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핵융합 난제 풀 '新 이론예측모델' 개발

국가핵융합연구소, 플라즈마 경계면 불안정 억제 예측모델 제시… '네이처'지 논문 게재

머니투데이 대전=허재구 기자 |입력 : 2018.09.12 14:26
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핵융합에너지의 상용화 난제 중 하나인 플라즈마 경계면 불안정현상 (ELM)의 정확한 예측과 억제에 대해 실험적으로 검증된 새로운 이론 모델이 국내·외 공동 연구진에 의해 발표돼 관심을 모으고 있다.

'ELM'의 발생과 그로 인한 붕괴를 제어하는 것은 핵융합 상용화를 위해 해결해야 하는 대표적인 난제로 꼽혀 왔다.

국가핵융합연구소는 미국 프린스턴 플라즈마연구소의 박종규 박사와 공동으로 핵융합장치의 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM) 억제 조건을 예측하는 이론모델을 정립하고 실험적으로 검증하는데 성공했다고 12일 밝혔다.

모델링 예측을 통한 3D 자장의 안정 운전 영역과 이에 대한 실험 검증. (그림 왼쪽) 모델링 예측을 통한 3D 자장의 안정 운전 영역에 대한 도시 및 실험 검증을 위한 5가지 형식의 실험방법 (a~e). (그림 오른쪽) 각 실험방법 (a~e)에 따른 검증 실험 결과./자료제공=국가핵융합연구소
모델링 예측을 통한 3D 자장의 안정 운전 영역과 이에 대한 실험 검증. (그림 왼쪽) 모델링 예측을 통한 3D 자장의 안정 운전 영역에 대한 도시 및 실험 검증을 위한 5가지 형식의 실험방법 (a~e). (그림 오른쪽) 각 실험방법 (a~e)에 따른 검증 실험 결과./자료제공=국가핵융합연구소
이번 연구 성과 논문은 과학 분야의 최고 권위 국제학술지인 '네이쳐 물리학'의 9월 10일자에 게재됐다.

이번 연구는 한국의 인공태양이라 불리는 초전도핵융합연구장치 KSTAR에서 진행된 ELM 억제 실험결과를 기반으로 진공용기내부의 삼차원자기장 인가장치를 활용했다.

연구진은 KSTAR 실험 결과 분석을 통해 ELM 억제의 중요 물리기작을 실마리로 확보하고 이를 기반으로 기존의 예측모델을 뛰어 넘는 플라즈마 반응을 고려한 이론모델을 수립할 수 있었다.

이후 정교하게 계획된 KSTAR 실험을 통해 수립한 이론모델의 예측에 맞는 결과를 얻어 내 이론의 정합성을 성공적으로 규명할 수 있었던 것.

그동안 삼차원 자기장을 이용한 ELM 억제에 대한 여러 모델들이 사용되어 왔지만 실제 실험적으로 정밀하게 그 정합성이 검증된 경우는 이번에 개발된 모델이 유일하다는 게 연구진의 설명이다.

한편, 태양에너지의 원리인 핵융합 반응을 통해 에너지를 생산하기 위해서는 핵융합로 내부에 초고온 플라즈마를 안정적으로 오래 가둘 수 있어야 한다.

하지만 핵융합로에 갇힌 초고온 플라즈마는 바깥 부분과 큰 압력 및 온도차로 불안정한 특성을 지니고 있다.

특히 플라즈마 가장자리에는 파도처럼 규칙적인 패턴이 생기는 ELM이 발생한다.

'ELM'은 플라즈마 가장자리를 갑자기 풍선처럼 터지게 만들기도 해 핵융합로 내벽을 손상시키고 플라즈마를 안정적으로 가두는데 방해 요소가 된다.

지난 30년간 이를 해결하기 위한 연구가 수행돼 오던 상황에서 이 같은 모델이 발표돼 학계의 관심이 집중되고 있다.

박종규 박사는 "KSTAR가 핵융합의 난제인 ELM 억제를 해결할 수 있는 실험적으로 검증된 예측모델을 제공해 향후 ITER나 핵융합실증로에서의 ELM 제어 방안의 불확실성을 해소할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

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