|
|
|
|
UNIST(총장 정무영) 연구진을 비롯한 국내 연구자들이 세계 핵융합 연구에서 30년간 풀지 못한 핵융합계 난제에 대한 새로운 해석을 발표해 주목받고 있다. 박현거 UNIST 핵융합플라즈마물리연구센터 센터장(UNIST 자연과학부 교수)과 윤건수 POSTECH 교수 공동 연구팀은 자기장에서 만들어진 난류(turbulent flow, 亂流)가 ‘핵융합 플라즈마 경계면 불안정성 현상(Edge-Localized Mode, ELM)’을 억제하는 원리를 밝혀내는 데 성공했다. 이번 연구에는 초전도핵융합연구장치(KSTAR)에 UNIST 센터 주도로 설치 운영 되는 최첨단 3차원적 전자온도 영상장치가 활용됐다. 미래 에너지원인 핵융합 에너지를 실현시키는 데는 자기장을 이용해 고온의 플라즈마(plasma)를 가둬 두는 용기인 토카막(tokamak)이 가장 효율적이다. 한국형 토카막 연구장치인 KSTAR는 역사상 가장 정확하게 만들어져 연구용으로는 최적이며, KSTAR보다 10배쯤 부피가 큰 국제 핵융합 실험로(ITER)는 실증로 바로 전의 장치이다. 토카막 장치에 갇힌 플라즈마는 언저리와 토카막 벽 사이의 큰 압력 차이 때문에 불안정하다. 특히 핵융합 플라즈마 경계면에는 두루마리구름처럼 규칙적인 모습을 가진 운전에 해로운 불안정성 현상인 ELM(Edge Localied Mode)가 나타난다. ELM은 플라즈마 가장자리를 붕괴시켜 안정적인 핵융합 반응을 방해한다. 이 때문에 ELM의 이해와 제어가 세계 핵융합계에서 중요한 문제로 다뤄졌다. 박현거 센터장을 비롯한 한국 연구진은 최근 몇 년간 KSTAR에서 자장섭동을 이용한 ELM 억제 실험에서 독보적인 성과를 거둬왔다. 특히 이번 연구로 자기장으로 플라즈마를 제어할 때 생기는 작은 소용돌이 형태의 난류가 ELM에 의한 플라즈마 붕괴를 막을 수 있다는 걸 밝혀냈다. 토카막 제어용 자기장이 작은 소용돌이 형태의 난류(난류성 와류)를 발달시키고, 이 난류들이 ELM 성장을 방해한다는 내용이다. 기존 ELM 연구에서도 토카막 제어용 자기장이 ELM을 완화시키는 실험 결과가 발표된 적은 있다. 하지만 이런 현상이 왜 일어나는지에 대한 구체적인 원리까지 밝힌 건 이번이 처음이다. 이번 논문에 제1저자로 참여한 이재현 UNIST 핵융합플라즈마물리연구센터 박사 후 연구원은 “특히 제어용 자기장이 ELM 발생 자체를 막지 못한다는 점은 기존에 알려진 이론이나 시뮬레이션 결과와 다른 점”이라며 “핵융합 플라즈마 분야 연구자들에게 시사하는 바가 크다”고 설명했다. 이재현 박사는 “이번 연구로 KSTAR에 설치한 3차원 전자온도 섭동영상 진단장치로 기존에 관측하기 어려웠던 난류에 대해 살필 수 있었다”며 “핵융합 난제 중 하나인 제어용 자기장과 ELM 억제의 상관관계를 밝히는 실마리를 제공했다는 점에 의의가 있다”고 말했다. 박현거 교수는 “이번 연구 결과들은 ELM을 제어하는 최적의 방법인 자장섭동 방식의 근본 원인을 밝혀 예측 가능한 해로운 불안정성 제어 개발에 초석이 될 것”이라며 “KSTAR가 핵융합 고온 플라즈마 연구의 패러다임을 바꾸는 역할을 하고 있음을 입증한 사례로도 의미가 있다”고 강조했다. 이번 연구 결과는 물리학 분야 최고 권위의 학술지, ‘피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)’ 8월 12일자에 게재됐다. 연구 지원은 미래창조과학부 한국연구재단 핵융합연구개발 사업을 통해 이뤄졌다. (끝)
|
|
|
|
