핵융합 방해한 고에너지 입자로 핵융합 효율 높였다

케이스타(KSTAR) 프로젝트는 태양 같은 별에서 일어나는 핵융합 현상을 거대한 '토카막' 구조에서 인공적으로 일으켜 에너지를 생산하는 것이 목표다. 한국핵융합에너지연구원 제공

국내 연구팀이 핵융합 성능을 저해하는 것으로 알려진 핵융합로 내의 고에너지 입자들이 오히려 핵융합 효율을 높일 수 있다는 사실과 메커니즘을 규명했다.

한국연구재단은 나용수·함택수 서울대 교수 연구팀이 핵융합로 내부 고에너지 입자가 핵융합 성능을 향상할 수 있다는 사실을 실험과 시뮬레이션 분석을 통해 규명했다고 5일 밝혔다. 연구결과는 3월 26일(현지시간) 국제학술지 '네이처 리뷰 피직스'에 공개됐다.

핵융합발전은 태양을 포함한 별(항성) 내부에서 원자핵이 융합하면서 발생하는 막대한 에너지를 활용한 전력 생산 기술이다. 탄소 배출이 없어 미래 친환경 에너지원으로 주목받는다.

핵융합발전을 상용화하려면 수소 이온을 1억℃ 이상의 초고온 상태로 유지하는 기술이 필수적이다. 도넛 모양의 핵융합로인 토카막 내부에는 높은 온도에서 이온과 전자가 분리된 제4의 물질 상태인 플라즈마가 형성된다. 핵융합 반응을 방해하는 것으로 알려진 플라즈마의 난류를 제어하는 기술이 핵융합 발전의 핵심 과제로 남아 있다. 

연구팀은 토카막 장치에서 수행된 실험과 시뮬레이션 결과를 바탕으로 토카막 내 고에너지 입자와 플라즈마 난류의 상호작용을 분석했다.

그 결과 자기장 구조 변화, 이온 밀도 희석에 의한 억제, 난류와의 상호작용, 불안정성 유발 및 상호작용 등 네 가지 물리적 메커니즘에 따라 고에너지 입자가 플라즈마 난류와 상호작용한다는 사실이 확인됐다.

연구결과에 따르면 고에너지 입자가 전단유동(zonal flow)으로 불리는 움직임을 강화시켜 난류를 억제하고 핵융합 성능을 높일 수 있다.

이번에 규명된 메커니즘을 바탕으로 한국초전도핵융합연구장치(KSTAR) 등에서 고에너지 입자의 움직임을 최적화해 플라즈마 난류를 제거해 핵융합 효율을 높일 것으로 기대된다.

나 교수는 "핵융합로에서 고에너지 입자를 활용해 출력을 높일 가능성이 열렸다"며 "소형 핵융합로나 실증로 설계에 적용되어 핵융합 상용화에 크게 기여할 것으로 기대한다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s42254-025-00814-8

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]