본문 바로가기 주메뉴 바로가기

KSTAR

  • Fusion Story
  • KSTAR
KSTAR의 다른 글

202004.02

플라즈마의 크고 작은 움직임 속 연결고리를 찾아서

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/kstar/1095

[인터뷰] 2019 국가핵융합연구소 우수논문상 주인공 최민준 선임연구원

 

핵융합 플라즈마의 수송 현상을 이해하기 위해 자기유체역학적(MHD) 현상과 난류의 상호작용을 세밀하게 관찰했습니다. 미약하지만 핵융합 발전의 핵심인 플라즈마 가둠성능 향상에 보탬이 되길 기대합니다.”
  
우연한 발견에서 위대한 발전을 이룩해 온 과학의 역사, 핵융합의 세계도 예외는 아닙니다. 플라즈마의 원리를 찾아 나선 국가핵융합연구소 최민준 선임연구원(플라즈마안정화연구부)은 지난 연말 국가핵융합연구소 우수논문상을 수상했습니다. 투박한 그의 수상소감에서 핵융합연구자의 진심이 진하게 느껴집니다.

 

국가핵융합연구소 우수논문상은 연구소 등록 논문 중 최근 4년(2015.12.6.~2019.12.5.) 동안 타 연구자의 피인용수(CI)가 가장 높은 논문 주저자에게 수여하는 상입니다. 최 선임연구원이 2017년 Nuclear fusion지에 발표한 논문 제목은 ‘Multiscale interaction between a large scale magnetic island and small scale turbulence’입니다. 대규모 마그네틱 아일랜드와 소규모 플라즈마 난류의 상호 작용에 대한 이야기인데요. 2016년, 관련 연구로 제6회 아시아-태평양 수송그룹 회의에서 신진연구자상을 받으며 이미 핵융합계의 관심을 확인한 바 있습니다. 많은 핵융합연구자가 그의 논문에 주목한 이유는 무엇일까요?

 

 

제6회 아시아-태평양 수송그룹 수상 내용은? ☞  '핵융합(연) 최민준 박사, 플라즈마 수송현상 규명'

 

 

|플라즈마 운전 성능 저해하는 티어링 모드 해결할 수 없을까?

 

“플라즈마는 전압을 가하면 전류가 흐르는 도체입니다. 토카막은, 마치 러시아인형 마트료시카처럼, 플라즈마에 흐르는 전류로 도넛모양의 자기장을 촘촘하게 쌓아 플라즈마를 가두는 장치입니다. 그런데 플라즈마 전류의 형상에 따라 도넛모양의 자기장 구조가 어그러지고 찢어지는(tear) 불안정 현상이 발생할 수 있습니다. 이러한 현상을 티어링 모드(tearing mode)라고 부릅니다. 일반적인 상황에서 티어링 모드는 플라즈마의 가둠 성능을 저해한다고 알려졌습니다.”


태양처럼 핵융합반응이 일어날 수 있는 초고온 플라즈마를 핵융합장치인 토카막에 안정적으로 오랫동안 가두는 기술은 핵융합에너지 상용화의 핵심과제입니다. 불안정한 플라즈마를 안정적으로 가두기 위해서는 플라즈마의 특징과 움직임을 이해하고 예측할 수 있어야 하는데, 아직 풀리지 않은 의문들이 많이 남아있습니다. 최 선임연구원은 “불안정한 플라즈마의 입자나 열이 이탈하는 ‘수송현상’을 이해하려는 연구자의 호기심으로 연구를 시작했다”고 합니다. 플라즈마 다양한 물리현상을 이해하는 것이야말로 핵융합의 출발선이라는 이야기인데요. 제빵사가 밀가루의 성질을 완벽하게 이해하고 반죽을 자유자재로 다룰 때 최고의 빵이 탄생하는 것과 같은 맥락입니다.

