30년된 플라즈마 물리 난제 국내 과학자가 해결

네이처에 '다중 스케일 연계 현상' 규명 논문 게재…"핵융합 연구 진전 기대"

플라즈마 물리의 난제중 하나인 '다중 스케일 연계 현상'이 학계에서 논의된지 30년 만에 국내 연구진에 의해 처음 규명됐다.

연구 성과는 국제학술지 '네이처'에 7일(현지시간 6일 오후4시) 게재됐다.

'다중 스케일 연계'는 플라즈마 시스템에서 서로 다른 시간 및 공간 규모의 물리 현상들이 복잡하게 상호작용하며 영향을 주고받는 현상을 말한다. 1990년 중반 본격 제기됐다.

국내 연구진이 플라즈마 물리 난제를 해결했다. 그림은 자기 난류 발생과 3차원 자기 재연결을 통한 자기유체 평형 변화 과정을 나타낸 모식도. 전산모사 결과 두 로프가 하나로 합쳐진 모습을 볼 수 있다.(그림=서울대)

매우 미세한(나노초·마이크론 단위) 미시적 움직임이, 전체 시스템(미터·초 단위) 거동에 영향을 주거나 반대로 거시적 조건이 미시 현상에 피드백을 주는 구조다.

플라즈마 물리에서 '다중 스케일 연계' 현상이 난제로 불리는 이유는 미시적, 거시적 스케일을 동시에 관측하는 실험을 구현하기에 어려움이 많았다. 

또한 스케일 간 상호작용이 선형적이지 않고, 복잡한 피드백 루프를 형성하는 것도 측정의 어려움 중 하나였다.

서울대 박종윤 박사는 "슈퍼컴퓨팅 자원이나 구형 토러스 등으로 실험이 가능했다"며 "플라즈마 내에서 발생하는 3차원 자기재연결 현상을 시뮬레이션으로 검증한 세계 최초의 사례"라고 설명했다.

자기재연결은 자화 플라즈마 환경에서 순간적으로 발생해 에너지 방출과 구조 변화를 유발하는 현상이다. 태양 플레어와 같은 자연 현상이나 핵융합 과정에서 나타나는 현상이 대표적이다.

연구팀은 국내 유일 구형토러스(ST) 장치인 서울대학교 베스트(VEST)에서 두 개의 플럭스 로프를 형성한 뒤, 각 로프에 고속 전자빔을 주입해 미시 자기 난류를 유도했다.

그 결과 이 전자빔은 배경 알펜 속도보다 높은 속도로 플라즈마를 따라 이동하면서 플럭스 로프 주변부에 미시 난류를 만들어내 자기 재연결을 유발하는 것을 확인했다.

특히, 플라즈마 내 자기 유체 평형이 급격히 재편되며, 이 과정에서 자기 재연결에 의한 X-ray 방출, 이온 온도 상승, 전류 밀도 재분포 등 다양한 에너지 교환 및 재구성 현상이 함께 관찰됐다는 것이 연구팀 설명이다.

플라즈마 물리 난제를 해결한 서울대 박종윤 박사와 윤영석 APCTP 박사, 황용석 서울대 교수.(왼쪽부터)

박종윤 박사는 "단순 거시적 자기 유체 평형 변화가 아니라, 미시 자기 난류 발생 → 로프 병합 → 평형 붕괴 → 재형성이라는 단계적 경로를 통해 진행됐다"며 "이는 기존의 자기유체역학적이론(MHD)만으로는 설명되지 않는 다중 스케일(Multiscale) 상호작용 현상임이 확인됐다"고 부연 설명했다.

구형토러스는 구에 가까운 형태로 설계된 고체계 플라즈마 장치다. 또 플럭스 로프는 플라즈마가 자기장과 상호작용하며 형성된 원통형 자기 구조체를 말한다.

연구팀은 이를 세포기반 입자 시뮬레이션 기법(PIC)으로 재현했다. 입자 수준에서 유도된 난류가 자기재연결을 유발하고, 그 결과 전체 시스템의 자기 구조를 바꾸는 과정을 입증했다.

시뮬레이션에서도 실험과 같이 전자빔 속도가 높을수록 난류 세기가 커지고, 자기재연결 및 플럭스 로프 병합이 더 명확하게 발생하는 것이 확인됐다는 것이 연구진 설명이다.

이번 연구는 전 과정이 순수 국내 연구진에 의해 수행됐다.

한국핵융합에너지연구원 플라즈마 토치 시연 모습.

서울대학교 황용석 교수와 박종윤 박사는 차세대 핵융합로 운전 기술 개발을 위한 실험 기반 연구를 수행하며 미시 난류와 자기 유체 평형 변화를 관찰했다.

아시아태평양이론물리센터(APCTP) 윤영대 박사는 시뮬레이션 수행 및 추가 이론 분석을 맡았다.

APCTP 윤영대 박사는 "자기재연결의 개시(onset)에 대한 이해를 바탕으로, 플라즈마 난류 제어 및 전류 구동 기술 고도화에 기여할 수 있을 것"으로 내다보며, "차세대 핵융합 장치(ST)의 안정적 운전 기술 개발에 중요한 기반이 될 것"으로 기대했다.

연구는 과기정통부 기초연구사업(중견연구, 우수신진연구)과 아태이론물리센터지원사업 및 국가과학난제도전협력지원단(서울대) 지원으로 수행됐다.