핵융합 불안정 현상 예측 가능한 핵융합 코드 국내 개발
핵융합 불안정 현상 예측 가능한 핵융합 코드 국내 개발
  • 함예솔
  • 승인 2022.07.07 17:56
  • 조회수 1492
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출처 :  한국핵융합에너지연구원
출처 : 한국핵융합에너지연구원

한국핵융합에너지연구원(이하 핵융합(연))은 핵융합 플라즈마에서 나타나는 대표적 불안정 현상 중 하나인 ‘토로이달 알펜 모드(Toroidal-Alfen-Eigenmode, 이하 TAE 불안정 현상)를 해석·예측할 수 있는 국산 핵융합 시뮬레이션 코드를 개발하였다고 7일(목) 밝혔습니다.

 

TAE 불안정 현상이란 핵융합 플라즈마의 고속이온과 플라즈마가 자기장에 의해 만드는 일정한 파형의 상호작용 과정에서 생기는 불안정 현상인데요. 플라즈마 내부의 고속이온을 이탈시켜 가둠을 방해하는 특징이 있습니다. 

 

플라즈마 입자 중 일반 이온보다 수 배 높은 운동에너지를 갖는 고속이온은 핵융합에 필요한 플라즈마의 온도와 성능을 높이는 역할을 합니다. 이에 고속이온을 안정적으로 가두는 것은 핵융합 반응을 유지하기 위한 핵심 과제 중 하나입니다.

 

이에 고속이온과 TAE 불안정 현상의 상호작용 이해를 통해 TAE 불안정 현상을 줄이고, 고속이온의 가둠 성능을 향상하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있습니다. 

 

특히 해외에서는 핵융합 시뮬레이션 코드 개발을 통한 TAE 불안정 현상 연구가 다수 이루어지고 있어, 우리나라에서도 TAE 불안정 현상을 해석·예측할 수 있는 국산 코드 개발의 필요성이 높아져 왔습니다.

 

이를 위해 핵융합(연) 핵융합공학연구본부 조영우 박사는 기존에 국내 기술로 개발된 핵융합 시뮬레이션 코드인 gKPSP(gyro Kinetic Plasma Simulation Program)를 활용해, 고속이온의 움직임에 따른 TAE 불안정 현상의 변화를 계산하고, 이를 예측할 수 있는 ‘고속이온 시뮬레이션 코드’ 개발에 성공했습니다. 

 

기존 gKPSP 코드는 핵융합 플라즈마 수송 현상을 분석하는 데 주로 사용되어왔습니다. 이번 연구로 고속이온 시뮬레이션 코드가 더해지며 TAE 불안정 현상과 같은 전자기 현상의 분석이 가능하도록 기능이 확장됐습니다. 이번에 개발된 고속이온 시뮬레이션 코드는 해외 개발 코드와 교차 검증을 통해 우수한 계산 능력을 인정받았는데요.

 

해당 코드는 향후 핵융합 반응 및 각종 가열 방법 등 다양한 방식으로 생성되는 고속이온의 가둠 성능 분석에 활용되어, 고속이온의 가둠 성능 최적화를 통한 플라즈마 성능 향상 기술을 확보하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있습니다. 

 

핵융합(연) 유석재 원장은 “핵융합 시뮬레이션 코드와 같은 핵융합 소프트웨어의 확보는 향후 핵융합 실증 자체 기술 확보에 중요한 자산이 된다.”며, “KSTAR 건설과 운영을 통해 세계 최고 수준의 핵융합 연구 역량을 보여준 우리나라가 핵융합 소프트웨어 분야에서도 세계 수준의 경쟁력을 확보하기 위해 다양한 노력을 기울이겠다.”고 밝혔습니다. 

연구 결과는 지난 6월 7일 국제 학술지인 ‘Physics of Plasmas’에도 게재됐습니다. 

논문명 : Hybrid-gyrokinetic simulations of low-n toroidal Alfvén eigenmodes using gKPSP

 

#용어설명

1. 핵융합에너지

태양에너지의 원리인 핵융합 반응 과정에서 나오는 에너지로 지구에서 인공적으로 핵융합 반응을 만들어 미래 에너지원으로 활용할 수 있도록 개발하는 연구가 진행되고 있음. 

2. 플라즈마

원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째 상태로 우주의 99.9%를 차지하고 있으며, 초고온의 플라즈마 상태에서 원자핵이 반발력을 이기고 융합하는 핵융합 반응이 일어난다. 핵융합 장치 내에서 핵융합이 일어날 수 있도록 초고온의 플라즈마를 연속적으로 운전하는 것은 핵융합 기술 개발의 핵심 과제임. 

3. KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)

’95년부터 ’07년까지 12년에 걸쳐 국내 기술로 개발된 우리나라의 초전도 핵융합연구장치로 ’08년 최초 플라즈마 발생에 성공하였음. 주요 선진국들이 공동으로 개발하고 있는 국제핵융합실험로(ITER) 장치와 동일한 초전도 재료로 제작된 세계 최초의 장치로 국제 핵융합 공동 연구장치의 핵심으로 주목받고 있으며, 매년 핵융합 기술 개발을 위한 플라즈마 실험을 수행하고 있음.

4. 고속이온

핵융합로 내에서 플라즈마를 구성하는 이온 중 일반적인 플라즈마보다 수 배의 운동에너지를 가지는 이온으로 주로 외부에 의한 플라즈마 가열 또는 핵융합 반응으로 발생함. 고속이온의 운동에너지는 다른 이온들에게 전달되어 초고온 달성을 용이하게 하므로 고속이온을 안정적으로 가두는 것은 플라즈마 성능 향상에 매우 중요함. 

5. 토로이달 알펜 모드(Toroidal Alfen Eigenmode)

플라즈마가 자기장과 반응할 때 특징적인 파동이 발생하는데 이 파동을 발견한 과학자 ‘하네스 알펜’의 성을 따 ‘알펜파(Alfen wave)라고 명명됨. 이 알펜파가 핵융합 장치처럼 도넛 형태, 즉 토로이달 공간에서 발생할 경우 ‘토로이달-알펜-모드’라고 부르며 고속이온의 감금 성능을 저하시켜 대표적인 플라즈마 불안정 현상으로 여겨짐.

 

 


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