 

그의 설명에 따르면 물질의 4번째 상태로 알려진 플라즈마는 전기적 성질을 띨 뿐만 아니라 액체나 기체 같은 유체의 일종입니다. 따라서 플라즈마 불안정 현상 중 규모가 큰 움직임들은 자기유체역학(MHD, magnetohydrodynamics)으로 해석이 가능합니다. 하지만 크기가 작고 미세한 플라즈마 불안정 현상도 상당히 많은데요. 이들은 자기유체역학만으로는 설명하기 어려워 ‘난류’라 통칭합니다. 토카막 속 플라즈마는 자기유체역학과 난류가 공존하고 서로 영향을 미침은 자명한 사실이지만 이 둘의 상호작용을 연구하기엔 어려움이 많았습니다. 때문에 그동안 핵융합연구자들은 두 현상을 각각 따로 떼어 관찰하고 연구해왔습니다.

 


 

 

|플라즈마 불안정 현상 속 유체역학과 난류의 상관관계 밝혔다

 

“같은 팀 김재현 박사님의 선행실험에서 아이디어를 얻었습니다. 외부에서 자기장을 걸어 플라즈마가 어떻게 죽는지를 확인하는 실험이었는데요. 실험 데이터를 분석하다 자기유체역학 구조체인 마그네틱 아일랜드와 난류의 상관관계도 실험을 통해 확인할 수 있겠다고 생각했어요.”

 

최 선임연구원은 KSTAR 캠페인의 결과물인 방대한 실험데이터를 분석하고 해석하며 일련의 흐름을 발견하고 가설을 세운 후 실험을 준비했습니다. 관련 실험은 그가 박사후연구원이던 2015년 처음 시작됐습니다. 아쉽지만 첫해 실험에서는 그가 원하는 답을 모두 찾진 못했습니다. 핵융합연구자들은 다른 분야 과학자들과 달리 자신이 원할 때 원하는 만큼 실험을 진행할 수 없다는 어려움이 있습니다. KSTAR도 1년에 한번, 약 50일간 진행되는 KSTAR 캠페인 기간에만 실험이 가능합니다. 그마저도 해마다 연구계획 심사를 통과한 연구주제만 실험 자격을 갖게 됩니다. 다시 1년을 기다려 2016년 캠페인에서 후속 실험을 통해 충분한 데이터를 확보했습니다.

 

실험결과는 어땠을까요? 이전에 플라즈마 연구자들은 티어링 모드가 만들어내는 마그네틱 아일랜드(magnetic island) 주위에 전자온도 기울기가 제일 큰 부분에서 난류도 가장 많이 생길 것이라고 예상했습니다. 최 선임연구원은 마그네틱 아일랜드 주위에서 전자온도 난류의 분포를 분석했는데요, 결과는 반전이었습니다. 난류는 전자온도 기울기가 적당하면서 플라즈마의 유동속도 기울기가 크지 않은 곳에서 가장 강하게 발생했습니다. 또한, 마그네틱 아일랜드 주위의 유동속도 기울기에 따라 마그네틱 아일랜드 현상이 오히려 플라즈마 가둠 성능을 향상시킬 수도 있다는 것을 확인했습니다.

 

“KSTAR의 준3차원 전자온도 영상진단장치로 티어링 모드 주변 전자온도 기울기와 난류의 분포, 그리고 플라즈마 유동속도를 정밀하게 측정했습니다. 그 결과 마그네틱 아일랜드가 플라즈마의 전자온도와 유동속도를 바꾸고, 그 형태에 따라 주변 난류를 유발하거나 억제할 수 있음을 확인했습니다.”

 

최 선임연구원은 KSTAR의 준3차원 전자온도 영상진단장치를 이용해 마그네틱 아일랜드 주변을 3차원으로 관찰하여 마그네틱 아일랜드와 미세 난류의 복잡한 상호작용을 이해할 수 있었습니다. 그리고 다른 연구자들의 후속 연구에 도움을 준 바로 그 논문이 탄생했습니다.

 

KSTAR의 우수한 영상진단장치는 기존의 추측을 깨고 플라즈마 티어링 모드를 이해하는 기반을 제공한 일등공신입니다. KSTAR의 전자온도 영상진단장치는 총 3세트인데 각 세트마다 200여개의 채널로 토카막 내부 구석구석을 빠짐없이 확인할 수 있습니다. 코로나19로 인한 발열 여부를 감지하는 열화상 카메라처럼 플라즈마의 온도를 색으로 구분하는 동시에 플라즈마의 3차원 구조까지 확인해 고차원의 정밀 분석이 가능합니다.

