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202103.10

불규칙 속에 숨겨진 규칙을 찾아서

KFE   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/nuclear-fusion/1252

플라즈마 붕괴 원인인 ‘자기섬’ 현상과 난류 상호작용 밝혀

최민준 박사 논문, 네이처 커뮤니케이션紙 게재 



수백명의 승객들을 책임지며 거대한 비행기를 운전하는 항공기 기장들이 하늘길에서 가장 만나기 싫은 복병이 있다면 ‘난류’가 아닐까요? 기체의 불규칙한 흐름 때문에 발생하는 ‘난류’는 거대한 비행기도 마치 물에 떠 있는 나뭇잎처럼 쉬이 흔들리게 만들곤 하는데요. 


난류는 구름 한 점 없는 맑은 하늘에서도 발생할 수 있기 때문에 항공기 기장들은 비행 전 난류가 자주 발생하는 구간이 있진 않은지 꼼꼼하게 살펴보고, 갑자기 난류가 발생하더라도 안전하게 대처할 수 있도록 만반의 준비를 다한다고 합니다. 


안전한 운항을 위해 난류에 대비하는 항공기의 기장처럼 ‘난류’를 이해하고 컨트롤하기 위하여 노력하는 또 다른 이들이 있는데요. 바로 미래에너지로 각광받는 핵융합에너지를 연구하는 연구자들입니다. 



태양에너지의 원리인 핵융합 반응을 통해 에너지를 생산하기 위해서는 핵융합로에 초고온 플라즈마를 안정적으로 오래 가둘 수 있어야 합니다. 하지만 핵융합로에 갇힌 플라즈마는 균일하지 않은 전류 밀도와 고에너지로 인해 매우 불안정한 특성을 갖는데요. 특히 플라즈마의 온도나 밀도의 불균일성에 의해 산발적으로 나타나는 여러 작은 크기의 불안정 현상을 말하는 ‘난류’는 안정적인 플라즈마 운전을 방해하는 요소입니다. 


불규칙한 기체의 흐름 속에서 균형을 잡는 항공기처럼 플라즈마도 오랫동안 안정적으로 유지하기 위해선 ‘난류’와 같은 불안정 현상들에 대한 이해를 바탕으로 적절한 대응 시나리오를 수립하는 것이 중요한데요. 


최근 플라즈마 난류에 대한 이해를 통해 핵융합 플라즈마의 주요 불안정 현상을 규명한 연구 결과가 세계 핵융합 연구계의 주목을 받았습니다. 어떤 연구 성과일까요?




핵융합 플라즈마 대표 불안정 현상 ‘자기섬’과 ‘난류’는 무슨 사이?


한국핵융합에너지연구원 KSTAR연구본부의 최민준 박사는 국내외 연구팀과 공동연구를 통해 핵융합 플라즈마의 주요 불안정 현상 중 하나인 자기섬의 발생과 억제에 주변의 난류가 직접적인 영향을 끼칠 수 있음을 실험을 통해 입증하는 데 성공했습니다. 


자기섬은 플라즈마의 불안정현상이 초고온의 플라즈마를 가두고 있는 자기력선에 찢김과 재결합을 유발하여 만들어 내는 섬 모양의 자기 구조를 말하는데요. 플라즈마에 자기섬이 발생하면 토카막의 자기 밀폐 구조가 망가져 플라즈마가 손실되어 성능이 저하하거나, 플라즈마 자체가 붕괴하는 현상이 일어날 수 있습니다. 따라서 자기섬의 발생과 그로 인한 플라즈마 붕괴를 제어하는 것은 핵융합에너지 실현을 위해 해결해야 하는 대표적인 난제 중 하나입니다. 


이를 해결하기 위한 연구가 다수의 핵융합 장치에서 수행되고 있는 가운데, 최민준 박사는 자기섬과 주변 플라즈마에서 발생하는 ‘난류’와의 상호작용에 주목하였는데요. 최민준 박사와 공동 연구팀(미국 General Atomics의 Laszlo Bardoczi 박사, 서울대학교 함택수 교수, 울산과기원의 박현거, 윤의성 교수, 포스텍 윤건수 교수)은 우리나라의 초전도핵융합연구장치인 KSTAR의 실험을 통해 자기섬 주변의 난류가 난류 퍼짐 현상이나 자기력선 재결합의 가속화를 만들어 자기섬의 발생과 억제에 직접 영향을 끼칠 수 있다는 것을 입증하는 데 성공했습니다. 


논문의 주 저자인 한국핵융합에너지연구원 KSTAR연구본부 최민준 박사


난류 퍼짐 현상과 자기력선 재결합이란?


난류 퍼짐 현상이란 자기섬 밖에서 생성된 난류가 자기섬 안으로 퍼져나가는 현상을 말합니다. 기존에도 난류 퍼짐 현상이 자기섬의 발달을 억제하는 요인으로 알려져 있었으나 온도나 밀도가 불균일한 곳에서는 어디든 난류가 발생할 수 있어 이를 실제 실험을 통해 규명하기는 매우 어려웠습니다.


