핵융합 1억도 유지 가로막는 플라스마 붕괴조건 찾았다

핵융합연구원, KSTAR 이용해 플라스마 난류와 자기섬 상관 관계 실험으로 첫 확인

초고온 플라스마에서 발생하는 난류와 플라스마를 가둔 자기력선을 붕괴시키는 자기섬 사이의 상호 작용이 실험으로 처음 확인됐다. 분홍색 점선이 자기섬이다. 한국핵융합에너지연구원 제공

‘한국형 인공태양’으로 불리는 한국형초전도핵융합장치(KSTAR)를 이용해 핵융합 플라스마의 오랜 난제가 처음 풀렸다. 이를 이용하면 KSTAR에서 1억도의 초고온 플라스마를 20초 이상 발생시키는 데도 도움이 될 전망이다.  

핵융합 반응이 일어나기 위해서는 1억도 이상 초고온 상태의 플라스마가 필요하고, 이런 플라스마가 오랫동안 안정적으로 유지돼야 한다. 플라스마 내부에서 온도와 밀도가 주변과 조금이라도 다른 부분이 생기면 작은 요동이 일어나고 이는 불안정한 상태의 난류로 발전한다. 비행 중 기체를 때리는 난류와 비슷하다. 

또 플라스마를 가둬 놓은 자기력선이 찢어지거나 재결합해 자기장이 섬 모양으로 형성되는 '자기섬(magnetic island)'이 생기면 플라스마가 붕괴할 수 있다.

그간 학계에서는 자기섬에 의한 플라스마 붕괴에 난류가 영향을 미칠 것으로 예상해왔지만 진단장치의 한계 때문에 실제로 이를 관측하지는 못했다. 

최민준 한국핵융합에너지연구원 선임연구원 등 국제공동연구진은 KSTAR의 전자온도영상진단장치를 이용해 자기섬 주변에서 형성되는 플라스마 난류의 세기 분포를 2차원으로 정밀하게 측정했다. 그 결과 난류의 세기가 증가하면 플라스마가 급격히 붕괴한다는 사실을 처음 확인했다.

최 선임연구원은 “자기섬이 5~6cm 수준에서는 플라스마가 붕괴하더라도 약한 수준인데, 20cm까지 자라면 플라스마가 완전히 붕괴한다”고 설명했다. 

KSTAR는 지난해 11월 1억도의 초고온 플라스마를 20초 이상 연속으로 발생시키는 데 성공한 뒤 현재 30초를 목표로 운전 시간을 늘리고 있다. 궁극적으로는 300초 운전에 성공해 핵융합발전 가능성을 입증할 예정이다. 

최 선임연구원은 “KSTAR가 장시간 운전하기 위해서는 플라스마 난류와 자기섬 등 플라스마의 움직임을 불안정하게 만드는 요인을 조절해야 한다”며 “난류를 제어해 자기섬에 의해 플라스마가 붕괴하는 현상을 억제하는 데 이번 연구를 활용할 수 있을 것”이라고 말했다. 

연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 1월 14일자에 실렸다. 

[이현경 기자 uneasy75@donga.com]