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미래 에너지 기술인 핵융합에너지 개발 방식은 크게 토카막 형태의 자기 밀폐 핵융합과 레이저 핵융합이 있습니다.

우리나라는 국가핵융합연구소에서 운용중인 KSTAR를 이용한 자기 밀폐 핵융합을 중심으로 연구가 진행되고 있습니다.

레이저 핵융합은 영화 '체인리액션'의 소재로 등장합니다.

반드시 그런 것은 아니지만 자기 밀폐 핵융합은 순수 에너지 발생을 위해 연구되는 반면 레이저 핵융합은 미국 등에서 군사적 목적으로 진행되는 경우가 많습니다. 

한국원자력연구원이 자기 밀폐 핵융합과 레이저 관성 핵융합 등 핵융합의 두가지 방식에 관해 중국과 공동 연구에 착수했습니다.


연구 과제는 '정상상태 운전을 위한 중성입자빔 입사 시스템의 빔 수송에 관한 공동 연구'와 '레이저 관성 핵융합을 위한 고밀도 플라즈마 및 정밀 계측 기술협력 연구' 입니다.

□ 자기 밀폐 방식 핵융합 기술 개발을 위한 '정상상태 운전을 위한 중성입자빔 입사 시스템의 빔 수송에 관한 공동 연구' 과제는 한국원자력연구원 핵융합공학기술개발센터 장두희 박사가 중국 허페이과학원 플라즈마물리연구소 허췬동(Hu Chundong) 박사와 공동 연구를 진행합니다.

자기 밀폐 핵융합은 1억 ℃ 이상의 고온에서 플라즈마로 변한 중수소와 삼중수소를 토카막 자기장을 이용해서 밀폐시켜 핵융합 반응을 지속시키는 핵융합 방식입니다.

이 때 토카막 내부의 온도를 높이는 중성입자빔 입사(NBI; Neutron Beam Injection) 시스템은 수소 양이온 입자들을 높은 전압을 이용해서 빠른 속도로 가속한 뒤 중성화시켜서 핵융합 장치 내부의 플라즈마에 충돌시킴으로써 핵융합이 가능한 섭씨 1억 ℃ 이상까지 온도를 끌어올리기 위한 보조 가열장치 중 하나입니다.

자기 밀폐 핵융합 연구장치로 우리나라는 국가핵융합연구소가 KSTAR를 운영 중이고 중국은 EAST를 운영 중입니다.

한국원자력연구원은 KSTAR용 NBI를 순수 국내 기술로 개발, 지난 2007년 1.6㎿ 빔출력에서 300초 연속 운전에 성공했고, 향후 빔출력을 총 6㎿로 높이는 연구를 할 예정입니다.

중국은 출력 4㎿, 1000초 연속 운전에 도전합니다.

□ '레이저 관성 핵융합을 위한 고밀도 플라즈마 및 정밀 계측기술 협력 연구' 과제는 한국원자력연구원 양자광학연구부 이용주 박사가 중국상해과학원 광학정밀기계연구소 주지안창(Zhu Jianqiang) 박사와 공동 연구를 진행합니다.

중수소와 삼중수소로 이루어진 연료 펠릿에 레이저를 집중시키면 펠릿이 관성에 의해 정지하고 있는 사이에 펠릿 표면에서 주위로 분출하는 플라즈마의 반작용으로 내부 압축이 일어나는데, 압축된 연료에 열핵반응이 생기는 현상을 '레이저 관성 핵융합'이라고 합니다.

한국은 짧은 시간에 강한 에너지를 발생시킬 수 있는 소규모 레이저 장치를 보유하고 있고, 중국은 큰 에너지를 오랜 시간 발생시킬 수 있는 대규모 장치를 보유하고 있습니다.

양국 연구진은 두 장치 기술을 융합해서 고밀도 플라즈마를 제어하는 기술, 플라즈마와 전자의 움직임 등을 측정하는 정밀 계측기술 분야에 대해 서로 협력 연구를 진행할 예정입니다.

posted by 글쓴이 과학이야기

한국형 핵융합로 KSTAR가 최근 플라즈마 발생 실험을 통해 핵융합 연구의 최대 난제 중 하나로 꼽히는 '핵융합 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM)' 제어에 성공했습니다.

경계면 불안정 현상(Edge Localized Mode :ELM)은 토카막형 핵융합 장치의 높은 밀폐 상태에서 발생하는 고온 플라즈마 경계의 큰 압력 변화로 인한 불안정(instability) 현상의 하나로, 발생 시 열손실과 장치 내벽에 손상을 주게 되어 핵융합 상용화를 위해서는 반드시 해결해야 하는 난제입니다.


이번 KSTAR의 성과는 초전도 핵융합 장치에서 경계면 불안정 현상을 '완벽하게 억제'한 최초 사례입니다.

자장섭동에 의한 ELM 제어

□ 국가핵융합연구소 KSTAR운영사업단은 지난 4월부터 9월까지 수행한 KSTAR의 4번째 장치 운전 및 플라즈마 발생 실험에서 고성능 플라즈마 밀폐 상태인 H-모드를 유지하면서 자장섭동, 초음속 분자가스 투입, 플라즈마 수직이동 등의 방법을 이용하여 ELM 현상을 완벽하게 제어했습니다.

H-모드는 플라즈마 운전에 있어서 D자형으로의 형상제어와 더불어 일정 출력수준이상의 가열장치를 가동한 결과 동일한 환경 하에서 플라즈마 밀도와 온도가 약 2배 증가되는 현상입니다.

KSTAR는 지난해 초전도 핵융합장치로서는 세계 최초로 H-모드를 달성했습니다.

그런데 H-모드 상태에서의 ELM 제어는 현존하는 전 세계 토카막형 핵융합 장치가 당면한 시급 문제로, 특히 국제 공동으로 개발하고 있는 ITER장치를 비롯해 향후 핵융합로의 안정적 운전을 위해 반드시 개발되어야 하는 기술입니다.

국가핵융합연구소는 이번 KSTAR 실험을 통해 간단한 자장섭동으로도 ELM 완화 효과를 얻음에 따라 이를 ITER와 같은 핵융합로에서 ELM현상 해결을 위한 방법으로 적용할 수 있음을 확인했습니다.

KSTAR 2011 Long-Pulse 운전 및 연장된 H-모드

□ KSTAR는 또한 지난해 H-모드의 첫 달성에 이어 올해 향상된 고성능 플라즈마 제어 기술을 이용하여 H-모드를 최대 5.2초 까지 안정적으로 연장, 유지했습니다.

플라즈마 전류는 600kA(최고 1MA), 지속시간 약 8초(최장 약 12.4초)를 기록했습니다.

KSTAR 운전에 따른 연도별 플라즈마 파형 비교

관련 글 KSTAR, 세계 최초 H-모드 성공<http://daedeokvalley.tistory.com/6>


 용  어  설  명

KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) :
미래의 무한 에너지 자원인 핵융합에너지의 개발을 위해 국내 기술로 개발된 초전도 핵융합장치로 세계 최초로 ITER와 동일한 초전도 재료로 제작되었으며, '95년 부터 '07년까지(약12년간) 주장치 완공 후, '08년 최초플라즈마 발생에 한 이후 핵융합 상용화 기술 개발을 위해 본격 연구 단계에 들어선 연구시설.

경계면불안정 현상(Edge Localized Mode : ELM) :
토카막형 고온 플라즈마 경계 면에서의 큰 압력 변화로 인해 발생하는 불안정 (instability) 현상의 하나로서 1980년대 독일의 ASDEX 장치에서 처음 발견되었음. ELM 발생 시 플라즈마 내부의 많은 에너지가 밖으로 유출되면서 토카막 장치의 가둠 성능이 저하되며 유출된 에너지는 토카막 내벽에 큰 손상을 줄 수 있기 때문에 ELM은 ITER 핵융합장치의 안정적인 운전을 위해 반드시 제어되어야 하는 현상으로 인식되어 현재까지 전 세계의 모든 주요 핵융합장치에서 그 발생 메커니즘 및 제어 방법 등이 연구되고 있음.

토카막(Tokamak) :
태양처럼 핵융합 반응이 일어나도록 인공적인 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 자기 밀폐형 핵융합 장치로 러시아에서 처음 개발되어 현재 작동중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있음 

H-모드(High-confinement Mode) :
토카막형 핵융합장치의 운전에 있어 특정 조건 하에서 플라즈마 밀폐성능이 약 2배로 증가하는 현상으로서, 1982년 독일의 ASDEX 장치에서 처음 측정되어 알려졌으며, 이는 핵융합 장치의 우수한 운전 성능을 대표한다. ITER장치 또한 H모드로 운전하도록 계획되어 있으며, 초전도 핵융합장치에서의 H모드는 지난해 KSTAR에서 처음 달성하였음.
 
국제핵융합실험로 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor) :
핵융합에너지 상용화를 위한 과학적?기술적 실증을 위하여 우리나라를 비롯하여 유럽연합, 미국, 일본, 중국, 러시아, 인도 등 7개국이 공동으로 핵융합로를 건설하고 운영하는 대형 국제 협력 프로젝트

posted by 글쓴이 과학이야기

흙탕물 속에서도 아름답고 깨끗한 모습을 지키는 연꽃잎, 건조한 사막에서도 물 걱정 안 하는 딱정벌레, 영양분 공급 걱정 안 하는 끈끈이주걱, 물위를 자유자재로 걷는 소금쟁이, 물이 젖지 않는 나비날개...

이들은 모두 나노구조를 지니고 있어서 신기한 생존현상을 만들어 낸다.

육안으로 보면 연꽃잎이 매끈하게만 보이지만 그 표면을 전자현미경으로 보면 마이크로미터 크기의 돌기가 산봉우리처럼 울뚝불뚝 돋아 있고 그 봉우리에는 나노미터 수준의 돌기가 오돌토돌하게 배열되어 있다.

연꽃잎에 맺힌 물방울 사진과 나노구조의 전자현미경 사진과 봉우리의 모식도

이렇게 크기가 다른 미세 구조들이 촘촘하게 배열되어 있는 구조로 인해 연꽃잎은 물을 극도로 싫어하는 초소수성(superhydrophobicity)을 갖게 된다.

따라서 연꽃잎에 물이 닿으면 물이 퍼지지 않고 방울방울 맺혀 그대로 흘러내려 먼지를 쓸어내는 자기 세정 효과를 지닐 수 있다.

연꽃잎이 깨끗하고 아름다운 것은 이러한 소위 연꽃잎효과(Lotus Effect) 때문이다.

특히 마이크로미터 단위의 미세 물방울에 대해서 연꽃잎은 물을 끌어들이는 친수성(hydrophilicity)을 보인다.

아침에 연꽃잎에 맺힌 물방울은 공기 중의 수분을 끌어 모아 큰 방울로 뭉치게 하기 때문이다.

이러한 현상은 수증기의 작은 물방울이 연꽃잎에 존재하는 나노크기 실타래 같은 것 사이에 갇혀 응축되기 때문이다.

이렇게 맺힌 물방울이 구르면서 잎에 묻은 먼지를 씻어내기 때문에 연꽃이 흙탕물에서 자라지만 꽃잎은 항상 깨끗하다.

사막의 딱정벌레는 날개 표면에 있는 연꽃잎과 유사한 나노구조가 공기 중의 수분을 모아 방울로 맺히게 하여 마심으로써 갈증을 해결한다.

사막의 딱정벌레와 나노구조의 전자현미경 사진

이밖에도 끈끈이주걱에 돋아 나있는 섬모의 끝을 전자현미경으로 관찰하면 나노 기둥이 배열되어 있어 끈끈한 방울이 맺히고 여기에 포획된 곤충을 분해하여 영양분을 섭취한다.

끈끈이 주걱과 나노구조의 전자현미경 사진

KAIST 생명화학공학과 양승만 교수팀(광자유체집적소자 창의연구단)은 연꽃잎 나노구조를 표면에 갖고 있는 미세입자를 균일한 크기로 연속적으로 생산하고 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 기술을 개발해 최근 Nature와 Nature Nanotechnology등 해외 저명학술지로부터 크게 주목 받는 연구 성과를 거뒀다.

연꽃잎 나노구조로 발생하는 소위 연꽃잎효과(Lotus Effect)의 응용분야는 무궁무진하여 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이나 현재의 기술수준은 연꽃잎 효과를 지니는 실용성 있는 제품을 개발하는 데는 성공하지 못하고 있다.

연꽃잎의 나노구조를 생체 모방한 미세입자제조 공정모식도

양 교수 연구팀은 감광성 액체방울을 이용하여 연꽃잎의 나노구조를 생체에 모방하여 크기가 균일한 미세입자를 대량으로 만들 수 있는 기술을 성공적으로 개발했다.

Nature Nanotechnology에 실린 물 위에 뜬 물방울 사진: 연꽃잎 나노구조를 갖는 미세입자를 물표면에 뿌리면 막이 형성되고 이 막 위에 물을 뿌리면 방울로 맺히게 된다. 이것은 미세입자를 이용하면 물위로 물체를 띄울 수 있음을 보여준다.

특히 나노구슬이 스스로 구조를 형성하는 자기조립 원리를 이용함으로써 제조공정이 손쉽고 빨라 경제적이다.


우선 크기가 수백 나노미터인 균일한 유리구슬을 감광성 액체 속에 분산시킨 후, 크기가 수십 마이크로미터로 균일한 액체방울로 만들어 물에 주입하고, 물-감광성 액체-유리구슬 사이의 표면화학적 힘의 균형을 유지시키면 유리구슬은 저절로 감광성 액체방울 표면 위에 촘촘히 육방밀집구조로 배열하게 된다.

Nature에 실린 물방울로 만든 구슬을 집게로 잡고 있는 모습: 연꽃잎 나노구조를 갖는 미세입자가 물을 포획하여 물방울 구슬을 만든 모습. 이 물방울구슬은 집게로 찌그러트려도 안 터지며 떨어뜨려도 깨지지 않는다.

이 때 자외선을 감광성 액체방울에 쪼여서 고형화 시킴으로써 수 천 개의 유리 나노구슬이 박혀있는 입자를 얻게 된다.
그 후 유리구슬을 불산으로 녹여내면 마치 골프공 같이 분화구가 촘촘하게 파진 미세입자를 만들 수 있고 여기에 플라즈마(높은 에너지를 갖는 기체이온)를 쪼여주면 분화구가 깊게 깎이면서 연꽃잎과 같은 나노구조가 형성된다.

이러한 연꽃잎 구조는 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이며 최근 나노식각공정을 사용해 평판 위에 연꽃잎 효과를 구현한 결과는 보고된 바 있다.

그러나 본 연구의 결과는 머리카락 보다 가는 미세한 입자표면에 연꽃잎 구조를 자기조립법으로 만든 최초의 사례로서 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소다.

연꽃잎의 나노구조를 갖는 미세입자를 물 표면에 뿌리면 막이 형성되고 이 막은 유리 막대를 찔러도 뚫리지 않고 유리막대에 물이 묻지 않는다.

이렇게 제조된 연꽃잎 효과를 나타내는 미세입자의 응용은 다양하다.

세차가 필요 없는 자동차, 김이 서리지 않는 유리, 비에 젖지 않는 섬유, 스스로 세정하는 페인트 그리고 비나 눈물에 얼룩이 지지 않는 화장품 등도 개발할 수 있다.

또 화학 및 바이오센서 등의 마이크로 분석소자, 물위를 걸을 수 있는 마이크로로봇, LCD 차세대 대형 디스플레이에서도 연꽃잎 효과를 이용한 코팅 기술이 사용될 것으로 기대된다. 

<양승만 KAIST 생명화학공학과 교수>

posted by 글쓴이 과학이야기
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