'블랙 오로라'의 전기장 발생 원인 풀렸다

핵융합연, 플라즈마 경계 영역 전기장 발생 원리 논문 발표

오로라의 어두운 부분인 ‘블랙 오로라’에서 발생하는 강한 전기장의 비밀이 국내 핵융합 연구자에 의해 밝혀졌다.

국가핵융합연구소는 KSTAR연구센터의 이관철 책임연구원이 핵융합장치에서 발생하는 플라즈마 현상을 분석하는 방법을 활용해 오로라와 같은 지구 이온층에서 발생하는 전기장의 원리를 규명하는데 성공했다고 22일 밝혔다.

‘블랙오로라’는 극지방에서 관찰되는 오로라 중 어둡게 보이는 부분으로 이 부분에 인공위성이 지나갈 때 강한 전기장이 측정된다. 통신장애의 원인이 되기도 하는 오로라의 신비로운 현상 중 하나로 1990년대 스웨덴의 인공위성에 의해 측정 결과가 발표되었으나, 그 발생 원리에 대한 명확한 규명은 현재까지 이루어지지 않고 있었다.

핵융합연 이관철 연구원은 오로라에서 발생하는 강한 전기장의 원리를 핵융합장치에서 만들어진 초고온 플라즈마에서 나타나는 전기장 발생 현상과 동일한 방법으로 설명할 수 있다는 것을 밝혀냈다.

핵융합장치 내부에 만들어지는 초고온 플라즈마의 가장자리 부분에는 이온화 되지 않은 원자나 분자 상태의 중성입자가 존재한다. 이 중성입자들은 플라즈마를 구성하는 이온들과 충돌하여 반응을 일으킨다. 이때 핵융합장치에서 발생하는 자기장에 의해 나선 운동을 하던 이온들은 직선 운동을 하는 중성입자와 충돌하면서, 나선 운동의 축 위치가 변경된다. 이관철 연구원은 본인이 개발한 ‘자이로중심 이동분석법’을 적용해 중성입자와 이온의 충돌에 의한 이온의 위치 변경 때문에 플라즈마 경계면에서 전기장이 발생한다는 사실을 밝혀냈다.

이관철 연구원은 핵융합플라즈마에서 이온의 움직임을 계산하는 ‘자이로중심이동분석법’을 오로라 같은 자연 현상에도 적용했다. 그 결과 블랙오로라에서 나타나는 강한 전기장 역시 핵융합플라즈마와 마찬가지로 이온과 중성입자의 상호작용에 의한 현상이라는 것을 세계 최초로 규명하게 됐다. 또한 적도 부근 고도 약 100 km 상공의 지구이온층에서 정오 무렵 동쪽으로 발생하는 전류 현상인 적도고층전류(Equatorial Electro Jet)에서 관측된 수직 방향의 전기장 역시 같은 방식으로 설명할 수 있다는 것도 밝혀냈다.

이 같은 핵융합플라즈마와 오로라에서 나타나는 전기장 발생 현상 규명 결과는 기존 플라즈마 물리학의 기본원리로 잘 알려진 ‘준중성(quasi-neutrality)’이론에도 새로운 시각을 제시한다. 준중성은 이온과 전자로 이루어진 플라즈마는 내부에 전기장이 생겨도 아주 작은 영역에서만 존재하고 플라즈마 전체적으로는 평형을 이루고 있다는 원리이다. 하지만 이번에 규명된 오로라의 전기장 현상은 이 원리와 일치하지 않는 결과를 보이며, 플라즈마 경계 영역에서는 준중성 원리가 성립되지 않는다는 새로운 사실을 입증한 것이다.

자이로중심이동분석법을 활용한 플라즈마 경계면의 자기장 관련 연구는 향후 핵융합 상용화 기술 개발을 위한 최적의 고성능 플라즈마 운전 모드(H-모드) 제어 방법을 찾고, 플라즈마 경계면의 손상을 줄일 수 있는 상용핵융합로 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이번 연구 성과를 담은 논문은 지난 15일 플라즈마 물리학 분야의 대표적인 국제학술지인 ‘피직스 오브 플라즈마(Physics of Plasmas)’에 게재됐다.

이번 연구논문의 단독저자인 이관철 NFRI연구원은 “인공태양이라고도 불리는 핵융합 장치에서 만드는 초고온 플라즈마는 우주와 유사한 현상을 보인다. 핵융합플라즈마 연구 과정에서 나온 결과가 오로라와 같은 자연현상에서 발생하는 물리법칙을 규명한 것도 흥미로운 결과지만, 이 같은 방법으로 핵융합연구의 난제를 해결할 수 있다는 사실을 알리고 싶었다”고 소감을 밝혔다.