서울공대 원자핵공학과 나용수·함택수 교수팀, 초고온 핵융합을 가능하게 하는 新물리 원리 발견 
플라즈마 난류 억제로 초고온 핵융합 가능성 열어 

  

▲ 그림 1. 고에너지 입자의 존재 유무에 따른 난류 및 에너지 손실 비교 : 토카막 플라즈마의 단면을 살펴보면, 고에너지 입자가 존재할 경우 파란색 영역이 넓어지면서 난류가 현저히 감소하는 양상을 확인할 수 있다. 에너지 손실 측면에서도 고에너지 입자가 있을 때 손실량이 크게 줄어드는 것으로 나타났다. 해당 결과는 독일 막스플랑크 플라즈마물리연구소의 ASDEX Upgrade 장치에서 수행된 실험을 기반으로, GENE 선회운동론(gyrokinetic) 코드로 시뮬레이션한 것이다.

국내 연구진이 핵융합 에너지 실현을 앞당길 수 있는 새로운 물리 원리를 발견해 주목된다.

서울대학교 공과대학은 서울대 원자핵공학과 나용수 교수와 함택수 교수 연구팀이 핵융합로 내부에 존재하는 고에너지 입자들이 기존에 알려졌던 것처럼 성능을 저해하는 것이 아니라, 오히려 핵융합 성능을 향상시키는 역할을 할 수 있다는 사실을 종합적인 실험 및 시뮬레이션 분석을 통해 규명했다고 밝혔다.

핵융합은 태양과 별이 에너지를 만드는 원리로, 두 개의 가벼운 원자핵이 합쳐져 더 무거운 원자핵이 되면서 막대한 에너지를 방출하는 현상이다. 탄소 배출이 없고, 무한으로 연료 공급이 가능해 차세대 친환경 에너지원으로도 주목받고 있다.

핵융합 에너지를 상용화하려면 수소 이온을 1억 도 이상의 초고온 상태로 오랜 시간 안정적으로 유지하는 기술이 필수적이다. 그러나 플라즈마* 내 난류가 핵융합 반응을 방해한다고 알려져 있어 이를 제어하는 기술 개발이 중요한 과제로 남아 있었다.
* 플라즈마 : 초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태로, 흔히 '제4의 물질 상태'라고 부른다. 일상에서 볼 수 있는 인공적인 플라즈마 상태로는 형광등·수은등·네온사인 등이 있다.

연구팀은 다양한 토카막* 장치에서 수행된 실험 및 시뮬레이션 결과를 바탕으로 고에너지 입자와 플라즈마 난류 간의 상호작용을 네 가지 주요 물리 기작으로 분류, 이들 입자가 난류를 억제하는 구체적인 메커니즘을 규명했다.
* 토카막 : 핵융합 발전에서 태양처럼 핵융합 반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 도넛형 장치.

자기장 구조 변화, 이온 밀도 희석에 의한 억제, 난류와의 상호작용, 불안정성 유발 및 상호작용 등 네 가지 물리 기작에 의해 고에너지 입자가 플라즈마 난류와 상호작용하며, 이 기작들 뒤에서 고에너지 입자가 전단유동(zonal flow)*이라고 불리는 유동을 강화시켜 난류를 억제하는 데 이를 통해 핵융합 성능을 높일 수 있다는 사실을 밝혀냈다.
* 전단유동(zonal flow) : 자연이나 실험실 환경에서도 흔히 관찰되는 흐름으로 띠처럼 생긴 대칭적인 유동. 전단유동은 플라즈마에서 미세한 파동들의 상호작용을 통해 자발적으로 발생하며 난류를 억제하는 데 중요한 역할을 함.

고에너지 입자가 플라즈마 난류를 억제하는 물리적 기작을 바탕으로, KSTAR* 장치 등에서 고에너지 입자를 최적화하여 플라즈마 난류를 제거하고 초고온 플라즈마를 형성·장시간 유지하는 연구가 활발히 진행될 것으로 기대된다.
* KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) : 대한민국이 독자 개발에 성공한 한국형 핵융합 연구로

나용수 교수는 “본 연구를 통해 핵융합로에서 고에너지 입자를 활용하여 출력을 높일 수 있는 새로운 가능성이 열렸다”며 “이 성과는 향후 소형 핵융합로나 실증로 설계에 적용되어 핵융합 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 설명했다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 핵융합선도기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제적인 권위 학술지 ‘네이처 리뷰스 피직스(Nature Reviews Physics, Impact Factor : 44.8)’ 2025년 4월호에 게재되었다.

▲ (좌측부터) 서울대학교 원자핵공학과 나용수 교수, 서울대학교 원자핵공학과 함택수 교수

[참고자료]
- 논문명/저널 : “How fast ions mitigate turbulence and enhance confinement in tokamak fusion plasmas”, Nature Reviews Physics
- DOI : https://doi.org/10.1038/s42254-025-00814-8

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