[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경태양 에너지의 원천은 핵융합 반응이다. 태양은 엄청난 질량에서 나오는 중력이 고온의 이온을 잡아 가둠으로써 핵융합 에너지를 가질 수 있다. 지구에서 핵융합 반응을 일으키려면 수천만~수 억℃ 이상 고온 플라즈마(plasma)를 충분한 시간 동안 가둘 수 있어야 한다. 하지만 지구상에 존재하는 어떤 재료로 용기를 만들어도 고온의 플라즈마를 가둘 수 없다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 토카막(tokamak)이라고 불리는 도넛 형태의 강력한 자기장 용기를 고안했다. 우리나라 역시 자기장 가둠 핵융합 시스템을 구현하려는 연구가 국가핵융합연구소(NFRI)의 한국형 핵융합 연구장치인 ‘KSTAR 토카막’을 중심으로 활발히 진행되고 있다. 자기장 용기에 갇힌 고온의 플라즈마 표면은 바깥과 압력․온도 차이가 크다. 이 때문에 많은 종류의 유체(fluid, 流體)와 난류(turbulent flow, 亂流) 현상이 일어난다. 이를 고온 플라즈마의 경계면 불안정성 현상(edge-localized mode)이라 부른다. 이 현상은 하늘의 두루마리구름처럼 비교적 규칙적인 패턴으로 나타지만, 풍선이 갑자기 터지듯 주기적으로 붕괴해 플라즈마의 에너지 손실을 일으키기도 한다. 이로 인해 토카막 내벽이 손상될 수 있다. 따라서 안정적인 핵융합 반응과 장치 안전을 위해서는 반드시 경계면 불안정성 현상의 발생이나 붕괴 현상을 억제해야 한다. 다수의 토카막 장치에서 지난 30년 동안 경계면 불안정성 현상의 발생 및 붕괴원인과 제어 방법을 연구해왔다. 최근에는 외부의 제어용 자기장을 이용해 불안정성 현상을 억제하는 데 성공했다. 하지만 그 원인이 무엇인지, 어떻게 불안정성 현상이 억제되는지에 대해서는 아직 정확하게 밝혀지지 않았다. |
2. 연구내용현재 우리나라의 KSTAR 토카막은 경계면 불안정성 현상의 제어 기술을 시험하는 연구를 선도하고 있다. 특히 UNIST와 POSTECH이 공동으로 ‘고속의 3차원 전자섭동 영상 진단장치’를 이용해 경계면 불안정성 현상의 공간적인 구조 및 동역학적 변화 과정을 밝혀내는 성과를 거두고 있다. 이번 연구는 최첨단 3차원 전자섭동 영상 진단장치를 이용해 외부 자기장을 인가해 경계면 불안정성 현상을 억제시킨 핵융합 플라즈마의 시공간적 변화를 관측해 얻은 결과다. 관측 결과, 필라멘트 모양의 경계면 불안정성 현상은 외부 자기장이 인가된 뒤 그 세기가 점차 감소했다. 본 연구진은 이런 변화는 경계면 불안정성 현상 주변의 난류성 와류와 큰 관계가 있다는 걸 실험 데이터 분석을 통해 밝혀냈다. 난류성 와류는 불안정성 현상과 함께 플라즈마 언저리에 존재한다. 이 와류가 불안정성 현상과 비선형적으로 상호작용해 불안정성 현상에서 나타나는 붕괴를 저해시켜 준안정적 상태로 만드는 것이다. 이는 목성 표면의 거대 붉은 점(Red Giant Spot)이 난류와 상호작용하면서 안정적인 구조로 유지되는 것과 비슷한 현상이라 할 수 있다. |
3. 기대효과수십 년 동안의 연구에도 불구하고, 고온 핵융합 플라즈마의 경계면 불안정성 현상을 어떻게 효과적으로 제어할 수 있는지 그리고 어떻게 불안정성 현상이 억제되는지에 대해 실마리를 찾기 힘들었다. 이번 연구는 외부 자기장 섭동이 어떻게 불안정성 현상을 억제할 수 있는지에 대해 새로운 관점을 확실하게 보여준 첫 사례라고 할 수 있다. 이번 연구를 통해 발견한 새로운 관점은 경계면 불안정성 제어를 이해하고, 최적의 조건을 찾아 핵융합 플라즈마 성능을 향상시키는 데 일조할 것이다. 이는 우리나라 KSTAR의 핵융합 물리연구의 위상을 높일 수 있는 연구 성과인 동시에 앞으로 건설될 국제 핵융합 실험로(ITER)의 성공적인 운영에 크게 기여할 것으로 기대된다. |
|
[붙임] 용어설명 |
