Plasma Laboratory for Advanced Research
나용수 서울대 원자핵공학과 교수 연구진은 자기장의 변화가 역으로 플라즈마 회전을 증가시키는 데 착안하여 일반적으로 핵융합 성능을 악화시키는 비대칭 자기장을 활용해 전자의 이동을 이온보다 더 크게 만들 수 있는 조건을 찾아낸 것이다. 이를 통해 더욱 안정적인 핵융합 플라즈마를 만들 수 있음을 국내 토카막 장치인 KSTAR 연구팀과의 공동 실험을 통해 최초로 검증하는 데 성공했다.
나용수 교수는 “이번에 검증한 비대칭 자기장에 의한 플라즈마 회전 가속 기술은 대규모 핵융합로에서 매우 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”라며 “연구 결과는 우리나라와 함께 유럽연합, 미국, 일본, 러시아, 중국, 인도가 참여하고 있는 국제핵융합실험로(ITER)에 매우 큰 파급력을 지닐 것”이라고 말했다.
문병도 기자 do@newsworks.co.kr
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서울대 공대는 유민구 미국 프린스턴대 플라스마물리연구소(PPPL) 박사후연구원이 한국물리학회가 수여하는 ‘플라스마물리학 신진과학자상’을 수상했다고 21일 밝혔다.
플라스마물리학 신진과학자상은 한국의 플라스마 물리학계에 크게 기여할 것으로 기대되는 신진연구자에게 주어지는 상이다. 유 연구원은 서울대 원자핵공학과 박사과정에 재학중이던 2018년, 지도교수인 나용수 교수와 함께 도넛 모양에 속이 빈 핵융합 장치인 ‘토카막’에서 초기에 플라스마가 만들어지는 ‘시동’ 현상의 근본적인 원리를 세계 최초로 밝혀낸 공로로 수상자로 선정됐다.
유 연구원은 핵융합 초기 시동 현상을 설명하는 기존의 전통 이론에 모순이 있음을 발견했다. 기존 이론에서는 강한 자기장이 없는 경우만을 설명하고 있는데, 토카막은 전자석을 가득 배치해 자기장이 강한 환경으로 이론을 적용하기 힘들었다.
연구팀은 이 모순을 수정하기 위해 독자적으로 입자에 기반한 3차원 시뮬레이션 기술을 개발하고, 이를 한국의 핵융합실험장치인 KSTAR에서 실험을 통해 검증했다. 그 결과 초기 시동 시 플라스마가 스스로 강한 전기장과 난류현상을 생성한다는 사실을 새롭게 밝혔다. 연구 결과는 지난해 8월 말 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 발표됐다.
유 연구원은 “앞으로 국내 플라스마 분야 연구를 세계적 수준으로 이끌도록 노력하겠다”고 소감을 밝혔다.
윤신영 기자 ashilla@donga.com
유민구 서울대 원자핵공학과 연구원과 나용수 교수팀은 기존의 플라스마 형성 이론을 대체할 새로운 핵융합 플라스마 형성 이론을 만들고 이를 실험으로 증명해 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 8월 30일자에 발표했다. 국내 핵융합 연구팀이 네이처 자매지에 관련 연구를 게재한 것은 유 연구원과 나 교수팀이 처음이다.
연구팀은 기존의 핵융합 플라스마 형성 이론이 강한 자기장이 없는 시스템에서만 통하는 이론이라는 사실에 주목하여 실험 결과와 이론 사이에 차이가 크다는 사실을 발견해 이론을 개선할 필요가 있음을 확인했다.
유 연구원과 나 교수는 토카막 특유의 복잡한 전자기 구조를 고려한 새로운 플라스마 형성 이론을 구상했다. 토카막 안에서는, 플라스마가 마치 트랙을 도는 육상선수처럼 도넛 모양의 원형 대칭 구조 안을 뱅글뱅글 돈다. 이 과정에서 자유전자가 다른 물질(기체)과 부딪히면서 다시 자유전자를 만들고 이들이 다시 ‘트랙’을 돌며 가속돼 기체와 충돌하며 기하급수적으로 전자수가 증가하는 ‘전자눈사태(electron avalanche)’라고 부르는 현상이 일어난다.
그런데 연구팀은 자기장이 강한 토카막 안에서 이 현상이 반복돼 플라스마가 일정 밀도 이상으로 늘어나면 갑자기 이 저절로 전자눈사태 현상이 줄어들고, 대신 수직 방향으로 힘이 발생하며 난류가 생기고 퍼진다는 사실을 발견했다. 가지런히 트랙을 돌던 육상선수가 갑자기 축구장 안팎으로 뛰며 끼리끼리 뭉치고 섞이는 현상이 나타나는 식이다.
연구팀은 이 현상이 핵융합 플라스마 발생 과정에 핵심이 된다는 사실을 이론으로 만들고, 이를 시뮬레이션 모형으로 계산했다. 그 뒤 국가핵융합연구소가 보유한 실험용 핵융합로인 케이스타(KSTAR)의 실제 실험 데이터와 비교해 기존 이론보다 더 정확히 플라스마 밀도와 전기적 구조를 설명하고 발생 과정도 더 잘 재현한다는 사실을 확인했다.
나 교수는 “한국, 미국, EU 등 7개국이 프랑스에서 공동 개발 중인 국제핵융합실험로(ITER·이터) 등 미래 핵융합로의 플라스마 발생 과정을 최적화하는 데 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
윤신영 기자 ashilla@donga.com