포스텍, 안전한 인공태양 기술 개발

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국내 연구진이 강력한 자기장을 이용해 수억도에 이르는 초고온 상태의 플라즈마를 가두는 토카막 장치의 불안전성을 규명했다.

포스텍(총장 김도연)은 윤건수 물리학과·첨단원자력공학부 교수팀과 박현거 유니스트 물리학과 교수팀은 국가핵융합연구소(NFRI) KSTAR 연구센터와 함께 토카막 내부에서 플라즈마 경계면 폭발 현상이 일어나기 직전에 발생하는 고립 섭동 현상을 발견했다고 3일 밝혔다.

이는 플라즈마 경계면 폭발이 고립 섭동에 의해 유발된다는 새로운 해석으로 기존 고유 모드에 기반한 해석의 한계점을 명확히 밝혔다는 점에서 주목된다.

윤건수 포스텍 교수
<윤건수 포스텍 교수>
박현거 유니스트 교수
<박현거 유니스트 교수>

지구에서 태양과 같은 핵융합 반응을 일으켜 에너지를 만들기 위해서는 태양보다 더 뜨거운 초고온의 플라즈마가 필요하다. 이 플라즈마는 기체가 이온화된, 물질의 네 번째 상태다.

태양은 중력이 강해 태양 내부의 높은 밀도와 압력을 통해 이 제멋대로인 플라즈마를 가둘 수 있지만, 태양과는 상황이 다른 지구에서는 플라즈마가 전하를 띠고 있다는 성질을 이용해 자기장으로 도넛 형태의 장치 속에서 끊임없이 돌아가도록 하는 토카막이라는 장치를 이용해 플라즈마를 가둔다.

문제는 갇혀있는 이 플라즈마가 바깥과의 압력과 온도차이 때문에 경계면의 상태가 불안정해진다는데 있다. 상태가 불안정해지면 상당한 양의 플라즈마 입자와 열이 밖으로 빠져나가는 '플라즈마 경계면 폭발현상'이 발생한다. 이 폭발현상은 크기에 따라 플라즈마를 가두는 토카막 내벽에 심각한 손상을 입힐 수 있는 위험을 안고 있다.

연구팀은 고속 밀리미터파 카메라와 초고속 전자기파 검출기를 개발, 우리나라의 '인공태양' KSTAR에 설치해 경계면 폭발현상을 관측했다. 그 결과 경계면 폭발 직전에 고립 섭동현상이 일어난다는 것을 발견하는데 성공했다.

지금까지 핵융합 관련 연구의 난제 중 하나로 손꼽혀 왔던 플라즈마 경계면 폭발 메커니즘을 이해할 수 있게 됐다.

연구팀은 다른 형태의 플라즈마 경계면에서 발생하는 폭발적 붕괴 현상과 토카막 내에서 일어나는 폭발 현상의 유사성에 착안, 고립 섭동의 발생 조건에 대한 이론적 모델도 만들었다. 여기엔 황현주 포스텍 수학과 교수가 참여했다.

포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com