1. 플라즈마(Plasma)초고온의 음전하를 가진 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 기체 상태를 말하며 흔히 고체, 액체, 기체와 더불어 “제4의 물질 상태”라고 부른다. 2. 토카막(tokamak)핵융합 플라즈마를 담아두는 용기로서, 1950년대 초반 구소련에서 고안됐다. 외부 자기장 코일과 함께 플라즈마의 유도전류를 사용해 나선모양의 자기장을 만들고, 이를 이용해 플라즈마를 오랜 시간 동안 가둘 수 있다. 3. 경계면 불안정성 현상(Edge-localized mode)플라즈마와 토카막 내벽의 급격한 온도 및 압력구배로 인해 발생하는 전자기유체역학적 불안정성 현상이다. 4. 초전도핵융합연구장치(KSTAR)‘KSTAR’는 ‘한국형 초전도 토카막 연구 장치(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)’의 영문 첫 글자를 딴 약자로 핵융합 발전을 연구하기 위해 한국에서 독자적으로 설계 및 개발된 실험 장치다. 5. 국제핵융합실험로(ITER)국제열핵융합실험로(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)는 국제 토카막 실험로로 현재 프랑스에 건설되고 있다. 핵융합 발전의 과학적, 기술적 가능성을 보여주기 위해 7개 참여국(미국, 러시아, 중국, 인도, 일본, 유럽연합, 대한민국)이 힘을 모아 제작 중인 역사상 가장 큰 규모의 국제공동연구개발사업이다. 6. 전자온도 영상 진단장치(Electron Cyclotron Emission Image[ECEI])자기장에 따라 변하는 전자의 회전 주파수를 분석해 플라즈마 내 온도 변화를 측정하고 영상화시키는 진단장치. 3차원 영상 진단장치를 적용해 입체적인 ELM 현상을 촬영할 수 있어 ELM의 생성 원인과 과정 등을 보다 효과적으로 분석할 수 있었다. KSTAR 거점센터인 UNIST와 POSTECH이 개발해 현재 세계에서 유일하게 KSTAR에 설치, 운영 중이다. |
|
[붙임] 그림 설명 |
|
그림 1. 핵융합 플라즈마의 경계면 불안정성 현상이 외부 자기장이 들어온 뒤 억제되는 그림(위쪽)과 이 때 플라즈마 변화를 3차원 전자섭동 영상 진단장치로 관측한 결과(아래쪽). 위쪽 그림에서 붉은 선은 자기장의 세기를 나타낸다. 자기장 세기가 커질수록 플라즈마 경계면 불안정성 붕괴 때문에 나오는 신호가 줄어드는 걸 볼 수 있다. 아래쪽 그림에서 밝은 색으로 보이는 부분이 경계면 불안정성 현상이다. 오른쪽으로 갈수록 자기장 세기가 높아진 상태인데, 불안정성 붕괴는 억제되었으나 불안정성 모드 자체가 제거되지는 못하고 여전히 남아 있는 모습을 보여준다. 이는 기존 이론이나 시뮬레이션에서 예상했던 것과는 다른 결과다.
그림 2. (a)관측된 경계면 불안정성 현상과 주변에 존재하는 난류성 와류의 시간변화에 따른 세기를 보여주는 그림. 노란 색은 외부 자기장의 세기이고, 빨간 색은 난류성 와류의 세기를 모두 더한 값을 나타낸다. 파란 색은 경계면 불안정성 현상의 전체 세기다. 외부 자기장이 증가하면서 경계성 불안정성 현상은 감소하는 반면, 난류성 와류의 세기는 증가하는 걸 볼 수 있다. (b) 실험 결과를 분석해 얻은 난류성 와류의 분산 관계를 통해 두 모드가 동시에 존재하고 있음을 보여주고 있다.
그림 3. 이중 스펙트럼 추정을 통해 계산된 경계면 불안정성 모드와 와류성 난류 사이의 상관관계를 보여주는 그림. 두 현상 사이에 비선형적인 상호작용이 있음을 보여주는 그림이다. 만약 두 현상 사이에 상호작용이 없다면 그래프 상에 특별한 형상이 나타나지 않게 된다. |
|
UNIST 홍보대외협력팀 newscenter@unist.ac.kr TEL : 052)217-1234FAX : 052)217-1229 |
