‘제2의 태양’ ‘인공태양’으로 불리는 핵융합 발전이 상용화되기 위해서는 자기장을 이용해 고온의 플라즈마를 가둬둘 수 있어야 한다. 핵융합 분야에서는 플라즈마를 가둬두는 과정에서 발생하는 에너지 손실현상이 풀리지 않는 문제였다. 핵융합 상용화 연구가 시작된지 30년 동안 난제로 남아있던 이 문제를 국내 연구진이 풀어냈다.

　울산과학기술원(UNIST)와 포스텍, 국가핵융합연구소 공동연구진은 핵융합 플라즈마의 경계면 불안정성 현상이 발생하는 구체적인 메커니즘을 물리학 분야 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 최신호에 발표했다.

　핵융합 반응을 일으키기 위해서는 수 천만~수 억도 이상의 고온 플라즈마를 오랜 시간 가둬둘 수 있어야 한다. 플라즈마는 초고온의 음전하를 지닌 전자와 양전하를 지닌 이온이 분리된 기체 상태로 고체, 액체, 기체와 함께 ‘제4의 물질 상태’로 불린다. 고온의 플라즈마는 토카막이라는 용기에 강력한 자기장을 걸어 중간에 띄워놓는 형태로 가둔다. 토카막에 갇힌 고온의 플라즈마 표면은 외부와 압력이나 온도차이가 커 ‘경계면 불안정성’(ELM) 현상이 생기면서 에너지 손실이 발생한다. ELM 현상은 안정적인 핵융합 반응을 방해하기 때문에 핵융합 상용화를 위해서는 반드시 해결해야 하는 문제다.

　토카막 외부에서 강한 자기장을 가하면 ELM 현상이 사라진다는 사실은 기존에도 알려졌지만 왜 이런 현상이 나타나는지 밝혀지지 않아 근본적인 문제 해결이 어려웠다.

　연구진은 외부 자기장으로 플라즈마를 제어할 때 생기는 작은 소용돌이 형태의 난류현상이 고온의 플라즈마 상태를 안정적으로 바꾼다는 사실을 밝혀냈다. 외부 자기장을 걸어주면 고온 플라즈마와 플라즈마 표면 같은 경계면의 전자 온도와 밀도가 요동치면서 ELM 현상을 없앤다는 해석이다. 핵융합계에서는 이번 연구가 ELM 제어 방법 개발에 새로운 가능성을 열어준 것이라고 평가하고 있다.

　이재현 UNIST 핵융합플라즈마물리연구센터 연구원은 “한국형 핵융합실험장치(KSTAR)에 설치된 장치를 이용해 기존에 관측하기 어려웠던 난류현상과 ELM 현상을 살펴볼 수 있었다”며 “핵융합 난제 중 하나인 외부 제어용 자기장을 이용한 ELM 현상 억제 메커니즘을 밝혀냄에 따라 핵융합 상용화에 한걸음 더 다가서게 됐다”고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr