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202207.05

영국, 첨단 기술로 핵융합 '넥스트 레벨' 도전한다

KFE   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/nuclear-fusion/1388

<이미지 출처 = NVIDIA 블로>


‘I’m on the next level’이라는 가사의 음악으로 유명세를 떨친 한 아이돌 그룹은 수많은 타 그룹과의 차별성을 나타내는 수단으로 디지털 트윈의 세계관을 활용합니다. 어렵게만 느껴졌던 최첨단 과학기술이 대중문화에 접목될 정도로 우리의 일상과 가까워졌다는 의미일 텐데요.


이처럼 과학기술은 우리의 사회, 경제, 문화 등 다양한 분야에 변화를 일으키고, 더 나아가서는 다른 과학기술의 발전을 이끄는 기폭제가 되기도 합니다. 첨단 과학기술의 발전에 힘입어 새롭게 돌파구가 마련되고 있는 분야 중에는 에너지 문제의 궁극적 해결책으로 주목받는 핵융합에너지 연구 분야도 있습니다. 핵융합연구를 주도하고 있는 나라들은 핵융합 연구와 첨단 과학기술의 결합을 통해 핵융합에너지 난제를 해결하기 위한 다양한 시도들을 진행하고 있죠. 우리나라 역시 핵융합 시뮬레이션 연구를 위한 슈퍼컴퓨터의 도입이나, 한국의 인공태양 KSTAR의 실험을 효율적으로 운영할 수 있는 디지털 트윈의 개발, 머신러닝을 활용한 플라즈마 제어 등 첨단 과학을 접목한 핵융합 연구들이 활발하게 이루어지고 있습니다.


최근에는 전 세계 최초 상용 핵융합로 건설을 목표 내세운 영국이 STEP 프로그램을 지원하기 위해 추진하는 첨단 과학기술의 활용 계획이 여러 언론을 통해 소개되고 있습니다. 핵융합에너지의 실현을 위해 과감한 계획과 도전을 이어가고 있는 영국은 어떠한 기술들을 준비하고 있을까요?



영국이 기후변화 대응을 위해 과감히 선택한 에너지는?

https://blog.naver.com/nfripr/221699996113



오직 핵융합을 위한 컴퓨팅 센터 설립


영국원자력공사(UKAEA)는 지난해 STFC(Science and Technology Facilities Council, 영국 과학 및 기술시설 위원회) 산하의 Hartree Center와 함께 영국 핵융합 컴퓨팅 센터(UK Centre of Excellence in Extreme Scale Computing for Fusion)를 설립했습니다. Hartree Center는 영국의 최첨단 슈퍼컴퓨팅 및 AI 기술의 본거지라고 할 수 있는데요. UKAEA와 협력하여 핵융합 난제 해결을 위한 최첨단 과학기술 확보에 함께 나선 것입니다.


5년간 진행되는 이 프로젝트는 12명의 전담 연구자를 고용할 수 있는 추가 펀딩도 확보하여 더욱 활발한 연구 추진 동력을 얻게 되었는데요. 이들은 디지털 트윈 기술을 활용하여 미래 핵융합발전소를 가상 세계에 건설하고, AI 기술을 활용해 핵융합 장치의 통제 및 불확실성을 계량화하기 위한 인사이트를 제공하게 될 예정입니다.


UKAEA의 Advanced Computing 부서장인 Rob Aker는 “Hartree Center의 슈퍼컴퓨팅 및 AI에 대한 전문지식과 UKAEA의 핵융합 분야 전문지식의 결합은 실제 핵융합 실증로 건설 전에 각종 불확실성을 해결하기 위한 해결책을 확보하는 데 도움이 될 것“이라고 밝혔습니다.


영국 북서부에 위치한 Hartree Center 전경



핵융합 디지털 트윈 기술의 궁극적 목표 


UKAEA는 이 외에도 최첨단 기술을 가지고 있는 산업체와의 협력도 적극 추진하고 있는데요. 인공지능 컴퓨팅 전문 업체인 NVIDIA와 협력하여 NVIDIA의 디지털 트윈 시뮬레이션 플랫폼을 활용하여 각종 테스트를 진행하고 있습니다.


NVIDIA Omniverse라고 불리는 프로그램은 실시간 시뮬레이션 환경에서 각 부품의 설계 뿐 아니라, 실시간으로 이를 동기화하여 통합한 전체 설계도 확인할 수 있는 놀라운 기능을 제공합니다. 또한 3D 데이터 추출 기능을 활용하면 설계 결과를 실제 이미지로 확인할 수도 있으며, 서로 다른 부품의 설계안을 시각화하여 비교할 수도 있습니다.


