플라즈마, 태양 움직임 열쇠···韓, 다중 스케일 연계 세계 최초 입증

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[이뉴스투데이 김진영 기자] 국내 연구진이 핵융합과 우주 플라즈마 물리학의 오랜 난제였던 ‘다중 스케일 연계(Multiscale Coupling)’ 현상을 세계 최초로 실험적으로 입증했다.

과학기술정보통신부는 서울대학교와 아시아태평양이론물리센터(APCTP) 공동 연구팀이 핵융합 실험과 시뮬레이션을 결합해 미시 난류가 플라즈마 구조의 거시적 변화를 유도할 수 있음을 밝혀냈다고 7일 밝혔다.

다중 스케일 연계는 미시적 현상이 플라즈마 전체의 대규모 구조 변화를 유발하는 상호작용이다. 핵융합으로 안정성과 태양 플레어·지자기 폭풍 등 우주현상 해석의 핵심 난제로 꼽혀 왔다. 연구진은 국내 유일의 구형 토카막(ST) 장치인 서울대 VEST에서 두 개의 플럭스 로프(flux rope)를 형성한 뒤 고속 전자빔을 주입해 미시 자기 난류를 인위적으로 발생시켰다.

전자빔은 알펜 속도보다 빠른 속도로 플라즈마를 따라 이동하며 플럭스 로프 주변에 난류를 유도했고, 자기재연결(magnetic reconnection)이 촉진되면서 두 플럭스 로프는 병합됐다. 이 과정에서 X선 방출, 이온 온도 상승, 전류 밀도 재분포 등 다양한 거시적 변화가 동반. 전체 자기 유체 평형이 급격히 재편되는 현상이 관찰됐다.

자기유체역학(MHD)으로 설명할 수 없는 ‘미시 난류 발생’, ‘로프 병합’, ‘평형 붕괴’, ‘재형성’의 단계적 메커니즘을 통해 다중 스케일 상호작용이 실제 플라즈마 내에서 어떻게 작동하는지를 실험적으로 확인한 세계 최초 사례다.

연구진은 실험 결과를 한국핵융합에너지연구원의 슈퍼컴퓨터 KAIROS를 활용한 Particle-in-Cell(PIC) 전산 모사로 재현했다. 시뮬레이션 결과 전자빔 속도가 높을수록 난류 강도가 증가하고, 자기재연결 및 플럭스 로프 병합이 더 활발하게 일어나는 경향도 확인됐다.

이번 연구는 미시 스케일 난류가 전체 플라즈마 시스템의 자기 구조에 어떤 영향을 미치는지를 실험과 이론 양측에서 동시에 입증했다는 점에서 학문적으로 큰 파급력을 지닌 성과로 평가받고 있다.

박종윤 서울대 박사는 “핵융합과 이론물리의 융합 연구를 통해 자기재연결 개시의 새로운 조건을 제시한 연구”라며 “태양 플레어나 자기 폭풍 같은 우주환경 해석에도 새로운 단서를 제공할 수 있을 것”이라고 말했다.

윤영대 APCTP 박사는 “실험과 전산모사를 연계해 다중 스케일 플라즈마 역학의 실체를 밝혔으며 차세대 핵융합 기술 기반 마련에 기여하길 바란다”고 전했다.

한편, 연구는 과기정통부 기초연구사업, 아태이론물리센터지원사업, 국가과학난제도전협력지원단(ST핵융합메타웨어연구단) 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 네이처(Nature) 8월 7일 자에 게재돼 과학계에서도 중요성과 우수성을 공식적으로 인정받았다.