[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

인공태양으로 불리는 핵융합1) 반응에서 방출된 에너지를 활용하는 방식에는 여러 접근법이 있다. 그중 대표적인 방식으로는 전자석의 자기장을 활용해 플라즈마2)를 가두는 ‘토카막(tokamak)’3) 방식, 레이저를 이용한 관성밀폐 방식(inertial confinement fusion) 등이 있으며, 전 세계적으로 다양한 장치가 연구 중이다.

한국에서는 한국핵융합에너지연구원(KFE)을 중심으로 초전도자석4) 을 이용해 강력한 자기장을 형성하고, 그 안에 플라즈마를 가두는 토카막 장치인 KSTAR의 개발과 운전 연구가 진행되고 있다. KSTAR는 플라즈마를 수억 도로 가열해 태양 내부와 유사한 상태를 만들고, 그 플라즈마를 자기장으로 공중 부양해 융합로와 직접 접촉하지 않도록 제어한다. 이 같은 방식으로 이온온도 1억 도의 초고온 플라즈마를 48초간 유지, 고성능 플라즈마를 102초간 안정적으로 유지한 바 있다.

높은 온도의 플라즈마를 얻기 위해 KSTAR에서는 다양한 가열 장치를 사용하는데, 그 중 대표적인 것이 중성입자빔5)이다. 고속으로 가속된 중성 입자를 토카막 안으로 쏘아 플라즈마를 뜨겁게 달구는 것이다. 고속의 중성 입자는 플라즈마 입자와 충돌하여 전자를 잃고 이온이 되는데, 토카막 장치의 자기장에 붙들려 내부에서 표류하며 가진 에너지를 주변 플라즈마에 전달하며 점차 감속한다.

고속 이온은 간혹 자기장의 구속에서 벗어나 토카막 장치 내벽의 취약한 부분에 부딪히기도 한다. 실제 전기를 생산하기 위한 상용화 단계의 높은 출력의 핵융합 장치의 운전에서, 초고성능·초고온 플라즈마에 도달하기 위해 중성입자빔이 보다 높은 출력·시간으로 주입될 경우, 구속에서 벗어난 고속 이온들이 내벽 온도를 높여 손상을 가져올 수 있어, 핵융합로 내벽이 고속 이온들에 노출되지 않도록 방지하고 더 많은 전기를 더 적은 비용으로 뽑아내는 최적의 가열 방법을 고안할 융합로 운전 계획이 필요하다.

2.연구내용

중성입자빔 가열 시 발생하는 고속 이온이 토카막 내벽에 부딪히는 분포와 가하게 되는 에너지를 실제 KSTAR 장치의 CAD6) 데이터를 기반한 내벽 형상에서 평가하기 위해, 본 연구에서는 입자 충돌 고속 탐지 알고리즘 개발을 통한 고속 이온의 손실 평가 프레임워크를 구현하였다. 고속 이온에 대한 내벽의 취약부는 주로 토카막 내벽의 작은 틈, 돌출부, 냉각 파이프, 고가의 소형 진단 장비 등 국소적인 경우가 많은데, 기존 선행 연구에서 2차원 단면에 대한 고속 입자 충돌 분포만을 확인할 수 있어 실험에서 관찰되는 이온-내벽 충돌 위치나 에너지 전달을 평가하기에는 한계가 있었다. 하지만 본 연구의 충돌 알고리즘을 통하여 3차원 실제 장치의 국소적 손상과 직결된 부분에 대해서도 분석 가능하게 되었다.

본 연구는 KSTAR 장치의 실제 CAD 데이터를 활용하여 CAD 형상 표면을 본떠 삼각형 격자 구조를 만들고, 해당 격자와 중성입자빔 가열 유발 고속 이온의 경로(KFE의 NuBDeC 코드 사용하여 경로 계산) 사이의 교점을 고속으로 탐지하기 위해 충돌 탐지 프로세스를 ‘브로드 단계(board phase)’와 ‘네로우 단계(narrow phase)’로 나누는 전략을 선택하였다.

