물리학과 윤건수 교수팀 "고온 플라즈마 표면의 폭발적 붕괴, 난류를 이용하여 막다"

고온 플라즈마 표면의 폭발적 붕괴, 난류를 이용하여 막다

POSTECH 윤건수 교수팀, 유체 표면 모드의 성장을 억제하는 난류의 존재 밝혀내



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태양 에너지의 원천인 수소 핵융합 반응을 지구 상에서 이루기 위해서는 수천만~수억도 이상의 플라즈마를 충분한 시간 동안 가둘 수 있어야 한다. 태양은 그 엄청난 질량에 의한 중력이 자연스럽게 고온의 이온들을 잡아가두지만 지구 상에서는 그 어떤 재료의 용기로도 고온 플라즈마를 가둘 수 없다. 이것을 해결하기 위하여 과학자들은 토카막이라고 불리우는 도우넛 형태로 만들어진 강력한 “자기장 용기”를 고안하였다. 우리나라에서도 자기장 가둠 핵융합 시스템을 구현하려는 연구가 국가핵융합연구소의 KSTAR 토카막 장치를 중심으로 활발히 진행되고 있다.

자기장 용기에 갇힌 고온 플라즈마의 표면은 바깥과의 큰 압력 또는 온도 차이로 인하여 숱한 종류의 유체 및 난류 현상들이 일어나는 곳이다. 마치 하늘의 두루마리 구름처럼 비교적 규칙적인 패턴으로 나타나는 국소 표면 모드 (edge-localized mode)로부터 양털 구름처럼 복잡한 패턴을 보이는 난류까지 관찰된다. 특히, 필라멘트 모양의 표면 모드는 풍선이 갑자기 터지듯 자기장 용기 표면을 순식간에 파열시키면서 큰 에너지 손실을 일으킬 수 있으며 이로 인해 토카막 내벽이 손상될 수 있다. 따라서 핵융합 고온 플라즈마 장치의 안정적 운전을 위해 반드시 표면 모드의 발생 자체 또는 붕괴를 억제해야 한다.

다수의 토카막 장치에서는 지난 30년 동안 국소 표면 모드의 발생 및 붕괴 원인과 제어 방법을 연구해왔으며 최근에는 외부에서 자기장을 가하여 표면 모드의 붕괴를 억제하는 데 부분적으로 성공하였다. 현존하는 토카막 중 가장 정확하게 제작된 것으로 여겨지는 우리나라의 KSTAR 토카막에서는 표면 모드 붕괴 제어 기술을 시험하는 연구를 선도하고 있으며, 고속의 밀리미터파 카메라를 (POSTECH-UNIST 핵융합연구센터 개발) 이용하여 표면 모드의 공간적인 구조 및 동역학적 변화 과정을 상세히 밝혀내는 성과를 거두고 있다.

POSTECH (포항공과대학교, 총장 김도연), UNIST (울산과학기술원, 총장 정무영) 및 NFRI (국가핵융합연구소, 소장 김기만) 연구팀은 제어용 자기장에 의하여 표면 모드의 붕괴가 억제되는 과정을 관측하고 그 기작을 설명하는 데 성공하였다. POSTECH 물리학과 윤건수 교수 (교신저자), 이재현 박사 (제1저자; 현 UNIST 핵융합연구센터 연구원) 및 KSTAR 연구센터 (센터장 박현거 UNIST 물리학과 교수) 연구팀이 Physical Review Letters 지를 통해 발표한 이 연구 성과는 제어용 자기장이 난류성 와류의 발달을 촉진하고 그 와류들이 표면 모드의 성장을 저해하여 표면 모드가 준안정적 상태로 유지된다는 것을 명확히 밝혀내었다는 점에서 주목을 받고 있다.

이 연구는 특히 밀리미터파 카메라의 공간분해능으로는 측정이 어려울 것으로 생각되었던 난류의 존재를 확인하고 난류의 분산 관계 및 공간적인 구조를 도출해내었으며 표면 모드와의 비선형적인 상호 작용을 최초로 밝혀내었다는 점에서 가치가 크다. 또한 이 연구에서 밝혀낸 사실인 제어용 자기장이 표면 모드 자체의 발생 자체를 막지 못한다는 점은 기존의 이론 및 시뮬레이션 결과와 상이한 것으로서 이 분야의 연구자들에게 시사하는 바가 크다.

연구의 교신저자인 윤건수 교수는 “자기유체역학적 표면 모드가 난류성 와류와 에너지를 주고 받으며 준 안정적 상태로 유지될 수 있다는 것을 밝힌 연구”라며 “목성 표면의 거대 붉은 점 (Red Giant Spot)이 난류와의 상호 작용을 통해 안정적인 구조로 유지되고 있는 현상”에 견줄만한 흥미로운 결과라고 덧붙였다. KSTAR 연구 센터의 센터장인 박현거 교수는 “최적의 표면 모드 제어 방법 개발의 초석이 될 것”이며 “KSTAR 장치가 핵융합 고온 플라즈마 연구의 패러다임을 바꾸는 역할을 하고 있음을 입증한 사례”가 될 것으로 기대했다.

한편, 이 연구는 미래창조과학부 한국연구재단 핵융합연구개발 사업의 지원을 통해 수행되었다.

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