핵융합 플라즈마에서 스스로 발생 가능한 신규 플라즈마 전류 발견

- 난제로 여겨진 상용 핵융합로의 장시간 지속 과제 해결의 실마리로 평가

- 세계적 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션' 논문 게재

새로운 전류원 발견 실험 분석결과(상) 및 실험에서 연료 추가 주입 전후의 플라즈마(하)

국내 연구진이 한국의 인공태양인 KSTAR 장치에서의 실험을 통해 핵융합 플라즈마에서 스스로 발생 가능한 새로운 전류를 발견했다고 밝혔다.

이는 실제 태양과 마찬가지로 인공태양이 스스로를 가두어 핵융합 반응을 장시간 유지할 수 있는 새로운 가능성이 생긴 것으로 볼 수 있다. 핵융합은 수소를 원료로 태양의 상태를 지구상에 구현하여 에너지를 얻는 차세대 에너지원이다.

한국을 포함한 34개국은 세계 최대 핵융합 프로젝트인 국제핵융합실험로 ITER를 건설 중에 있으며, 아마존 CEO인 제프 베이조스, 마이크로소프트 창업자인 빌 게이츠와 폴 앨런, 피터 틸 페이팔 공동 창업자 등이 핵융합 창업 회사들에게 대규모 투자 진행을 하는 등 핵융합은 최근 탄소 제로 미래에너지로 각광받고 있다.

한국핵융합에너지연구원(이하 핵융합(연))이 운영하는 KSTAR는 초전도 자석을 이용해 수소 플라즈마를 가두는 도넛 모양의 핵융합 실험장치로, 국내외 연구기관들은 KSTAR를 활용한 공동연구를 수행하고 있다.

특히, 올해 서울대 원자핵공학과 나용수 교수팀은 핵융합(연)과 더불어 KSTAR에서 안정적인 핵융합을 위한 새로운 운전방식을 개발해, 세계 최초로 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 30초 유지를 성공하고 그 지각을 밝혀 9월 7일 네이처(Nature)지에 해당 내용이 게재된 바 있다.

핵융합 에너지 상용화의 관건은 핵융합을 일으키는 초고온의 수소 플라즈마를 어떻게 오랜 시간 동안 잘 가두어 놓을 수 있느냐에 달려있다.

KSTAR와 같은 핵융합 장치는 플라즈마 내부에 전류를 흘려 자기장을 생성해 플라즈마를 가두는 방식을 이용한다. 즉, 상용 핵융합로를 위해서는 플라즈마 전류를 계속해서 유지시키는 것이 필수적이다.

기존에는 이러한 플라즈마 전류 발생을 위해 무선 스마트폰 충전이나 교통카드 등에 활용되는 전자기유도 방식을 주로 이용해왔지만, 이 방식으로는 장시간 계속해서 전류를 공급하기에 각종 공학 및 에너지 효율 측면에서 한계가 있었다.

이에 전 세계 핵융합 연구자들은 수십 년 동안 또 다른 새로운 플라즈마 전류원을 발견해 난제를 해결하고자 노력해 왔다.

국내 연구진은 KSTAR 실험 도중 정체불명의 플라즈마 전류가 발생하는 것을 발견했다.

플라즈마 연료 주입에 의한 KSTAR 핵융합 플라즈마의 변화

서울대 원자핵공학과 나용수 교수와 프린스턴 대학 서재민 박사 연구팀은 핵융합(연) KSTAR 연구본부, 프린스턴플라즈마물리연구소, 제너럴 아토믹스(General Atomics) 등 공동연구자들과 함께 KSTAR에서 플라즈마 난류가 발생시킬 수 있는 전류에 대한 실험을 진행하던 중, 우연히 기존 이론과 시뮬레이션으로 설명하지 못하는 정체불명의 플라즈마 전류가 발생하는 것을 발견했다.

분석 결과, 이것이 전체 플라즈마 전류의 30%에 해당하는 상당한 양임이 밝혀졌으며, 난류가 감소하면서 오히려 전류가 크게 발생하는 특성이 발견됨에 따라, 물리적 특성과 전류량 모두 기존 난류 이론으로도 설명되지 못하는 새로운 기작인 것으로 나타났다.

해당 연구는 핵융합 상용로를 위한 장시간 지속운전에 실마리를 줄 것으로 기대된다. 외부에서 유도시키지 않아도 플라즈마 스스로 전류를 만들어내는 새로운 기작의 발견은, 플라즈마가 스스로를 가두어 핵융합 반응을 지속시키는 새로운 가능성을 보여준다.

이를 통해 향후 핵융합 상용로 실증을 위해 유도전류를 이용하지 않는 방식을 탐색하고 있는 ITER 및 상용로의 장시간 지속운전에 중대하게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 실험에서 발견된 새로운 전류원은 특이하게도 플라즈마에 연료를 주입 시에만 관찰되었고, 아직 정확한 원인이 규명되지 않고 있어 앞으로도 이를 밝히기 위한 후속연구들이 활발히 진행될 예정이다.

해당 연구의 공동 1저자이자 교신저자인 나용수 교수는 “이번 결과는 KSTAR에서 실험제안서가 선정되지 못할 만큼 매우 생소한 실험에서 얻어졌다. 기존의 관점으로 바라보려 했다면 발견하지 못했을 것이다. 보고자 하는 것, 얻고자 하는 것에만 갇혀 있지 않고 열린 관점으로 접근함으로써 새로운 것을 찾아낼 수 있었다” 라고 말했다.

다른 공동 1저자인 서재민 박사는 “핵융합 연구와 같은 거대과학은 거인의 어깨 위에서 사과를 하나 얹는 작은 발걸음들이 모여 정진되고 있으며, 이번 결과도 우연히 발견된 사소한 현상에서 새로운 가능성을 찾아낸 것”이라며 “함께 발걸음을 내딛어갈 수 있는 미래 과학자들이 핵융합 연구에 관심을 가져주고 응원해주셨으면 하는 바람”이라고 소감을 전했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 핵융합선도기술개발사업(선도기술센터), 과학난제도전 융합연구개발사업과 한국핵융합에너지연구원의 ‘초전도핵융합연구장치(KSTAR) 공동실험 및 플라즈마 연구’사업 등의 지원으로 수행된 해당 연구 성과는 세계적 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’에 10월 29일 온라인 게재되었다.

[문의사항]

서울대학교 공과대학 원자핵공학과 나용수 교수/ 02-880-7204 / ysna@snu.ac.kr