과학기술정보통신부는 8일 한국핵융합에너지연구원과 서울대 공동연구팀이 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 초고온 핵융합 플라즈마 운전 성과를 분석해 새로운 핵융합 플라즈마 운전방식(mode)을 발견했다고 밝혔다.

이번 연구는 한국핵융합에너지연구원의 ‘초전도핵융합연구장치(KSTAR) 공동실험 및 플라즈마 연구’ 사업과 과기정통부 ‘핵융합선도기술개발사업’의 지원으로 수행했다.

기존 방식 단점을 해결한 미래 핵융합 상용로 운전방식으로 주목받으면서 세계적 국제학술지 네이처(Nature)에 8일 게재됐다.

지구 상에서 태양과 같이 핵융합 반응으로 에너지를 만들기 위해서는 초고온·고밀도 상태의 플라즈마를 핵융합로에 장시간 안정적으로 가두는 기술을 확보하는 것이 핵심이다.

▲ 초전도 핵융합 연구장치(KSTAR) 장치 개요(사진=과학기술정보통신부)  ©

가장 대표적인 플라즈마 운전 방법은 고성능 플라즈마 운전 모드라고 불리는 ‘H-모드’로, 이는 상용로 운전을 위한 기본 핵융합 플라즈마 운전 방법으로 고려되며 차세대 운전 방법 개발의 기준 지표가 되고 있다.

하지만 H-모드에서는 플라즈마 가장자리에 형성되는 장벽을 활용하기 때문에 가장자리의 압력이 임계치를 넘어가 풍선처럼 터지는 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM)이 발생하므로 핵융합로 내벽에 손상을 일으킬 수 있다.

이에 핵융합 연구자들은 ELM을 제어하는 방법을 연구하면서 더욱 안정적인 플라즈마 운전 모드를 찾기 위해 노력하고 있다.

국내 연구진은 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 운전데이터 분석과 시뮬레이션 검증을 통해 플라즈마 가열시 발생한 고속이온이 플라즈마 내부의 난류를 안정화시켜 플라즈마 온도를 급격히 높이는 현상을 발견하고 이를 새로운 운전모드인 ‘FIRE 모드’로 명명했다.

이는 기존 H-모드 대비 플라즈마 성능을 개선함과 동시에 H-모드의 단점인 경계면 불안정 현상(ELM)이 발생하지 않고, 운전 제어도 용이하다는 장점이 있어 미래 핵융합 상용로의 플라즈마 운전 기술 확보를 위한 새로운 가능성을 열었다.

▲ FIRE 모드 상태의 플라즈마 단면 온도. (사진=과학기술정보통신부)  ©

특히 이번 연구성과는 지난 몇 년 동안 초전도핵융합연구장치(KSTAR)에서 달성한 초고온 플라즈마 장시간 운전 성과의 독창성이 일반 학계에서도 인정받았다는 것에 의의가 있다.

아울러 고속이온의 물리적 이해를 바탕으로 향후 국제핵융합실험로(ITER) 및 핵융합 실증로 운전 기술 개발에 기여할 것으로 기대하고 있다.

나용수 서울대 교수는 “FIRE 모드는 예측한 대로 실험이 진행되지 않았던 실패한 실험 결과를 분석하다가 새롭게 얻어진 창의적인 결과물로 한국의 핵융합 연구가 기존과 다른 독창적인 방식으로 이뤄질 수 있음을 보여준 사례”라고 강조했다.

이어 “이러한 초고온 플라즈마 운전 영역 발견은 초전도핵융합연구장치(KSTAR)가 초정밀도로 건설되었기에 가능했던 결과이자 국내외 대학과 연구소의 긴밀한 협력으로 가능했다”고 밝혔다.

한현선 핵융합(연) 박사는 “이번 연구성과는 플라즈마의 밀도·온도·가둠시간이라는 핵융합 실현의 세 가지 조건 중에서도 특히 온도 측면에 집중해 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 가열 성능을 플라즈마 중심부에 집중시키는 새로운 접근이 있었기에 가능했던 결과”라고 설명했다.

그러면서 “FIRE 모드와 고속이온에 대한 추가 연구를 통해 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 1억도 초고온 플라즈마 운전성능 및 지속시간도 더욱 향상될 수 있을 것으로 기대된다”고 덧붙였다.