한국핵융합연구원 조영우 박사한국핵융합에너지연구원은 핵융합 플라즈마에서 나타나는 대표적 불안정 현상중 하나인 ‘토로이달 알펜 모드(Toroidal-Alfen-Eigenmode·TAE 불안정 현상)를 해석·예측할 수 있는 국산 핵융합 시뮬레이션 코드를 개발했다고 7일 밝혔다.
TAE 불안정 현상이란 핵융합 플라즈마의 고속이온과 플라즈마가 자기장에 의해 만드는 일정한 파형의 상호작용 과정에서 생기는 불안정 현상으로 플라즈마 내부의 고속이온을 이탈시켜 가둠을 방해하는 특징이 있다.
플라즈마 입자 중 일반 이온보다 수 배 높은 운동에너지를 갖는 고속이온은 핵융합에 필요한 플라즈마의 온도와 성능을 높이는 역할을 한다. 이에 고속이온을 안정적으로 가두는 것은 핵융합 반응을 유지하기 위한 핵심 과제중 하나이다.
이에 따라 고속이온과 TAE 불안정 현상의 상호작용 이해를 통해 TAE 불안정 현상을 줄이고 고속이온의 가둠 성능을 향상하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
특히 해외에서는 핵융합 시뮬레이션 코드 개발을 통한 TAE 불안정 현상 연구가 다수 이루어지고 있어 한국에서도 TAE 불안정 현상을 해석·예측할 수 있는 국산 코드 개발의 필요성이 높아져 왔다.
이를 위해 핵융합연 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 성공했다.
기존 gKPSP 코드는 핵융합 플라즈마 수송 현상을 분석하는 데 주로 사용돼 왔으나 이번 연구로 고속이온 시뮬레이션 코드가 더해지며 TAE 불안정 현상과 같은 전자기 현상의 분석이 가능하도록 기능이 확장됐다. 이번에 개발된 고속이온 시뮬레이션 코드는 해외 개발 코드와 교차 검증을 통해 우수한 계산 능력을 인정받았다.
해당 코드는 향후 핵융합 반응 및 각종 가열 방법 등 다양한 방식으로 생성되는 고속이온의 가둠 성능 분석에 활용돼 고속이온의 가둠 성능 최적화를 통한 플라즈마 성능 향상 기술을 확보하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
핵융합연 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 밝혔다.
이번 연구 결과는 지난 6월 7일 국제 학술지인 ‘Physics of Plasmas’에도 게재됐다.
