플라즈마 난류의 이해와 제어 방법 개발
플라즈마 난류의 이해와 제어 방법 개발
  • 김남근 기자
  • 승인 2014.11.20 16:35
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[이슈메이커=김남근 기자]
[한국의 인물-핵융합연구 부문] 한국과학기술원 원자력 및 양자공학과 김영철 교수


플라즈마 난류의 이해와 제어 방법 개발

에너지 문제로 인한 국가적 갈등 해소에 이바지하다




21세기에 들어서서 새롭게 대두되고 있는 국제현안으로는 지구온난화로 대변할 수 있는 환경문제와 지속적으로 상승하고 있는 국제유가를 들 수 있다. 특히, 대부분의 에너지를 수입에 의존하고 있는 우리나라의 경우 대체에너지에 대한 철저한 계획과 준비가 없다면 향후 세계와의 무한경쟁 속에서 상당한 어려움을 겪게 될 것으로 예상된다. 이에 세계는 물론 우리나라 역시 다각적인 대체에너지 개발에 연구를 집중하고 있으며 특히 핵융합에너지는 가장 유망한 에너지원 중 하나로 부상하고 있다.




비평형 상태 유지시키기 위한 자연과의 싸움

  핵융합 발전소란 수소 원자 2개를 하나로 합쳐져 헬륨 원자가 되며 방출되는 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 발전소를 말한다. 하지만 아직 핵융합을 통한 전기 생산은 연구단계에 머물고 있어 실제 발전소는 건설되지 않았다. 지구에서 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 수소 원자 온도를 약 1억 도 정도로 유지해야 하는데, 아직은 1억 도를 견딜 수 있는 재료가 없기 때문에, 고온의 수소 원자를 가두는 것이 난제로 남아있다. 1억 도의 수소 원자들은 이온과 전자 결합이 풀어진 플라즈마(plasma) 상태를 유지하게 되는데, 자기장을 이용하여 플라즈마를 공중에 띄어 놓을 수 있는 현상을 이용한 장치가 토카막(Tokamak)이다. 바로 이 토카막 내의 플라즈마 상태를 살펴보면 중심 온도는 1억 도 정도이며, 언저리 부분은 1,000도 이내로 유지된다. 이로 인해 플라즈마는 공간상에서 비평형상태가 되며, 이러한 비평형 상태를 제거하기 위해 자연은 플라즈마를 난류 상태로 만들게 된다. 이때 우리 인간은 비평형 상태를 유지하여 핵융합반응이 일어나 유지되길 원하지만, 자연은 비평형 상태를 없애기 위한 현상을 유지하려고 하니, 이는 곧 인간과 자연의 싸움이라 할 수 있다. 이에 한국과학기술원 원자력 및 양자공학과의 김영철 교수와 연구진은 이러한 자연과의 싸움에서 이길 수 있는 방법. 즉 플라즈마 난류를 이해하고 제어하는 방법을 찾고자 다양한 연구를 진행하고 있다.

  측정된 플라즈마 난류 데이터를 여러 통계기법에 이용하여 난류에 대한 이해도를 높이는 연구를 펼치고 있는 김 교수는 연구실만의 창의적인 방법을 통해 개발된 통계기법을 이용하여 신뢰도를 정량적으로 측정하여 보다 정확하게 데이터를 해석하고자 노력하고 있다. 이를 위해 토카막 내의 전자와 이온들의 온도와 밀도 분포에 대한 정보를 알아내고자 하는데, 이는 플라즈마 난류를 이해하고자 할 때 필요한 중요한 정보 중 하나로 매우 중요한 연구 분야 중 하나이다. 

  이에 김영철 교수는 “현재 대전에 소재한 국가핵융합연구소(NFRI)에 KSTAR(한국형 핵융합연구장치) 토카막 장치가 있는데, 이 장치에 설치된 톰슨산란장치(전자 온도와 밀도 측정 장치)의 성능 개선을 위해 핵융합연구소와 서강대학교 물리학과의 조규만 교수와 공동으로 연구를 진행하고 있습니다”라며 “현재 진행 중인 연구 성과들을 통해 플라즈마 난류 제어 및 고성능 플라즈마 유지 방법 등을 제시한다면, ITER의 성공적인 가동을 기대할 수 있을 것입니다. 이를 바탕으로 핵융합발전소를 건설하고, 에너지 문제로 인한 인류의 국제적 갈등으로부터 자유로워지는데 미약하게나마 이바지할 수 있을 것이라 기대합니다”라고 연구에 대한 자부심을 내비쳤다. 




연구에 ‘미치다’

  김영철 교수는 과거 플라즈마 난류 성질을 결정짓는 주요 요인들을 제시하였으며, 그 결과를 바탕으로 고온 플라즈마를 효율적으로 유지시킬 수 있는 방법을 제시하였다. 고온 플라즈마를 토카막 내에서 제어하기는 쉽지 않고, 그로 인해 파라미터(Parameter) 스캔 역시 쉽지 않다. 때문에 파라미터 스캔은 수치해석 방식을 통해 이루어지고 있으나, 수치해석 알고리즘이 플라즈마 물리 현상을 완벽하게 재현할 수는 없기에, 파라미터 스캔은 제한적일 수밖에 없다. 이에 김영철 교수는 이러한 문제점을 극복하고자 약 1,000여 개의 실험 데이터 포인트를 무작위로 추출하여 통계 분석 방식을 이용하여 플라즈마 성능의 여러 파라미터 의존도를 직접 발견하였다. 

  또한, 김 교수가 이끌고 있는 이끌고 있는 NFP Lab(Nuclear Fusion & Plasma Lab)은 현재 KSTAR 장치에 설치된 톰슨산란장치 성능 개선과 통계기법을 이용하여 난류에 대한 이해도를 높이는 연구 외에도 여러 진단장치를 통해 얻은 데이터들을 효율적으로 관리(big data management)할 수 있는 방안에 대해서도 연구를 수행하고 있다. 김 교수는 “모든 실험 데이터들은 자연현상에서 얻어졌기 때문에 기본적으로 자연법칙에 어긋나는 데이터들이 없어야 합니다. 즉, 물리현상을 바탕으로 모든 데이터들이 일관성(consistency)을 가져야 하는데 이를 위해 베이지안(Baysian), 인공 뉴럴네트워크(artificial neural network) 등 여러 기법들을 적용하여 연구를 펼치고 있습니다”라며 연구실의 경쟁력을 피력했다. 

  최근 ‘미치다’라고 표현되는 문화적 현상이 두드러지고 있다. 이에 김 교수 역시 ‘미치다’라는 표현을 연구에 접목시키고자 한다. 자신이 달성하고자 하는 분명한 목표가 있다면, 그 분야에 깊이 있는 연구를 펼쳐야지만 원하는 결과를 얻을 수 있다고 그는 전한다. 또한, 우리 모두가 행복할 수 있는 사회를 만들기 위해 자신보다는 타인을 먼저, 거짓 없는 청렴한 생활, 자신에게 당당할 수 있는 실력을 키우는 자세야말로 연구자가 지향해야 할 모습이라고 목소리를 높인다. 이러한 그의 주장처럼 우리나라 기초과학의 경쟁력을 높일 수 있는 진정성 있는 연구를 펼치는 인재가 많이 배출되길 기대해본다.




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