국내 연구진, 학제간 융합연구로 플라즈마 '다중 스케일 연계 현상' 입증

서울대-APCTP 공동 연구팀, 세계적 학술지 네이처(Nature) 논문 게재

국내 연구진이 플라즈마 물리의 난제인 '다중 스케일 연계(Multiscale Coupling) 현상'을 입증했다.

과학기술정보통신부는 서울대학교와 아시아태평양이론물리센터(APCTP) 공동 연구팀이 핵융합 실험과 우주 플라즈마 이론의 융합연구를 통해 플라즈마 물리의 난제 중 하나인 다중 스케일 연계(Multiscale Coupling) 현상을 입증했다고 밝혔다.

기체, 액체, 고체가 아닌 제4의 상태라고도 불리는 플라즈마를 연구하는 물리학자들에게 미시적 현상을 이용해 플라즈마 구조의 거시적 변화를 일으키는 다중 스케일 연계는 오래된 난제 중 하나다.

자기 난류 발생과 3차원 자기 재연결을 통한 자기유체 평형 변화를 설명한 그림. 과기정통부 제공.

플라즈마는 핵융합 반응의 매개일 뿐만 아니라, 우주의 대부분을 차지하는 물질 상태인 만큼 플라즈마의 다중 스케일 연계는 핵융합 기술 개발과 우주의 근원 연구의 중요한 주제로 여겨져 왔다.

박종윤 서울대 박사와 APCTP 윤영대 박사 연구팀은 서울대에 구축된 핵융합 실험 장치를 이용한 실험 데이터 분석과 한국핵융합에너지연구원의 슈퍼컴퓨터(KAIROS)를 이용한 입자 시뮬레이션으로 검증했다.

이를 통해 연구팀은 미시 자기 난류를 발생시키면 자기장 에너지가 플라즈마 열에너지로 변화되는 '자기재연결'이 효과적으로 발생해 플라즈마에 거시적인 구조 변화를 일으킬 수 있다는 사실을 입증했다.

이번 연구결과는 강한 전자빔에 의해 의도적으로 발생된 미시 자기 난류가 플라즈마의 저항성을 높이면 자기재연결을 효과적으로 유도하며, 궁극적으로 플라즈마의 거시적 구조 변화를 수반하는 다중 스케일 역학을 실험으로 구현하고 그 원인을 입증한 최초의 연구 사례다. 특히, 서울대학교의 핵융합로 운전 실험과 APCTP의 이론 시뮬레이션의 학제 간 융합연구 사례라는 점에서 의미 있는 성과다.

박종윤 박사는 "이번 성과는 핵융합과 이론 물리 두 분야 전문가가 서로 다른 관심에서 출발해 무수한 토론과 논의 끝에 공통의 의견을 도출 해내 가능했던 성과"라면서 "태양 플레어나 자기 폭풍 같은 우주 환경에서도 중요한 역할을 하는 자기재연결 개시(Onset)에 대한 새로운 단서를 제시했다는 데 큰 의의가 있다"고 전했다.

윤영대 APCTP 박사는 "이번 연구 성과가 플라즈마 물리 분야 해석의 틀을 확장하는 데 기여하는 것은 물론, 새로운 핵융합 기술 개발의 기반이 되기를 바란다"고 말했다.

과기정통부 기초연구사업(중견연구, 우수신진연구)과 아태이론물리센터지원사업 및 국가과학난제도전협력지원단의 지원으로 수행한 이번 연구의 성과는 국제학술지 '네이처(Nature)'에 7일(현지시간 6일 16시) 게재됐다. (논문제목 : Kinetic turbulence drives MHD equilibrium change via 3D reconnection)

김종화 기자 justin@asiae.co.kr