장치와 더불어 핵융합 플라즈마의 시뮬레이션도 매우 중요한 연구과제인데요. Omniverse Extensions라는 프로그램은 핵융합 중성자 수송 시뮬레이션 및 가시광선 시뮬레이션 등 플라즈마 시뮬레이션 기능을 제공합니다. 연구진들은 기존 시뮬레이션 데이터를 활용하여 핵융합 플라즈마 시뮬레이션을 가속화하기 위한 AI 대리모델(surrogate model) 개발을 위해 NVIDIA Modulus AI-physics 프레임워크도 살펴볼 예정입니다.

*프레임워크 : 소프트웨어 개발을 돕기 위한 각종 기능의 집합


이외에도 발전소 유지보수를 위한 AI 기반 로봇의 훈련에는 소프트웨어 개발 키트인 Omniverse Replicator를 활용할 예정인데요. 대량의 정확한 플라즈마 및 발전소 합성 데이터를 활용한 시뮬레이션 학습을 통해 로봇 시스템의 정확성을 높이고 작업시간을 최소화할 수 있을 것으로 기대됩니다.


여기에서 끝이 아닙니다. 미래에는 센서 모듈을 사용하여 실제 발전소를 Omniverse Digital Twin에 실시간으로 동기화하여 발전소의 물리적 상태를 확인할 수 있게 될 것입니다. 핵융합 디지털 트윈 기술의 궁극적 목표이기도 한데요. 이 기능이 구현된다면 연구자들은 여러 가상 시나리오를 가상 세계 속 디지털 트윈 장치에 먼저 테스트 해 본 뒤 실제 발전소에 적용하게 될 것입니다.


Building a Fusion Reactor Digital Twin in NVIDIA Omniverse

https://youtu.be/tJgR1TSBD0k



핵융합로를 누비게 될 뱀 로봇의 정체는


마지막으로 영국은 핵융합발전소 건설을 준비하기 위해 슈퍼컴퓨팅 및 AI 분야 외에도 실제 발전소 운영에 필요한 로봇 공학 연구도 진행하고 있습니다. 향후 핵융합 발전소가 가동되면 핵융합로 내부는 높은 온도와 방사능으로 인하여 사람이 직접 유지보수를 진행할 수 없는데요. 따라서 로봇 기술은 핵융합에너지가 실제 우리 생활에 활용되기 위해 꼭 확보해야 하는 중요한 기술인 것이죠.


핵융합로에서 활용하기 위한 다양한 형태의 로봇이 전 세계적으로 연구되고 있지만 영국이 연구 중인 로봇의 형태는 매우 독특한데요. UKAEA의 RACE(Remote Applications in Challenging Environments) 연구팀은 핵융합로 내부를 미끄러져 다니는 금속의 로봇뱀 형태를 지난 10여년간 연구해왔습니다. 첫 번째 시험을 성공적으로 마치고 현재는 시제품 개발 단계에 진입했죠.


다양한 크기로 개발될 로봇 뱀은 초음파 시스템을 통해 주위를 감지하고, 핵융합로 벽의 파이프를 따라 내장된 모터와 외부에 있는 견인 막대를 이용해 움직이는데요. 로봇 뱀에 장착되어 있는 맞춤형 레이저 시스템으로 오래된 파이프를 절단하고 새로운 파이프를 용접하여 발전소의 수명을 연장하는 임무를 맡게 될 것입니다.


Robotic snakes could keep Britain’s nuclear fusion hopes alive

https://youtu.be/fDvCSaZUhy8


지금까지 영국이 핵융합에너지 실현을 위하여 어떤 최첨단 과학기술 연구에 집중하고 있는지 살펴보았는데요. 영국의 이런 노력이 앞으로 어떤 결실을 맺을 수 있을지 매우 기대가 됩니다.


단순히 한 분야의 연구가 아닌 첨단 기술의 복합체인 핵융합에너지 개발 연구. 핵융합에너지 실현을 위해 선도국들은 저마다 체계적 전략을 바탕으로 각종 기술 확보를 위해 최선을 다하고 있는데요. 갈수록 치열해지는 경쟁 속에서도 우리나라가 핵융합 기술의 ‘넥스트 레벨’에 가장 먼저 도달할 수 있도록 많은 응원 부탁드립니다.



핵융합에너지 실현 위한 가속 페달 밟는다 

“제4차 핵융합에너지 개발 진흥 기본계획(안) 확정”

https://blog.naver.com/nfripr/222685331159



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