핵융합은 화석에너지를 대체하여 세계 인구의 에너지 수요를 충족시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이는 태양과 별들을 빛나게 하는 에너지의 원천이다. 이 에너지는 수소 동위원소로서 물에서 추출되는 중수소와 지각에서 추출되는 삼중수소의 융합을 통해서 생성된다. 이 과정을 지구에서 재현하기 위해서는 원소들을 이온화 시킬 만큼의 엄청난 고열이 필요하다. 이는 자기적으로 밀폐된 융합 장치에서 이루어지며, 결과적으로 생성된 에너지는 열에너지의 형태에서 수증기와 터빈 발전기를 통해 전기 에너지로 전환된다. 하지만 이 모든 과정은 자기유체역학적 불안정, 혹은 경계면 불안정 현상(Edge localized modes)으로 인한 열 손실 및 입자 손실을 동반하며, 핵융합로의 수명을 단축시킨다.
경계면 불안정 현상의 제어
마리퀴리 프로그램(Marie Sklodowska-Curie progamme)의 지원과 더불어 EU의 지원을 받는 FIREFELM 프로젝트의 연구자들은 경계면 불안정 현상을 연구하기 위해 고해상도 관측기와 최첨단 연산 프로그램을 활용하였다. 참여 연구자인 엘레오노라 비에제(Eleonora Viezzer)는 태양의 외각에서 발생하는 플레어(Flares)와 같이 플라즈마로부터 입자와 에너지가 방출되는 이 경계면 불안정 현상을 이해하는 것이 성공적인 핵융합 에너지 발전의 핵심이라고 설명한다. FRIEFELM 프로젝트의 연구자들은 토카막(tokamak, 플라즈마 안정화 장치) 내부에서 발생하는 경계면 불안정 현상을 해명하기 위한 새로운 운반 채널을 설계했으며, 결과적으로 그들은 이온보다 전자의 열 운송 회복시간이 더 길다는 것을 발견했다. 이는 경계면 불안정 현상으로 인한 에너지 손실이 전자의 열 회복을 늦춘다는 것을 의미하며, 또한 노심 플라즈마(Core plasma)가 경계면 불안정 현상의 전자 온도 회복에 지배적인 영향을 줄 수도 있다는 것을 의미한다. 더하여, 연구자들은 경계면 불안정 현상의 원인이 될 수 있는 빔 이온 궤도와 평행 전기장 간 공명 현상의 메커니즘을 밝혀냈다. 그들은 처음으로 ASDEX 토카막 상의 빔 이온 가속을 관찰하는데 성공했으며, 고속 이온의 연산 시뮬레이션과 분석 모델을 통해 양질의 실험 결과를 얻을 수 있었다.
FIREFELM 프로젝트의 성과와 향후 과제
핵융합은 이산화탄소의 배출 없이 깨끗하고 안전한 에너지를 생성할 수 있다. 중수소의 경우 바닷물에서 얻을 수 있고, 삼중수소의 경우 지구의 지각에서 얻을 수 있다. 이는 곧 핵융합을 통해 사실상 무한한 에너지를 생산할 수 있다는 뜻이다. 전 세계의 연구자들이 ITER 프로젝트를 통해 핵융합 과정에 대해 연구하고 있으며, 기존의 토카막 장비들을 미래의 핵융합 에너지 발전을 위한 장비들로 개조하는 작업에 참여하고 있다. 경계면 불안정 현상이 이러한 핵융합 장비들의 안정성을 심각하게 저하한다는 점에서 볼 때, FIREFELM 프로젝트의 성과는 이 현상을 극복하는데 대단한 기여를 할 것이다. 운반의 주축이 되는 메커니즘을 밝혀내는 것은 경계면 불안정 현상을 이해하고, 이를 방지할 수 있는 밀폐 시스템을 구축하는데 도움이 되기 때문이다. 또한 프로젝트는 태양 코로나 내에서 관찰된 입자 가속과 운반을 이해하는데 기여할 것이며, 토카막과 천체물리학적 플라즈마 사이의 유사성을 밝혀내는데도 도움이 될 것이다. 비에제(Viezzer)는 경계면 불안정 현상의 제어를 위한 연구를 ERC 지원 프로젝트인 3D-FIREFLUC에서 이어나갈 계획이다.
