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202207.21

KSTAR 공동연구로 핵융합 대표 불안정 현상 제어할 실마리 발견

KFE   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/kstar/1392

KSTAR-PPPL 공동연구 : 자기장 피드백 시스템을 통한 ELM 제어


한국의 인공태양 KSTAR


한국의 인공태양 KSTAR는 국내 핵융합 연구를 위한 실험 수행 외에도, 뛰어난 성능과 안정적인 운영 역량을 인정받아 전 세계 다양한 대학 및 연구소 등과 함께 핵융합 난제를 풀어가는 국제공동연구장치이기도 합니다. 지난 6월에는 미국 에너지부(DOE) 산하 프린스턴플라즈마물리연구소(PPPL)는 KSTAR를 활용한 공동 연구 결과를 발표하여 국제 핵융합 연구계의 주목을 받기도 하였는데요. 어떤 연구 성과일까요? 


이번에 발표한 연구성과는 한국핵융합에너지연구원과 프린스턴 대학, 콜롬비아 대학의 공동 연구 성과로, 핵융합의 대표적 불안정 현상 중 하나인 ‘플라즈마 경계면 불안정 현상(Edge Localized Mode, ELM)’의 제어와 관련된 새로운 발견이 담겨있습니다. 


ELM(엘름)은 태양 표면에서 거대한 플라즈마가 분출되는 태양 플레어 현상처럼 플라즈마의 경계면에서 마치 풍선이 터지듯이 플라즈마가 펑펑 터지는 현상을 말합니다. 이렇게 플라즈마가 터지면 강한 에너지가 분출되어 토카막 내벽과 부품을 손상시킬 수 있기 때문에 이를 제어하는 것은 핵융합 연구계의 큰 과제 중 하나인데요. 특히 ELM의 세기는 장치의 크기와 비례하기 때문에 현재 프랑스에 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)처럼 거대한 크기의 핵융합장치를 운전하기 위해서는 ELM 제어 기술 확보가 꼭 필요합니다. 


어려운 점은 ELM이 핵융합 플라즈마가 초고온 고밀도 상태일 때 나타난다는 점인데요. 핵융합로에서 활발하게 핵융합 반응이 일어나기 위해서는 플라즈마가 초고온 고밀도 상태를 유지해야 합니다. 이렇게 플라즈마가 초고온 고밀도 상태일 때를 고성능 플라즈마 운전모드 즉 H-모드라고 부르는데요. H-모드 상태의 플라즈마는 중심부와 가장자리 사이의 밀도 차이가 커져 이 에너지 불균형을 해소하기 위해 ELM 현상이 나타나게 되는 것입니다. 


핵융합 반응을 활발하게 일으키기 위해서는 H-모드가 필요하지만, H-모드에서 발생하는 ELM이 토카막을 손상시키는 원이이 되는 딜레마 속에 연구진은 자기장을 이용하여 ELM을 제어하는 방법을 연구했는데요. 이 방법은 경계면을 통해 입자들이 이동하도록 유도하여 불안정성을 줄이는 것으로 2003년 처음 시도되었습니다. 하지만 안타깝게도 플라즈마의 성능이 떨어지는 문제가 발생해 연구는 난관에 봉착했었습니다. 


연구진은 또 다른 아이디어를 떠올렸는데요. 바로 자석에 피드백 시스템을 결합하는 것이었습니다. H-모드 조건을 최소한으로 저해하면서도 ELM을 억제할 수 있는 최소한의 자기장 세기를 피드백 시스템으로 찾는 방법으로 결과는 매우 훌륭했습니다. 


이번 연구성과를 담은 논문의 주저자인 프린스턴 대학 기계항공공학과(Mechanical and Aerospace Engineering Department)의 플라즈마 제어그룹 대학원생 Ricardo Shousha는 “플라즈마 성능을 극대화하면서도 ELM을 억제할 수 있다는 것을 보여준 것”이라며 연구의 의미에 대해 설명했습니다. 


공동연구팀은 이번 연구성과를 바탕으로 시스템 개선을 추진하여 ELM이 발생하기 전에 미리 감지하기 위한 연구를 진행할 예정이라고 하는데요. 전조 신호를 빠르게 찾아내어 ELM이 나타나기 전 선제 조치를 하여 ELM을 예방하는 것이 목표입니다. 


추가 연구를 위해서는 앞으로도 KSTAR의 활약이 중요할 것으로 예상되는데요. 어떤 성과들이 앞으로 발표될지 함께 기대해보셔도 좋을 것 같습니다.

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