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202211.10

KSTAR, 플라즈마 가두는 새로운 전류 현상 발견

KFE   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/kstar/1411

인공태양 장시간 운전을 위한 새로운 실마리 기대

서울대·프린스턴 대학 연구팀 관련 논문, 네이처 커뮤니케이션즈 게재


핵융합에너지는 수소를 원료로 태양의 상태를 지구 상에 구현하여 에너지를 얻는 차세대 에너지원입니다. 탄소를 배출하지 않는 청정에너지로 에너지 문제 해결을 위하여 꼭 확보해야 하는 에너지로 전 세계적 관심을 받고 있는데요. 


우리나라의 인공태양 KSTAR는 세계 최고 수준의 핵융합 연구장치로 핵융합에너지 실현을 위한 필수 과제인 1억도 초고온 플라즈마 장시간 운전 분야에서 특히 두각을 나타내며 핵융합 난제 해결에 앞장서고 있습니다. 


최근에는 서울대·프린스턴 대학 연구팀이 KSTAR 실험을 통해 핵융합 플라즈마를 가두는 새로운 전류를 발견하는 데 성공하여 플라즈마 장시간 운전 달성을 위한 새로운 실마리가 될 것으로 기대를 모으고 있는데요. 해당 연구성과는 유명 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈에 게재되어 많은 핵융합 연구자들로부터 관심을 받기도 하였습니다. *논문명 : Observation of a new type of self-generated current in magnetized plasmas (네이쳐 커뮤니케이션즈, '22.10.29 게재)


과연 어떤 성과인지 자세하게 살펴볼까요?


초전도핵융합연구장치 KSTAR



핵융합 플라즈마 가두는 그물망


태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구에서 구현하여 핵융합에너지를 실현하기 위한 필수 조건은 핵융합 반응이 일어나는 초고온 플라즈마를 어떻게 오랜 시간 동안 잘 가두어 놓느냐에 달려 있습니다. 


현재 KSTAR와 같은 핵융합 연구장치는 플라즈마 내부에 전류를 흘려 나선형의 자기장을 생성하여 가두는데요. 향후 전기를 실제로 생산하는 상용로를 운영하기 위해서는 이 플라즈마 전류를 지속적으로 유지시키는 것이 필수적입니다. 


기존에는 이러한 플라즈마 내부에 전류를 공급하기 위하여 스마트폰이나 교통카드 등에 활용하는 전자기유도 방식을 주로 이용해 왔으나, 이 방식은 전류를 장시간 공급하기에는 공학적 한계가 존재합니다. 이에, 각종 가열 장치를 활용하는 등 비유도 방식의 전류 공급원들이 개발되고, 부트스트랩(bootstrap) 전류라 불리는 플라즈마 내에서 생성되는 자발 전류를 활용하는 방식도 있지만 장시간 플라즈마 운전을 위한 충분한 전류를 충당하기에는 어려움이 있는데요. 


따라서 전 세계 핵융합 연구자들은 수십 년 동안 새로운 방식의 플라즈마 전류원을 발견하기 위해 다양한 연구를 수행하고 있습니다. 


자발적 전류의 값이 높을수록 핵융합로의 경제성도 높아질 수 있다.



기존 이론으로 설명 불가능한 새로운 플라즈마 전류 기작 발견


그 가운데 국내 연구진들이 기존과 다른 새로운 형태의 플라즈마 전류를 발견하여 학계의 주목을 받게 되었습니다. 서울대 원자핵공학과 나용수 교수와 프린스턴 대학 서재민 박사 연구팀은 핵융합(연)의 KSTAR연구본부, 프린스턴플라즈마물리연구소(PPPL), 제너럴 아토믹스(General Atomics) 등의 공동연구자들과 함께 핵융합로 내부에 존재하는 난류가 전류를 만들어 낼 수 있다는 기존 시뮬레이션 결과에 주목하여, 이를 KSTAR 장치에서 최초로 실험을 통해 검증하려는 시도를 진행했는데요. 이 과정에서 난류가 줄어들면 오히려 새로운 전류가 만들어지는 특이한 현상을 발견하게 된 것입니다. 


다양한 조건에서 실험을 진행해 본 결과 핵융합로 내부에 연료를 주입했을 때 이 새로운 전류가 형성되고 유지되는 것을 파악할 수 있었는데요. 이때 발생하는 전류는 전체 플라즈마 전류의 30%에 다다르는 상당한 양으로, 이는 물리적 특성과 전류량 모두 기존의 난류 이론으로는 설명할 수 없는 새로운 방식의 전류 발생이었습니다. 


이번 연구 논문의 공동 1저자이자 교신저자인 서울대 나용수 교수는 “이번 결과는 기존의 관점으로 바라보려 했다면 발견하지 못했을 성과”라며, “보고자 하는 것, 얻고자 하는 것에만 갇혀있지 않고 열린 관점으로 접근함으로써 새로운 것을 찾아낼 수 있었다.”라고 이번 성과의 의의에 대해 설명했습니다. 


새로운 전류원 발견 실험 분석결과(위) 및 실험에서 연료 추가 주입 전,후의 플라즈마 모습(아래)



작은 발걸음이 모여 큰 발견으로…


외부에서 유도시키지 않아도 플라즈마 스스로 전류를 만들어내는 새로운 전류 발생 방식의 발견은 플라즈마가 스스로를 가두어 핵융합 반응을 지속시키는 새로운 가능성을 보여주는데요. 이를 통해 향후 핵융합 상용로 실증을 위해 유도전류를 이용하지 않는 방식을 탐색하고 있는 국제핵융합실험로(ITER) 및 상용로의 장시간 지속 운전에도 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다. 


하지만 이번 실험에서 발견된 새로운 전류원은 특이하게도 플라즈마에 연료를 주입할 시에만 관찰되고 있는데요. 아직 정확한 원인이 규명되지 않은 만큼, 앞으로도 이를 위한 후속 연구들이 활발하게 진행될 예정입니다. 


이번 논문의 또 다른 공동 1저자인 프린스턴 대학 서재민 박사는 “핵융합 연구와 같은 거대과학은 거인의 어깨 위에서 사과를 하나 얹는 작은 발걸음들이 모여 정진되고 있다”며, 언뜻보면 사소한 것처럼 보이지만 그 속에서 새로운 가능성을 찾아내기 위해 노력하는 핵융합 연구자들에게 응원을 당부하기도 하였습니다. 


KSTAR는 국제공동연구장치로써 핵융합(연) 뿐 아니라 국내외 연구기관, 대학 등의 핵융합 연구자들을 위한 최고의 연구시설인데요. 이번 성과처럼 KSTAR를 통해 다양한 실험이 시도되고 이를 통해 새로운 발견이 이루어지는 성과들이 앞으로도 더욱 활발하게 도출되기를 기대해봅니다. 핵융합 난제 해결을 위해 지금 이 순간에도 고군분투 중인 핵융합 연구자들에게 많은 응원을 보내주시길 바랍니다.

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