서울대 공대 원자핵공학과 나용수 교수 연구팀, 핵융합 토카막 상용화의 난제 ‘폭주 전자’ 원리 규명
- 안전한 핵융합 상용로 설계 위한 발판 마련   
- 국제 학술지 Physical Review Letters 논문 게재


▲ (좌측부터) 서울대 원자핵공학과 나용수 교수(교신저자), 이영선 학생(제1저자)

서울대학교 공과대학은 원자핵공학과 나용수 교수 연구팀이 핵융합로 토카막(tokamak)을 시동할 때 발생하는 폭주 전자의 형성 원리를 규명했다고 밝혔다.

이번 연구는 안전한 핵융합* 상용로 설계를 위해 해결해야 할 핵심 난제 중 하나인 ‘폭주 전자’의 발생 원리를 밝힌 것으로 평가받는다.
* 핵융합: 가벼운 원자핵이 고온ㆍ고압에서 결합해 무거운 원자핵으로 되는 반응. 질량 결손에 해당하는 에너지가 방출됨.

핵융합 발전은 지구에 인공태양 장치인 토카막*을 만들고, 바닷물에서 얻은 원료를 이용하여 핵융합 반응을 일으켜 청정에너지를 생산하는 발전 방식이다.
* 토카막: 둥근 도넛 모양의 장치 안에 자기장을 걸어서 플라즈마 입자의 운동을 구현하는 인공 태양 장치.

토카막에서 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 먼저 고온의 플라즈마를 발생시켜야 하는데 이를 시동이라고 부른다. 토카막 시동을 위해서는 번개의 원리와 같이 강한 전기장이 필요한데, 이 전기장은 폭주 전자를 발생시키는 문제점이 있다. 폭주 전자란 강한 전기장으로부터 끊임없이 에너지를 받아 가속을 억제할 수 없는 고에너지 전자를 말한다. 폭주 전자는 플라즈마를 형성시키기 위해 외부에서 인가한 에너지를 빼앗아 플라즈마 형성을 방해하고 장치에 치명적인 손상을 가할 수 있다. 따라서 토카막 상용화를 위해서는 폭주 전자의 형성 원리를 규명하고, 발생을 정확하게 예측할 수 있는 기술이 필요하다.

연구팀은 독일 막스 플랑크 연구소(Max-Planck Institute for Plasma Physics) 및 국제핵융합실험로(ITER) 국제기구와 공동연구를 통해 폭주전자를 기술할 수 있는 동역학 이론을 일반화해서 폭주 전자의 새로운 발생 기작을 규명하며, 핵융합 상용로 시동 설계의 이론적 병목을 해결했다. 토카막 시동 중 수소원자와 비탄성 상호작용*을 겪지 않는 일부 전자들이 폭주 전자를 형성하는데 큰 기여함을 밝혔다. 더불어 이를 규명하기 위해 전자 동역학 이론을 일반화하고 고전 모델과의 상반된 예측 결과를 입증했다.
* 비탄성 상호작용: 에너지 전달에 의한 수소원자의 내부 상태 변화가 수반되는 상호작용
 
나용수 교수는 “이번 연구 결과는 정확한 폭주 전자 형성률을 제공하여 향후 한국형 실증로와 상용로 뿐만 아니라 우리나라와 유럽연합, 미국, 일본, 러시아, 중국, 인도가 참여하는 국제핵융합실험로(ITER) 시동 설계에 활용될 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 핵융합선도기술 개발사업 지원으로 진행된 본 연구의 성과는 지난 10월 24일 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 온라인판에 게재됐다.


▲ (그림1) 고전 이론의 한계와 개정 이론에서의 개선점
고전 이론에서는 고에너지 전자가 중성 수소와 상호작용을 할 때 에너지 손실을 평균을 취해서 (항상 상호작용 후 중간 에너지를 가지게) 기술한다는 문제점이 있었다. 본 연구에서 새롭게 제시한 이론은 현실 상황을 그대로 설명할 수 있게끔, 전자가 탄성 상호작용을 할 때는 거의 에너지를 잃지 않고, 비탄성 상호작용을 할 때만 많은 에너지를 잃게 (저에너지가 되게) 수정했다.

▲ (그림2) 이온화 정도에 따른 폭주 전자 형성률                         
개정 이론(빨간색 표식)에서는 현실에서 관측되던 경향성과 부합하게 강한 폭주 전자 형성을 예측하고 있는 데 반해 고전 이론(파란색 표식)에서는 이를 전혀 예측하지 못하고 있다.

[참고자료]
Y. Lee, P. Aleynikov, P. C. de Vries, Y.-S. Na, et. al., Binary Nature of Collisions Facilitates Runaway Electron Generation in Weakly Ionized Plasmas, Phys. Rev. Lett., 133, 175102 (2024)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.175102

[문의]
서울대학교 원자핵공학과 나용수 교수 / 02-880-7204 / ysna@snu.ac.kr