다.

 

  

국가핵융합연구소의 핵융합 연구 장치 'KSTAR'

 

나용수 교수는 이번 성과에 대해 “자기장을 이용한 플라즈마 회전 가속 기술은 대규모 핵융합로에서 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 더불어 우리나라와 함께 EU, 미국, 일본, 러시아, 중국, 인도가 참여하고 있는 ‘국제핵융합실험로 ITER’의 실험에도 큰 도움이 될 것입니다”라고 전했습니다.

 

기존의 상식을 뒤집어 플라즈마 성능을 악화시키는 비대칭 자기장이 오히려 도움이 될 수 있게 되었는데요. 거꾸로 생각해보는 용기와 그 지혜에 박수를 보내며, 더욱 안정적인 핵융합 플라즈마 제어 기술 개발로 핵융합에너지 시대가 더욱 가까워지길 기대해보겠습니다.

 

 서울대학교 나용수 교수(좌), 제1저자 양성무 박사(우)
 

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