핵융합과 차세대가속기의 실용화 앞당길 수 있는 선진 연구 펼치다
핵융합과 차세대가속기의 실용화 앞당길 수 있는 선진 연구 펼치다
  • 김남근 기자
  • 승인 2014.11.20 17:06
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[이슈메이커=김남근 기자]
[Leading Researcher] 광주과학기술원 물리·광과학과 석희용 교수



핵융합과 차세대가속기의 실용화 앞당길 수 있는 선진 연구 펼치다

세계적인 연구역량 바탕으로 핵융합 연구와 차세대 전자가속기 기술 개발에 이바지하다




앞으로 수십 년 후의 지구는 지속적 인구 증가와 에너지 집약적인 산업화로 인해 에너지자원의 고갈 상태에 봉착하게 될 것이다. 현재 우리 인류는 주요 에너지원으로 석유를 비롯한 화석연료에 의존하며 살아가고 있으며, 흔히 사용되는 화석연료의 경우 환경 문제로 인하여 최대한 사용이 억제되고 제한된 매장량으로 인하여 더 이상 인간의 대규모 에너지 수요를 감당하지 못하게 될 것으로 전망된다. 때문에 그 장기적 대안으로 연료가 무궁무진하며 방사선 문제도 거의 없는 핵융합 에너지의 개발이 반드시 필요한 실정이다. 이에 지난 반세기 동안 세계의 많은 나라에서 여러 가지 형태의 핵융합 연구를 수행하고 있으며, 우리나라 역시 핵융합과 관련된 다양한 연구를 진행하고 있다.




미래의 안전한 에너지원인 핵융합 발전을 위한 첨단연구 이끌다

  석유, 천연가스 등과 같은 화석연료는 지구에 매장되어 있는 양이 제한적이기 때문에 그 이후의 에너지 고갈 시대를 대비하여 인공 태양의 건설과 같은 핵융합 연구는 매우 중요한 분야 중 하나로 각광받고 있다. 핵융합 발전은 미래의 안전한 에너지원으로 크게 주목받고 있지만, 실용화를 위해서는 아직 기술적으로 해결해야 할 부분이 많다. 그 중 하나는 핵융합을 위해 필요한 초고온 상태의 플라즈마(plasma) 특성을 분석하는 것이다. 

  지금까지 플라즈마 밀도와 플라즈마 내부의 자기장을 진단하기 위하여 원적외선(FIR: far infrared) 영역의 파장을 가지는 메탄올 레이저나 DCN 레이저를 이용하였지만 이는 레이저의 파장이 고정되어 있기 때문에 사용에 한계가 있다. 즉, 실제의 핵융합 장치에서는 수시로 플라즈마 밀도를 바꾸어 가면서 동작을 시켜야 하므로 플라즈마 밀도를 제대로 측정하기 위해서는 파장이 고정된 기존의 레이저로서는 곤란하다. 이에 광주과학기술원 물리·광과학과의 석희용 교수와 연구진은 레이저와 플라즈마를 사용하여 파장이 가변 가능한 원적외선을 발생시킬 수 있는 방법을 개발하고, 이를 이용한 원적외선 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 진단 기술과 플라즈마 내의 자기장 측정 방법을 개발하고자 다양한 연구를 수행하고 있다. 현재 수행하고 있는 연구는 레이저를 가스나 클러스터 표적에 집속하고, 이로 인한 레이저-플라즈마 상호작용으로 발생하는 강한 세기의 결맞는(coherent) 전자파를 발생시킬 수 있다는 사실을 이용한다. 이때 발생되는 전자기파의 파장은 사용되는 플라즈마 밀도에 의해 정해지게 되는데, 이는 플라즈마 밀도를 변화시킴으로써 발생되는 원적외선의 파장도 쉽게 변경시킬 수 있음을 의미한다. 

  석희용 교수는 “원적외선을 이용한 플라즈마 진단방법은 미래 핵융합 발전의 실용화에 매우 중요합니다”라며 “이번에 개발 진행 중인 table-top 크기의 파장가변 원적외선 발생장치 및 이를 이용한 플라즈마 진단기술은 기존의 방법보다 여러 측면에서 우수한 점이 많기 때문에 핵융합기술의 실용화를 앞당기고, 우리나라의 산업과 경제 발전에 큰 도움을 주게 될 것입니다”라고 힘주어 말했다.



▲레이저-플라즈마 가속 연구실 구성원


세계적 수준의 차세대 가속기 독자적 기술도 확보

  지난 2001년, 레이저-플라즈마를 이용한 입자가속 연구 분야의 불모지와 다름없었던 우리나라에서 과학기술부(현 미래창조과학부) 창의적연구진흥사업의 지원으로 차세대 가속기 분야의 연구를 시작하게 된 석희용 교수는 전문 인력이 부족한 상황에서도 석 교수만의 집념과 열정으로 세계적인 수준의 다양한 연구 결과를 발표할 수 있었다. 당시 연구단이 출범한 이후 국내 소형 입자가속기에 대한 관심은 생각보다 높았으며, 수년 만에 레이저-플라즈마를 이용한 차세대 가속기 연구를 수행하는 대학교와 연구소가 상당수 생겨나며 우리나라 역시 세계적인 수준의 연구를 펼칠 수 있게 되었다. 

  현재 석 교수는 레이저-플라즈마 가속 연구실을 이끌며 기존의 거대한 가속기의 규모를 획기적으로 줄일 수 있는 차세대 입자가속기인 레이저-플라즈마 가속기에 대한 연구를 펼치고 있다. 연구실은 20 테라와트의 고출력 레이저 시스템을 별도로 구축하여 플라즈마 가속에서의 몇 가지 중요한 기초연구를 수행하고 있으며, 특히, 소형이면서도 고에너지 전자빔을 발생시킬 수 있는 차세대 가속기 분야의 신기술 개발에 열중하고 있다. 또한, 연구실에서 개발한 ‘모세관 방전 플라즈마 표적’은 세계 최고 수준의 플라즈마 표적으로 평가받고 있으며, 보다 짧은 거리에서 고에너지의 전자 가속이 가능하다는 것을 증명하는 중요한 연구를 수행하고 있다.

  석 교수는 “연구실은 현재 세계적인 수준의 독자적 기술을 확보했습니다. 이는 고에너지 전자 가속 발전에 크게 이바지할 것으로 기대되며, 한국의 연구역량이 세계 최고 수준이라는 것을 보여주는 계기가 될 것으로 전망됩니다”라며 연구에 대한 자부심을 내비쳤다.

  꿈과 열정이 어우러진 연구자로서의 소신(所信)을 바탕으로 즐기는 마음으로 학문에 매진한다면 반드시 좋은 연구 결과로 자신의 목표를 달성할 수 있을 것이라 말하는 석희용 교수. 그의 이 같은 노력과 성실함의 자세가 핵융합과 차세대 가속기 기술의 발전에 밑거름이 되어 우리나라가 세계적 연구 흐름을 주도하게 되는 미래의 청사진을 그려본다.



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