 

 

 

|“쓰임새 있는 플라즈마 물리 연구하고 싶어요”

 

“물리학이 재미있고 계속 연구를 하고 싶은데, 물리학을 통해 실생활에 어떤 기여를 할 수 있을지 고민이 많았어요. 대학 4학년 박현거 교수님의 핵융합 관련 강연을 들으며 인류의 에너지 문제해결에 기여할 수 있지 않을까 생각하게 됐습니다.”

 

최 선임연구원은 KSTAR가 0.1초 첫 플라즈마를 밝히던 2008년 대학 졸업연구 주제로 핵융합을 선택했고, 이후 대학원에 진학해 플라즈마에 대한 이해를 넓혔습니다. 그는 대학원 시절 (지도교수: 박현거 & 윤건수 교수) KSTAR의 전자온도 영상진단장치를 개발에 참여하였고, 당시 포스텍 연구팀은 2011년 ‘핵융합 플라즈마 경계면 불안정 현상’ 전 과정을 세계 최초로 고해상도 2차원 영상으로 측정하기도 했습니다. 그는 대학원을 마친 후 2015년 박사후연구원으로 핵융합연의 일원이 되어 심도 있는 연구를 이어왔습니다.

 

그 결과 2017년 발표한 논문은 핵융합연구자들이 티어링 모드를 이해하는 데 큰 도움을 주었습니다. 이를 토대로 다양한 후속연구도 진행되었는데요. KSTAR 선행기술연구센터 권재민 박사가 플라즈마 움직임을 시뮬레이션하여 실제 KSTAR 실험에서 측정하지 못한 부분까지 관찰하고 이해하는 근거를 제공하기도 했습니다. 

 

“KSTAR연구센터의 수평적 연구문화가 연구활동에 큰 힘이 됐습니다. 연구자간 소통이 없으면 자칫 혼자만의 생각에 갇히는 오류를 범하기 쉽거든요. 선배님들의 실험 데이터 중 흥미 있는 부분은 직접 물어보기도 하고, 외부 연구자들과도 토론을 많이 했어요.”

 

최 선임연구원의 도전은 현재 진행형입니다. 3년 전 논문에서 티어링 모드가 주변 난류에 미치는 영향을 관찰했다면, 후속 논문에서는 이와 반대로 난류가 티어링 모드에 어떤 영향을 미치는지 확인했습니다.

 


마그네틱 아일랜드현상으로 플라즈마 가둠성능이 향상된 모습.

 

권재민 박사의 연구내용은?  ☞ 권 박사의 특별했던 연구연가…비밀의 섬 ‘마그네틱 아일랜드’


“플라즈마 난류 연구는 아직도 미지의 영역이 많아요. 때문에 핵융합 플라즈마를 완전히 이해하기도, 시뮬레이션하기도 어렵습니다. 앞으로도 난류 현상을 꾸준히 관찰해 그 이해를 높이는데 도움이 되고 싶어요.”

 

그는 지금도 자신의 플라즈마 물리연구가 핵융합 발전에 직간접적으로 기여할 수 있을지, 쓰임새가 있을지 고민하는 천상연구자입니다. 1억℃ 초고온 플라즈마의 특성을 속속들이 파악해 핵융합에너지 상용화 연구를 위한 KSTAR의 미션인 초고온 플라즈마 제어기술 확보에 기여할 최 선임연구원의 활약이 더욱 기대되는 까닭입니다.

 

KSTAR 연구센터 플라즈마안정화연구부 최민준 선임연구원

  •  좋아요 bg
    1
    좋아요 bg
  •  카카오스토리 공유 bg
    434
    카카오스토리 공유 bg
  •  카카오톡 공유 bg
    433
    카카오톡 공유 bg

댓글 0

정보에 대해 만족하십니까?

TOP