서울대 공대(학장 차국헌)는 원자핵공학과 나용수 교수 연구팀(제1저자 양성무 박사)이 외부 자기장을 이용한 핵융합 플라즈마 가속 및 안정화 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.
태양에서 에너지가 발생하는 원리인 핵융합 반응은 태양이 가진 매우 큰 중력으로 수소를 가두며 지속적인 반응을 만들어 낸다. 중력이 작은 지구 위에서도 자기장을 활용하면 훨씬 작은 규모로도 매우 효율적인 핵융합 반응을 만들 수 있는데, 최근 핵융합 에너지를 상용화하기 위해 이러한 연구가 각광받고 있다. 대표적인 예가 바로 토카막 장치다.
자기장 핵융합 장치는 고온의 플라즈마를 자기장으로 가둬 핵융합 반응을 일으킨다. 플라즈마 상태에서 원자의 전자와 이온이 분리되는데 전자는 이온보다 질량이 매우 작기 때문에 자기장을 통해 훨씬 쉽게 가둘 수 있다. 반면 질량이 큰 이온은 매우 작은 자기장의 변화에도 손실이 일어나 플라즈마 회전의 감소로 이어져, 플라즈마 안정성을 감소시키는 한계가 있다.
연구진은 기존의 상식을 뒤집어 자기장의 변화가 역으로 플라즈마 회전을 증가시키는 데 착안했다. 일반적으로 핵융합 성능을 악화시키는 비대칭 자기장을 활용해 전자의 이동을 이온보다 더 크게 만들 수 있는 조건을 찾아낸 것이다.
이를 통해 더욱 안정적인 핵융합 플라즈마를 만들 수 있음을 국내 토카막 장치인 KSTAR(국가핵융합연구소(Princeton Plasma Physics Laboratory) 연구팀과의 공동 실험을 통해 최초로 검증하는 데 성공했다. 또한 미국 프린스턴 플라즈마 물리 연구소 소속 박종규 박사와 공동 연구를 통해 실험 결과를 컴퓨터 전산모사를 통해 정량적으로도 설명할 수 있음을 확인했다.
서울대 나용수 교수는 “이번에 검증한 비대칭 자기장에 의한 플라즈마 회전 가속 기술은 대규모 핵융합로에서 매우 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”며, “연구 결과는 우리나라와 함께 유럽연합, 미국, 일본, 러시아, 중국, 인도가 참여하고 있는 국제핵융합실험로(ITER)에 매우 큰 파급력을 지닐 것”이라고 말했다.
연구 결과는 세계적인 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 8월 29일자로 게재됐다. 한편 논문의 제1저자인 양성무 박사는 이번 연구 이후 박사학위 취득 후 프린스턴 플라즈마 물리 연구소에 박사후 연구원으로 채용됐다.