서울공대 원자핵공학과 황용석 교수팀, 핵융합과 우주물리의 학제간 융합연구로 플라즈마 다중 스케일 연계 현상 입증 
- 서울대-APCTP 공동 연구팀, 세계적 학술지 네이처(Nature) 논문 게재 
- 실용적 핵융합 기술개발과 동시에 플라즈마 물리의 학문적 난제 해결 실마리 제공


▲ (왼쪽부터) 서울대학교 차세대 에너지 통합형 인력양성사업단 박종윤 BK조교수, 아시아태평양이론물리센터(APCTP) 윤영대 박사, 서울대학교 원자핵공학과 황용석 교수  

서울대학교 공과대학은 원자핵공학과 황용석 교수팀과 아시아태평양이론물리센터(소장 사사키 미사오, 이하 ‘APCTP’)의 공동 연구팀이 핵융합 실험과 우주 플라즈마 이론의 융합을 통해 플라즈마 물리의 난제 중 하나인 다중 스케일 연계(Multiscale Coupling) 현상을 입증했다고 밝혔다.

서울대 원자핵공학과 및 에너지시스템공학부 소속 황용석 교수(연구책임자)의 제안으로 시작된 이번 연구는 서울대 차세대 에너지 통합형 인력양성사업단 소속 박종윤 BK조교수(제1저자)와 APCTP 소속의 이론 연구원인 윤영대 박사(교신저자)를 포함해 총 세 명의 순수 국내 연구진만으로 이뤄낸 성과로, 대한민국의 플라즈마 과학기술 연구 수준을 세계적으로 한층 더 높인 사례로 평가받고 있다.

기체, 액체, 고체가 아닌 제4의 상태라고도 불리는 플라즈마를 연구하는 플라즈마 물리 연구자들에게 플라즈마의 미시적 현상을 이용하여 플라즈마 구조의 거시적 변화를 일으키는 다중 스케일 연계 문제는 학계의 오래된 난제였다.

한편, 플라즈마는 핵융합 반응의 매개일 뿐만 아니라 우주의 대부분을 차지하는 물질 상태인 만큼, 플라즈마의 다중 스케일 연계 문제는 핵융합 기술 개발과 우주의 근원에 대한 연구의 중요한 주제로 여겨져 왔다.

서울대 박종윤 BK조교수와 APCTP 윤영대 박사의 연구팀은 서울대에 구축된 핵융합 실험 장치를 이용한 실험 데이터 분석과 한국핵융합에너지연구원의 KAIROS 슈퍼컴퓨터를 이용한 입자 시뮬레이션 검증을 통해, 미시 자기 난류를 발생시키면 자기재연결*이 효과적으로 발생해 플라즈마에 거시적인 구조 변화를 일으킬 수 있다는 사실을 입증하였다.
* 자기재연결(Magnetic Reconnection) : 자기장 에너지가 플라즈마 열에너지로 변화되는 과정

공동 연구팀의 연구 결과는 강한 전자빔에 의해 의도적으로 발생된 미시 자기 난류가 플라즈마의 저항성을 높이게 되면 자기재연결을 효과적으로 유도하며, 궁극적으로 플라즈마의 거시적 구조 변화를 수반하는 다중 스케일 역학을 실험으로 구현하고 그 원인을 입증한 최초의 연구 사례이다. 특히, 서울대학교의 핵융합로 운전 실험과 APCTP의 이론 시뮬레이션의 학제간 융합연구 사례로 더욱 의미가 크다.

또한 이번 성과는 서울대와 APCTP가 신진 연구자에게 국제적 수준의 연구 기회를 제공하고, 학제 간 융합 연구를 주도할 수 있도록 지속적으로 지원해온 결과로서, 국내 연구인력의 세계화와 국가 과학기술 인재 양성에 기여한 대표 사례이다.

서울대 박종윤 BK조교수는 “이번 성과는 핵융합과 이론 물리 두 분야 전문가가 서로 다른 관심에서 출발하여 무수한 토론과 논의 끝에 공통의 의견을 도출 해내어 가능했던 성과”라며, “태양 플레어나 자기 폭풍 같은 우주 환경에서도 중요한 역할을 하는 자기재연결 개시(Onset)에 대한 새로운 단서를 제시했다는 데 큰 의의가 있다”고 밝혔다.

APCTP 윤영대 박사는 “플라즈마 물리 분야 해석의 틀을 확장하는 데 기여하는 것은 물론, 새로운 핵융합 기술개발의 기반이 되기를 바란다”고 밝혔다.

한편, 과기정통부 기초연구사업(중견연구, 우수신진연구)과 아태이론물리센터지원사업 및 국가과학난제도전협력지원단(서울대학교-ST핵융합메타웨어연구단 황용석 단장)의 지원으로 수행한 이번 연구의 성과는 국제학술지 '네이처(Nature)'에 8월 7일 게재됐다.

▲ 그림1. 자기 난류 발생과 3차원 자기 재연결을 통한 자기유체 평형 변화 :
자기 유체 평형 변화 전, 두 플럭스 로프에 주입된 전자빔으로 인해 미시 자기 난류가 강하게 발생된 상태이다. 이 자기 난류에 의해 3D 자기 재연결 현상이 일어난다. 자기 유체 평형 변화 후, VEST장치에서는 두 로프의 자기 재연결로 인해 형성된 플라즈마(자홍색)와 기존의 두 플럭스 로프가 있으며, 전산모사상엔 두 로프가 하나로 합쳐진 모습을 볼 수 있다.

[참고자료]
- 논문/저널명 : "Kinetic turbulence drives MHD equilibirum change via 3D reconnection", Nature
- DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-025-09345-9

[문의]
서울대학교 차세대 에너지 통합형 인력양성사업단 박종윤 BK조교수 / jongblues@snu.ac.kr