▲ 고전 이론의 한계와 개정 이론에서의 개선점 / 고전 이론에서는 고에너지 전자가 중성 수소와 상호작용을 할 때 에너지 손실을 평균을 취해서 (항상 상호작용 후 중간 에너지를 가지게) 기술한다는 문제점이 있었다. 본 연구에서 새롭게 제시한 이론은 현실 상황을 그대로 설명할 수 있게끔, 전자가 탄성 상호작용을 할 때는 거의 에너지를 잃지 않고, 비탄성 상호작용을 할 때만 많은 에너지를 잃게 (저에너지가 되게) 수정했다.(그림 및 설명=서울대학교 원자핵공학과 이영선 박사과정)  © 특허뉴스

핵융합 에너지 상용화를 위해 반드시 해결해야 할 난제 중 하나였던 폭주 전자의 발생 원리가 국내 연구진에 의해 규명되었다. 이는 안전한 핵융합 상용로 설계를 위한 중요한 발판으로 평가되며, 국제핵융합실험로(ITER)와 같은 글로벌 핵융합 프로젝트에도 큰 기여를 할 전망이다.

핵융합 발전은 바닷물에서 얻은 원료로 고온의 플라즈마를 생성해 청정에너지를 생산하는 방식이다. 이를 위해 인공태양이라 불리는 토카막(tokamak) 장치가 사용된다. 그러나 토카막에서 핵융합 반응을 시작하려면 강한 전기장을 가해야 하며, 이 과정에서 발생하는 폭주 전자(runaway electron)는 상용화를 가로막는 주요 요인 중 하나다.

폭주 전자는 강한 전기장에 의해 끝없이 에너지를 받아 가속되는 고에너지 전자로, 플라즈마 형성을 방해하고 장치에 치명적인 손상을 입힐 수 있다. 이를 해결하기 위해 폭주 전자의 형성 원리와 예측 기술이 필수적이었다.

서울대학교 원자핵공학과 나용수 교수 연구팀(제1저자 이영선 학생)은 독일 막스 플랑크 연구소 및 국제핵융합실험로(ITER) 국제기구와의 공동 연구를 통해 폭주 전자를 설명할 수 있는 동역학 이론을 일반화하고, 폭주 전자의 새로운 발생 기작을 규명했다.

연구에 따르면, 토카막 시동 중 일부 전자들이 수소원자와 비탄성 상호작용을 겪지 않으면서 폭주 전자 형성에 큰 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다. 이를 통해 기존 고전 모델의 한계를 극복하고 정확한 폭주 전자 형성률을 제시할 수 있게 되었다.

이번 연구는 폭주 전자 형성 원리를 기반으로 토카막 시동 설계를 개선함으로써, 한국형 실증로 및 상용로는 물론, 우리나라가 참여하는 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트에도 활용될 전망이다.

연구를 이끈 나용수 교수는 “이번 성과는 핵융합 발전의 안전성과 효율성을 높이는 데 필수적인 기초 연구로, 향후 글로벌 핵융합 상용화의 설계 기반으로 활용될 것”이라며 의의를 밝혔다.

이번 연구는 물리학 분야의 대표적인 국제학술지 Physical Review Letters에 10월 24일자로 게재되며 학계의 주목을 받고 있다.

핵융합 에너지가 현실화되면 인류는 청정하고 지속 가능한 에너지원을 확보하게 된다. 이번 연구는 상용화의 핵심 난제를 해결하며, 핵융합 발전 시대의 서막을 여는 데 기여할 전망이다.

논문명은 Binary Nature of Collisions Facilitates Runaway Electron Generation in Weakly Ionized Plasmas 이다.