하지만 KSTAR 장치에서는 커다란 자기섬의 안쪽은 고유의 자기 구조로 인해 밀도나 온도가 균일하게 유지되고, 바깥쪽에는 불균일한 온도와 유동 속도 때문에 난류가 국소적으로 발생한다는 사실을 이용했는데요. 


먼저 난류가 자기섬의 경계면 바깥쪽에서는 감소하고 안쪽에서는 증가하는 것을 측정한 뒤, 이에 따른 난류의 열수송에 의해 자기섬 안에 전자 온도가 증가함을 확인하였습니다. 이러한 전자 온도의 증가는 자기섬의 크기를 줄이는 결과로 이어질 수 있기 때문에 난류의 퍼짐이 자기섬의 성장을 억제하는 요인 중 하나라는 것을 입증할 수 있었습니다. 


자기섬 주변의 전자온도 변화. 난류의 퍼짐과 함께 자기섬 안쪽에 전자온도가 증가하였다.


또한, 자기섬에 의한 급격한 플라즈마 붕괴 과정 관찰 중 그동안 실험에서 관찰하기 어려웠던 자기력선 재결합 영역에서 증가하는 난류도 확인할 수 있었습니다. 


KSTAR 실험을 통해 빠른 붕괴가 일어날 경우에만 자기력선 재결합 영역에서 유의미한 난류 세기의 증가가 관찰된다는 것을 직접 확인한 것입니다. 이는 국소적인 난류의 성장이 자기섬의 급격한 성장 또는 붕괴로 이어질 수 있다는 것을 의미하여 자기섬과 난류의 상호작용에 대한 새로운 이해를 제시하였습니다.


이번 연구 결과는 실험을 통해 기존의 이론과 가설을 명확히 입증함으로써 핵융합에너지 실현을 위해 필요한 플라즈마의 주요 현상들에 대한 이해를 높였다는 점이 특히 주목할 만 한데요. 향후 핵융합로 운전에서 자기섬에 의한 플라즈마 붕괴를 효율적으로 억제하는데에도 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 


자기섬 평형 상태(c)와 붕괴 직전(d)에서의 난류 세기 분포




유명 학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션’紙에 게재되어 주목


이번 성과를 담은 논문은 세계 유명 학술지인 ‘네이쳐’의 자매지인 ‘네이쳐 커뮤니케이션’지에 게재되어 전 세계 핵융합 연구계의 관심도 확인할 수 있었습니다.※논문명 : Effects of plasma turbulence on the nonlinear evolution of magnetic island in tokamak 


논문의 제 1저자인 최민준 박사는 “이번 연구는 자기섬이 주변의 난류 분포와 발달에 끼치는 영향을 밝혔던 이전 연구에 이어, 역으로 주변 난류가 자기섬의 발달 과정에 끼치는 영향을 분석한 결과다.”라며, “이를 바탕으로 자기섬 주변의 난류의 세기를 줄이거나 분포를 변경하여 플라즈마 붕괴를 막거나 완화할 수 있을 것이다.”라고 설명했습니다. 


또한, 핵융합(연)의 유석재 원장은 “한국의 인공태양이라 불리는 KSTAR는 1억도 초고온 플라즈마 운전 세계 기록 달성과 같은 장치 운전 성과 외에도 핵융합 플라즈마 물리연구에서도 세계적 성과를 내고 있다.”라며, “이번 연구 성과를 바탕으로 앞으로도 활발한 플라즈마 물리 연구를 수행하여 핵융합 난제 해결에 앞장서겠다.”라고 밝혔습니다. 


핵융합 연구자들이 플라즈마를 연구하는 것은 ‘불규칙 속에 숨겨진 규칙을 찾아내는 일’이라고 표현하곤 합니다. 그만큼 플라즈마의 특성을 이해하고 그에 따른 이론을 정립하는 것이 어렵다는 뜻이기도 한데요. 


그럼에도 불구하고 핵융합 연구자들은 핵융합 난제의 실마리가 될 연구 결과들을 매년 실험을 통해 차곡차곡 쌓아가며 플라즈마 속에 숨겨진 규칙을 찾아내기 위해 고군분투하고 있습니다. 올해 진행될 KSTAR 실험 역시 또 다른 실마리를 찾아 떠나는 결코 쉽지 않은 여행이 될 전망인데요. 어떤 연구 성과들이 다시 한 번 세계 핵융합 연구계의 주목을 받게 될지 함께 기대해주시길 바랍니다. 


KSTAR는 세계 최고 수준의 2차원 전자온도 진단장치를 갖추고 있어 자기섬과 난류의 복잡한 상호작용을 규명하기에 최적의 실험 장치이다.


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