브로드 단계는 간단하고 빠른 계산으로 불필요한 충돌 계산을 선별하여 생략하는 것이다. 이온화된 고에너지 중성입자들이 핵융합로 내벽에 충돌하는지를 확인하기 위해 수많은 입자 궤적들을 추적 시뮬레이션하는 몬테카를로(Monte Carlo) 기법이 주로 사용된다. 몬테카를로 기법은 다양한 속도 분포를 가진 입자 각각에 대해 자기장에 의한 로렌츠 힘이 반영된 뉴턴의 법칙을 반복적으로 풀어 고에너지 입자의 궤도를 예측한다. 탐색하는 모든 입자가 매 순간 이동할 때마다 내벽과의 충돌 여부 및 충돌 시 정확한 위치를 확인하게 되는데 계산량이 많아 시간이 오래 걸린다. 브로드 단계에서 고속 이온 입자와 삼각형 격자 구조가 너무 멀리 떨어져 있다면, 해당 입자는 충돌이 일어나지 않을 것으로 생각하여 몬테카를로 시뮬레이션의 충돌 탐지 확인에서 제외하고, 아니라면 고속 이온에 충분히 가까운 삼각형들만 골라서 충돌 탐지 계산을 한다. 그림 1-(a)-1에서 처럼, 우선 토카막 내부에 벽면과 닿지 않는 간단한 모양의 폐곡면을 만들고 폐곡면 밖으로 나와 벽면과 가까워진 경우에 대해서만 충돌 계산을 한다.

다음으로 그림 1-(a)-2에서처럼 전체 토카막 영역을 구획화하고 입자가 속한 구획의 삼각형들에 대해서만 충돌 탐지 계산을 수행한다. 이는 컴퓨터 자원을 줄이고 계산을 가속하는 데에 매우 효과적이다. 마지막으로 그림 1-(b)의 네로우 단계를 보는 것처럼, 선별된 삼각형과 입자의 경로 사이의 교점이 있는지, 있다면 어디인지 정확하게 계산한다. 이때는 뮐러 트럼보어 (Möller–Trumbore) 방법론7)을 활용한다.

KSTAR 내벽 위에 충돌한 고속 이온의 충돌 분포가 계산되면 이를 바탕으로 각 충돌로 전달된 에너지를 계산하여 벽면에 가해진 열의 분포를 계산할 수 있다. 해당 결과는 3차원 가시화 소프트웨어를 사용하여 사용자가 CAD 형상을 실제로 회전시키고, 이동/확대하면서 어느 부분에 열이 집중되었는지, 너무 많은 열이 가해지진 않았는지 실제 장비를 보는 것처럼 살펴볼 수 있다. 그림 2에서는 Plotly라는 Python 도구를 통해 시뮬레이션 결과를 가시화한 것이다.

고안한 프레임워크에는 약 6가지 조합의 충돌 탐지 알고리즘을 이식되었고 각 조합별로 시뮬레이션 시간을 비교하였다. 그리고 각 조합의 특성을 활용하여 시뮬레이션 목적에 맞는 충돌 탐지 전략을 세울 수 있음을 확인하였다. 게임 산업에서 실시간으로 쏟아지는 데이터를 효과적으로 처리하기 위해 고안된 다른 여러 알고리즘 또한 해당 프레임워크에 이식될 수 있으며, 게임 개발자가 가상공간에 객체를 만들고 상호작용을 구현하듯이, 핵융합로의 시뮬레이션을 위해 핵융합 반응에 필요한 여러 물리 요소를 객체로 만들어 상호작용을 정의하여 통합 시뮬레이션을 구성할 가능성을 보여주었다.

3.기대효과

이 프레임워크는 KSTAR 실험 장치를 3차원 가상공간에 구현한 디지털 트윈8) 플랫폼인 ‘V-KSTAR(Virtual KSTAR)’9) 상에서 적용되며, 시뮬레이션 결과를 시각적으로 분석하고 평가하는 데 활용되고 있다.

