국내 연구팀이 핵융합과 이론 물리 학제 간 융합연구를 통해 플라스마 연구 난제로 꼽히던 '다중 스케일 연계' 현상의 비밀을 풀었다.

핵융합 기술 개발과 우주 근원 연구에 필요한 플라스마 물리의 학문적 난제 해결에 실마리를 제공한 연구로 평가된다.

과학기술정보통신부는 서울대와 아시아태평양이론물리센터 공동 연구팀이 핵융합 실험과 우주 플라스마 이론 융합연구를 통해 플라스마 물리 난제 중 하나인 '다중 스케일 연계' 현상을 입증해 7일 최고 권위 국제학술지 '네이처'에 발표했다고 밝혔다.

플라스마는 물질이 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 이온 입자로 분리된 상태로 기체, 액체, 고체가 아닌 제4의 상태로도 불린다. 핵융합 반응의 매개일 뿐 아니라 우주 대부분을 차지하는 물질 상태이기도 하다.

이런 플라스마에서 미시 현상을 통해 거시적 변화를 일으키는 '다중 스케일 연계'는 플라스마 변화를 설명할 수 있어 중요한 연구 주제로 여겨져 왔지만, 입증이 어려웠다.

연구팀은 핵융합 실험 장치를 이용한 실험 데이터 분석과 한국핵융합에너지연구원 슈퍼컴퓨터를 이용한 입자 시뮬레이션 검증을 통해 실험과 이론 연구를 병행했다.

그 결과 미시 자기 난류를 발생시키면 자기장 에너지가 플라스마 열에너지로 변화되는 '자기 재연결'이 효과적으로 발생해 거시적 구조 변화를 일으킬 수 있다는 것을 발견했다.

우선 연구팀은 서울대에 구축된 구형 토러스(ST) 방식 핵융합 실험장치 'VEST'에서 플라스마가 자기장과 상호작용해 만들어지는 원통형 자기 구조체인 '플럭스 로프' 2개를 만든 후 각 로프에 고속 전자빔을 주입해 미시자기 난류를 유도했다.

이 전자빔이 높은 속도로 플라스마를 따라 이동하면서 플럭스 로프 주변에 미시 난류를 만들어 자기 재연결을 유발했고, 두 플럭스 로프가 병합됐다.

이 결과는 미시 자기 난류 발생, 로프 병합, 평형 붕괴, 재형성이라는 단계적 경로를 통해 진행되는 만큼 기존 자기유체역학이론(MHD)만으로 설명되지 않는 다중 스케일 상호작용 현상인 것을 연구팀은 확인했다.

연구팀이 이를 시뮬레이션에서 재현한 결과 입자 수준에서 유도된 난류가 자기 재연결을 유발하고 전체 시스템의 자기 구조를 바꾸는 것을 입증했다.

이번 연구는 실험을 통해 입자 수준 난류가 거시적 평형을 변화시킬 수 있음을 처음 실험실에서 입증한 것으로, 실제 우주 플라스마 환경에서 관측되는 자기 재연결 에너지 스펙트럼과 비슷한 만큼 근본 물리 현상 이해에도 적용할 수 있을 것으로 연구팀은 기대했다.

박종윤 서울대 박사는 "이번 성과는 핵융합과 이론 물리 두 분야 전문가가 서로 다른 관심에서 출발하여 무수한 토론과 논의 끝에 공통의 의견을 도출해내어 가능했던 성과"라며 "태양 플레어나 자기 폭풍 같은 우주 환경에서도 중요한 역할을 하는 자기 재연결 개시에 대한 새로운 단서를 제시했다는 데 큰 의의가 있다"고 말했다.

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