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- 핵융합은 미래의 유망한 에너지원으로 여겨지고 있다
- JET, 벤델슈타인 7-X,ITER 원자 같은 시험 원자로들이 핵융합을 위한 다양한 기술 시험중
- 충분한 원자를 융합시키려면 1억 도 이상의 극한 온도와 높은 플라즈마 밀도가 필요
- 토카막과 차세대 핵융합 장치의 밀도 한계 극복할 수 있는 실용적, 확장 가능한 방법 제시
- EAST 핵융합 시설은 극한 조건을 구현하는 데 중요한 발판 마련

중국 핵융합로, 플라즈마 한계 돌파
EAST 핵융합 시설, 핵융합 플라즈마 밀도 한계 초과 달성

새로운 플라즈마 영역:
중국의 핵융합로 EAST가 핵융합 플라즈마의 핵심 밀도 한계를 극복하고, 이른바 '밀도 없는 영역'을 최초로 달성했다. 이를 통해 원자로 용기 벽면 부근에서 위험한 불안정 현상 없이 플라즈마를 더 높은 밀도로 압축할 수 있게 되었다. EAST 핵융합 시설은 핵융합에 필요한 극한 조건을 구현하는 데 중요한 발판을 마련했다. 

▲ EAST(실험용 첨단 초전도 토카막) 핵융합 시험로가 상당한 진전을 이루었다. © EAST/ Hefei Institutes of Physical Science

핵융합은 미래의 유망한 에너지원으로 여겨지고 있다. JET, 벤델슈타인 7-X, 그리고 대규모 ITER 원자로와 같은 시험 원자로들이 핵융합을 위한 다양한 기술을 시험하고 있다. 그러나 핵융합 플라즈마에서 충분한 원자를 융합시키려면 1억 도 이상의 극한 온도와 높은 플라즈마 밀도가 필요하다. 이러한 조건이 충족되어야만 연쇄 반응이 시작되어 핵융합로가 투입 에너지보다 훨씬 많은 에너지를 생산할 수 있다. 

그린왈드 한계(Greenwald-Limit)와 플라즈마 불안정성

하지만 문제가 있다. 강력한 자기장으로 플라즈마를 가두는 토카막형 핵융합로에서는 특정 밀도 이상에서 불안정성이 발생한다. 이는 플라즈마 가장자리에서 난류와 분출을 일으켜 핵융합 반응을 방해하고 심지어 원자로에 손상을 줄 수도 있다. 중국 화중대학교의 핑 주(Ping Zhu) 교수와 그의 동료들은 "이른바 그린왈드 한계를 넘어서는 플라즈마 밀도로 자기장 가둠 원자로를 운전하는 것은 어려운 과제"라고 설명한다.

▲ EAST 핵융합로의 전자 사이클로트론 공명 가열(ECRH) 보조 가열 과정 중 모습. © Ning Yang

독일 바이에른주(州) 가르싱의 ASDEX 시험 원자로와 미국의 두 토카막 시험 원자로를 포함한 일부 핵융합로는 이미 그린왈드 한계를 잠시 초과한 적이 있지만, 이는 주로 자기장 가둠과 고온 핵융합 연료 가장자리의 플라즈마 밀도 최적화를 통해 달성된 것이다. 그러나 밀도와 온도가 증가함에 따라 플라즈마를 안정적으로 유지하여 소위 밀도 자유 영역을 구현하는 것은 아직 이루어지지 않았다.

밀도 경계를 넘어서

주 교수와 그의 동료들은 중국 허페이(Hefei)에 있는 EAST 핵융합 시험로에서 바로 그 일을 해냈다. 2025년 초, 연구팀은 핵융합 플라즈마를 소위 고밀도 밀폐 모드(high-confinement mode)로 1.066초 동안 유지하는 기록을 세웠다. 이 상태에서 플라즈마는 외부 표면에 특히 밀도가 높고 압축된 층을 형성한다.

이제 물리학자들은 핵융합 플라즈마와 원자로 벽 사이의 상호작용을 더욱 최적화했다. 이를 통해 그린왈드 한계(Greenwald-Limit)를 뛰어넘어 최초로 밀도가 0인 상태를 달성했다. 주 교수 연구팀은 "평균 전자 밀도가 그린왈드 한계의 1.3~1.65배에 달하는 것을 달성했다. 이는 EAST의 정상 작동 모드보다 훨씬 높은 수치다"고 밝혔다. 그래도 핵융합 플라즈마는 안정적으로 유지되었고 분출 현상은 발생하지 않았다. 이러한 높은 전자 밀도는 EAST의 정상 작동 모드보다 훨씬 높은 수치다.

▲ 측정 결과에 따르면, EAST 핵융합로는 시험에서 그린왈드 한계를 초과하여 밀도가 0인 영역에 도달했다. © Ning Yang

가스 압력 및 사이클로트론 가열에서 최적화

이는 수소 가스 압력을 조절하고 전자 사이클로트론 공명 가열(ECRH)을 이용한 플라즈마 가열을 최적화함으로써 가능해졌다. 특히 초기 가동 단계에서 원자로 벽과 플라즈마 사이의 상호작용이 크게 감소했다. 그 결과, 에너지 손실이 줄어들고 불순물 축적이 최소화됐으며, 심각한 부작용 없이 플라즈마 밀도를 높일 수 있었다.

"이번 연구 결과는 토카막 및 차세대 핵융합 장치의 밀도 한계를 극복할 수 있는 실용적이고 확장 가능한 방법을 제시한다"고 주(Zhu)는 말했다. 그와 그의 연구팀은 향후 핵융합로의 고밀도 모드에서 이 방법론을 검증할 계획이다.

참고: Science Advances, 2026; doi: 10.1126/sciadv.adz3040
출처: 중국과학원

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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