또 이번 연구는 디지털 트윈 기술을 활용해 통합 모델링(integrated modeling) 구현의 출발점이 되는 사례다. 복잡한 물리 현상이 얽힌 핵융합 실험을 분석하는 데 도움을 주며, 이를 직관적으로 시각화함으로써 전문가가 아니더라도 쉽게 이해할 수 있는 공통된 이미지를 형성하는 데 기여할 수 있다. 특히 ITER과 같은 대규모 프로젝트에서 각국의 여러 연구자들에게 공간적·시각적 개념을 공유함으로써 의사소통을 원활하게 만들어주는 도구가 될 수 있다.

또한, 최근 핵융합 장치의 유지보수에 적용이 검토되고 있는 로봇 엔지니어링 분야나, 작업자들이 장치를 진단·운영하는 데 활용할 수 있는 모바일 디바이스 기반 인터페이스와도 접목 가능성이 있다. 특히 플라즈마에서 방출되는 빛이나 입자를 분석해 상태를 파악하는 플라즈마 진단10) 분야에서도,이 기술은 입자 분포와 열 분포 시각화에 기반한 진단 보조 도구로 확장 가능성이 있다. 이를 통해 장치와 사람, 실험과 사용자 간의 경계를 허물고 새로운 소통 방식을 제시하는 기술적 기반으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.핵융합 (Nuclear fusion)

두 개의 원자핵이 결합해 하나의 무거운 원자핵으로 변하면서 막대한 에너지를 방출하는 반응. 태양에서 이러한 반응이 일어나기 때문에 핵융합 발전을 인공태양이라고도 한다.

2.플라즈마 (Plasma)

초고온에서 기체가 전자와 이온으로 분리된 상태. 핵융합 발전에서는 수소 원자핵들이 이온화된 고온의 플라즈마 상태에서 서로 충돌해 융합 반응을 일으키며 에너지를 발생시킨다.

3.토카막 (Tokamak)

초고온 플라즈마를 전자석이 만든 자기장을 이용해 도넛 모양의 공간에 가두어 태양과 유사한 핵융합 반응 환경을 만들어내는 장치.

4.초전도자석

특정 온도 이하에서 전기 저항이 0이 되는 초전도체에 전류를 흘려 열 손실 없이 강력한 자기장을 생성하는 장치다. 일반 전자석보다 에너지 효율이 뛰어나고, 오랜 시간 동안 안정적인 자기장을 유지할 수 있어 핵융합 장치처럼 초고온 플라즈마를 지속적으로 가둬야 하는 환경에 적합하다.

5.중성입자빔 (Neutral Beam)

핵융합 장치 안의 플라즈마를 더 뜨겁게 달구는 데 쓰이는 고속 입자빔. 먼저 기체를 플라즈마 상태로 만들어 전기를 띠는 이온으로 만든 뒤, 이 이온을 강한 전압으로 빠르게 가속해 운동에너지를 부여한다. 이온 상태에서는 토카막 안의 자기장에 영향을 받기 때문에 이를 다시 ‘중성 입자’로 바꿔 토카막 안으로 직접 쏘아 넣는 방식이다. 이 입자들이 플라즈마 속에서 다른 입자들과 부딪히면서 에너지를 전달해 플라즈마의 온도를 높여주는 역할을 한다.

핵융합 반응 자체는 엄청난 열을 발생시키지만, 핵융합 반응이 충분히 일어날 만큼의 고온에 도달하기까지는 외부에서 에너지를 전달해 줘야 한다. 장작에 불이 제대로 붙으면 그 열기만으로 장작이 탈 수 있지만, 장작에 불이 완전히 붙기 전까지는 불쏘시개를 넣어 불을 붙이는 과정과 흡사하다.

