차세대 '핵융합' 연구 돌파구, 한국이 또 뚫었다

안정성-성능 높인 운전 방법 'FIRE 모드' 발견
국제학술지 '네이처'에 게재, 전세계가 주목
핵융합 발생 이온 온도 1억도 지속 시간 연장으로 이어질 지 주목

초전도핵융합연구장치 KSTAR

[아시아경제 김봉수 기자] 차세대 무공해 에너지원으로 주목받고 있는 핵융합 연구에서 한국이 또 하나의 진전을 이뤘다.

8일 과학기술정보통신부에 따르면, 한국핵융합에너지연구원과 서울대 공동 연구팀이 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 초고온 핵융합 플라스마 운전 성과를 분석해 새로운 핵융합 플라스마 운전방식(mode)을 발견해 국제학술지 네이처에 이날 게재됐다.

핵융합 연구는 지구상에서 태양과 같이 핵융합 반응으로 에너지를 만들기 위한 연구다. 초고온·고밀도 상태의 플라스마를 핵융합로에 장시간 안정적으로 가두는 기술을 확보하는 것이 핵심이다. 가장 대표적인 플라스마 운전 방법은 고성능 플라스마 운전 모드라고 불리는 H-모드(High Confinement mode)다. 상용로 운전을 위한 기본 핵융합 플라스마 운전 방법으로 차세대 운전 방법 개발의 기준 지표가 되고 있다.

문제는 H-모드에서는 플라스마 가장자리에 형성되는 장벽을 활용하기 때문에 가장자리의 압력이 임계치를 넘어가 풍선처럼 터지는 플라스마 경계면 불안정 현상(ELM)이 발생해 핵융합로 내벽에 손상을 일으킬 수 있다는 것이다. 이에 핵융합 연구자들은 ELM을 제어하는 방법을 연구하는 한편, 더욱 안정적인 플라스마 운전 모드를 찾기 위해 노력하고 있다.

이에 나용수 서울대 교수, 한현선 핵융합연 박사 등 연구팀이 열쇠를 얻어 냈다. 연구팀은 현재 핵융합연이 운영 중인 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 운전데이터 분석과 시뮬레이션 검증을 통해 플라스마 가열 시 발생한 고속이온(높은 에너지의 입자들)이 플라스마 내부의 난류를 안정화해 플라스마 온도를 급격히 높이는 현상을 발견해 이를 새로운 운전 모드인 ‘FIRE(Fast Ion Regulated Enhancement) 모드’로 명명했다.

기존 H-모드 대비 플라스마 성능을 개선함과 동시에 H-모드의 단점인 경계면 불안정 현상(ELM)이 발생하지 않고, 운전 제어도 용이하다.

연구팀은 "미래 핵융합 상용로의 플라스마 운전 기술 확보를 위한 새로운 가능성을 열었다"면서 "지난 몇 년간 초전도핵융합연구장치(KSTAR)에서 달성한 초고온 플라스마 장시간 운전 성과의 독창성이 일반 학계에서도 인정받았다는 것에 의의가 있다"고 설명했다.

핵융합연은 지난해 이온온도 1억도의 초고온 플라스마 30초 연속운전에 성공해 세계 최고 기록을 세운 바 있다. 이번 연구팀의 FIRE 모드 발견은 고속이온의 물리적 이해를 바탕으로 향후 국제핵융합실험로(ITER) 및 핵융합 실증로 운전 기술 개발에 기여할 것으로 기대하고 있다.

연구팀은 “FIRE 모드는 예측한 대로 실험이 진행되지 않았던 실패한 실험 결과를 분석하다가 새롭게 얻어진 창의적인 결과물"이라며 “FIRE 모드와 고속이온에 대한 추가 연구를 통해 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 1억도 초고온 플라스마 운전성능 및 지속시간도 더욱 향상될 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr