중국 초전도 토카막, 물리적 장벽 돌파하며 핵융합 신기원

중국의 ‘인공태양’으로 불리는 첨단 초전도 토카막(EAST) 연구진이 핵융합 발전의 최대 걸림돌 중 하나였던 ‘밀도 제한’ 벽을 무너뜨렸다.
이론상으로만 예견됐던 고밀도 안정 상태를 실제 실험에서 구현한 것으로, 핵융합 상용화를 위한 결정적 돌파구를 마련했다는 평가를 받고 있다.


핵융합 에너지는 1억 5천만 켈빈(150MK) 이상의 초고온 상태에서 플라즈마 밀도가 높을수록 생성되는 에너지가 제곱에 비례하여 증가한다. 하지만 지금까지 토카막 장치에서는 플라즈마 밀도가 일정 한계를 넘어서면 불순물이 쌓이고 에너지가 손실되면서 플라즈마가 붕괴되는 고질적인 불안정성 문제를 겪어왔다.

4일(현지시각) 과학 전문매체 사이언스데일리에 따르면 화중과학기술대학교 핑 주(Ping Zhu) 교수와 중국과학원 닝 옌(Ning Yan) 부교수팀은 지난 1월 1일 국제 학술지 '사이언스 어드밴스(Science Advances)'를 통해, 플라즈마 밀도가 기존 한계를 훨씬 넘어서도 안정적인 상태를 유지하는 '밀도 무관 영역(Density-Limit Free Regime)'에 도달했다고 발표했다.

연구진은 프랑스 연구진이 제안했던 '플라즈마-벽 자기조직화(PWSO)' 이론을 바탕으로 실험을 설계했다. PWSO 이론은 플라즈마와 반응기 금속 벽 사이의 상호작용이 완벽한 균형을 이룰 때, 밀도에 구애받지 않는 안정적인 영역이 나타날 수 있음을 시사한다.

연구팀은 EAST 가동 초기 단계에서 연료 가스 압력을 정밀하게 제어하고, 전자 사이클로트론 공명 가열(ECRH) 방식을 적용하여 플라즈마와 벽 사이의 상호작용을 최적화했다. 그 결과, 불순물 유입을 획기적으로 줄여 밀도가 꾸준히 상승함에도 불구하고 장치가 파손되거나 실험이 중단되지 않는 독보적인 안정성을 확보했다.


이번 성과는 단순한 실험적 성공을 넘어 차세대 핵융합 장치의 설계와 운전 방식에 근본적인 변화를 예고하고 있다. 핑 주 교수는 "이번 연구는 토카막 장치의 밀도 한계를 확장할 수 있는 실용적이고 확장 가능한 방안을 제시한 것"이라며 그 의미를 강조했다.
사이언스데일리에 따르면 닝 옌 부교수 역시 "향후 더 높은 출력의 고성능 플라즈마 조건에서도 이 방식을 적용해 핵융합 점화(Ignition)에 이르는 경로를 단축할 계획"이라고 덧붙였다. 과학계는 중국의 이번 성과가 글로벌 핵융합 경쟁에서 상당한 우위를 점하게 함은 물론, 에너지 손실 없는 무한 에너지 시대의 도래를 앞당길 것으로 보고 있다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com