6.CAD (Computer-Aided Design, 컴퓨터 지원 설계)

컴퓨터 프로그램을 이용해 손으로 그린 초안이나 프로토타입 대신 물리적 객체의 2차원 또는 3차원 그래픽 표현을 생성, 수정, 해석하는 설계 기법

7.뮐러 트럼보어(Möller–Trumbore) 방법론

토마스 뮐러와 벤 트럼보어가 고안한 알고리즘으로, 삼차원 공간에서 광선과 삼각형의 교차점을 빠르게 계산할 수 있으며, 삼각형이 속한 평면의 방정식을 미리 계산할 필요 없이 수행된다. 이 알고리즘은 컴퓨터 그래픽스 분야에서 삼각형 메쉬를 대상으로 한 광선 추적에 활용된다.

8.디지털 트윈 (Digital twin)

실제 물리적 제품, 시스템 또는 공정을 가상공간에서 그대로 재현한 모델로, 시뮬레이션, 통합, 테스트, 모니터링, 유지보수 등 다양한 목적에 활용된다.

9.V-KSTAR(Virtual KSTAR)

한국형 핵융합 실험로인 KSTAR의 디지털 트윈. 핵융합 연구를 위한 종합 가상 플랫폼으로, KSTAR 주 장치의 가상화, 다양한 핵융합 데이터를 체계적으로 처리, 그리고 통합적으로 시각화하는 기능을 갖추어 KSTAR 연구의 새로운 가능성을 제시한다.

10.플라즈마 진단 (Plasma Diagnostics)

플라즈마의 구성 성분, 밀도, 온도(에너지 분포), 공간적 프로파일 및 동역학적 특성 등을 측정하기 위한 다양한 방법, 기기 및 실험 기법의 총칭

[붙임] 그림설명

그림1. 개발된 2단계 충돌 탐지 기능 기반 고속화 알고리즘. 충돌 탐지 알고리즘의 입자를 걸러내는 단계(a)와 입자의 충돌 좌표를 계산하는 단계(b). (a)-1의 파란색 폐곡선 안의 고속 이온은 KSTAR 내벽과 충돌 가능성 없으므로 충돌 탐지 계산에서 제외. 폐곡선 밖의 고속 이온은 (a)-2 단계에서 같은 검은색 테두리의 구획에 있는 삼각형과의 충돌 여부를 판별. (b)에서 뮐러-트럼보어(Möller–Trumbore) 방법론을 활용하여 실제 충돌 여부와 충돌 지점(좌표)을 계산함.

그림2 고속 이온의 충돌 위치와 에너지 분포. 입자의 충돌로 인한 열 집중 영역을 색상으로 나타낸 이미지로, 특히 내벽의 작은 틈을 통과해 뒤에 있는 가느다란 냉각관 부근까지 영향을 미치는 모습이 확인된다. 오른쪽은 동일 영역을 뮐러-트럼보어(Möller–Trumbore) 삼각형 격자 기반으로 시각화한 형태로, 충돌 위치와 에너지 전달 분포를 정량적으로 분석할 수 있도록 구성되어 있다.

그림3. 고속 이온의 경로를 가시화한 모습.

그림4. KSTAR 중성입자빔의 주입 경로와 이온화하지 못한 빔 입자가 그대로 직진하여 내벽에 충돌한 분포를 가시화한 모습.

그림5. 광학 진단용 시뮬레이션 결과. 광학 진단 장비에서 토카막 내부로 향하는 광선(ray)들을 가상으로 생성해, 토카막 장치 내부의 구조물에 의해 시야가 어떻게 차단되거나 확보되는지를 시각화한 결과다. 광학 장비의 구경(aperture)에서 방출되는 해당 광선들은 장비가 수집하는 빛의 경로를 나타내며 초록색으로 시각화함. 광선이 용기 내벽과 교차하는 지점(빨간색 점으로 표시)은 시야가 차단되기 시작하는 경계를 의미한다. 이 분석 도구는 시야가 확보된 영역 내의 플라즈마 파라미터(예: 스펙트럼 색상으로 표현된 자기장 분포)를 선택적으로 추출함으로써 계산 효율성을 향상함.