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제목

핵융합을 향한 길: 실현을 위한 조건과 최신 설계 전략

북일고등학교

채호진

옥경한

이건우

정승훈

abstract

북일고등학교

본 논문은 차세대 핵융합 에너지 실현을 위한 자기가둠(MCF)과 관성가둠(ICF) 방식의 핵심 원리와 기술적 특징을 비교 분석한다. MCF 방식에서는 토카막과 스텔라레이터를 중심으로 고온초전도체(HTS) 기반 자기장 제어 기술과 다양한 보조 가열 방식(NBI, RF, EBW 등)을 통해 플라즈마의 안정적 유지 방법을 다룬다. ICF 방식은 간접 및 직접 구동의 차이와 불안정성 억제 기술, 그리고 LLNL의 점화 실험을 기반으로 한 구현 가능성을 고찰한다. 양자 터널링 효과는 중수소-삼중수소 핵융합에서 쿨롱 장벽을 극복하는 물리적 핵심 원리로 제시되며, 이를 통해 열핵융합의 실현 조건을 이론적으로 설명한다. 두 방식의 상호보완적 특성을 통해 핵융합 에너지 상용화를 위한 기술적 방향성을 제안한다.

목차

1. 서론

2. 본론

2.1 핵융합 반응의 이론적 배경

2.1.1 핵융합 반응의 기본 원리

2.1.2 쿨롱 장벽과 양자 터널링 효과

2.1.3 중수소-삼중수소 반응의 에너지 조건

2.2 자기가둠 핵융합(MCF: Magnetic Confinement Fusion)

2.2.1 자기가둠 방식 개요

2.2.2 플라즈마 가둠 원리와 자기장의 역할

2.2.3 토카막(Tokamak)

2.2.4 스텔러레이터(Stellarator)

2.3 관성가둠 핵융합(ICF: Inertial Confinement Fusion)

2.3.1 관성가둠 방식 개요

2.3.2 연료 펠릿과 레이저 압축 메커니즘

2.3.3 간접 구동 방식

2.3.4 직접 구동 방식

2.4 핵융합 에너지 상용화를 위한 조건

2.4.1 로슨 조건(Lawson Criterion)

2.4.2 플라즈마 조건 조절 전략

3. 결론 및 제언

4. 참고문헌

Ⅰ		서론

최근 인류는 급격한 기후 변화와 이에 따른 환경 위기의 심화, 화석 연료 중심의 자원 고갈 문제에 직면하고 있다. 산업혁명 이후 지속되어온 탄소 기반 에너지 사용은 지구 온난화를 가속화시켰고, 이는 단순한 환경 문제가 아닌 생존의 문제로 확대되고 있다. 이에 대응하기 위해 전 세계는 2015년 파리 기후 협정을 체결하며 온실가스 배출 감축을 위한 실질적 이행을 약속하였다. 이후 각국은 재생 가능 에너지원을 중심으로 한 친환경 에너지 체제로의 전환을 시도하고 있으며, 풍력, 태양광, 수력, 지열 등의 에너지원을 적극 도입하고 있다.

이러한 재생에너지의 보급은 전통적인 에너지 구조를 바꾸며 청정 에너지 사회로의 이행을 견인하고 있으나, 그 한계 또한 명확히 드러나고 있다. 특히 태양광과 풍력은 날씨와 계절, 지역에 따라 발전량의 편차가 크고, 에너지 저장 및 계통 안정성을 확보하는 데에 어려움을 겪고 있다. 에너지 수요가 점차 증가하는 현실 속에서, 재생에너지원만으로 안정적인 전력 공급을 지속하기에는 기술적·경제적 과제가 산적해 있다. 이에 따라 차세대 에너지원으로서 보다 안정적이고 지속 가능한 대안을 모색해야 할 필요성이 대두되고 있으며, 그 중심에 핵융합 에너지가 주목받고 있다.

핵융합 에너지는 태양 내부에서 끊임없이 일어나고 있는 반응을 지구상에 구현하고자 하는 시도에서 출발한다. 수소 원자핵들이 결합하여 헬륨을 생성하는 과정에서 질량결손이 발생하고, 이로 인해 막대한 에너지가 방출된다. 핵융합은 반응 부산물이 방사성 폐기물로 이어지지 않고, 이산화탄소 등 온실가스를 배출하지 않으며, 연료인 중수소와 삼중수소가 해수 등에서 비교적 쉽게 확보될 수 있다는 점에서 ‘궁극의 청정 에너지’로 불린다. 무엇보다도 단위 질량당 에너지 밀도가 매우 높아 기존의 어떤 발전 방식보다도 효율적인 에너지 생산이 가능하다는 점이 큰 장점으로 작용한다.

물론, 이러한 핵융합을 지구상의 실험실 환경에서 안정적으로 구현하기 위해서는 수억 도 이상의 고온 상태에서 플라즈마를 유지해야 하며, 이는 매우 높은 기술적 난이도를 요구한다. 현재 핵융합을 유도하기 위한 대표적인 방식으로는 자기장을 이용해 고온 플라즈마를 가두는 자기가둠 방식(Magnetic Confinement Fusion)과 극초단 시간에 고에너지 레이저로 연료를 압축하여 반응을 일으키는 관성가둠 방식(Inertial Confinement Fusion)이 있으며, 각각의 방식은 고유의 원리와 기술적 접근을 통해 상용화를 향한 연구가 활발히 진행 중이다. 본 보고서에서는 이러한 방식의 기술적 특성과 발전 현황을 소개하고자 하며, 원리에 대한 자세한 내용은 본론에서 다룰 것이다. 이러한 배경을 바탕으로, 본 보고서는 급변하는 에너지 전환 시대 속에서 핵융합 에너지가 왜 필요한지, 그리고 이를 실현하기 위한 현재의 기술적 시도들이 어떤 방향으로 나아가고 있는지를 조망하고자 한다. 특히, 핵융합 상용화를 가로막고 있는 주요 난제들과 이를 해결하기 위한 연구 흐름을 살펴봄으로써, 핵융합이 단순한 미래 기술이 아닌, 현실적인 에너지 전략으로서 자리매김하기 위한 조건과 가능성을 고찰하는 데 목적이 있다.

Ⅱ		본론

핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 결합하여 에너지를 방출하는 반응으로, 장기적인 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만 양전하 사이의 전기적 반발력인 쿨롱 장벽을 극복해야 하며, 고전 역학적으로는 이 장벽을 넘기 어렵다. 그러나 양자 터널링 효과 덕분에 입자들이 높은 에너지 장벽을 확률적으로 통과할 수 있어 핵융합이 가능해진다. 그럼에도 불구하고 열핵융합 반응을 자율적으로 지속하려면 매우 높은 온도에서 원자핵들이 충돌해야 하며, 이를 위해 플라즈마 상태가 필요하다.

양자 터널링(Quantum Tunneling)은 고전역학으로는 설명할 수 없는 양자역학의 대표적인 현상 중 하나로, 입자가 자신이 가진 에너지보다 더 높은 퍼텐셜 장벽을 통과할 수 있는 현상이다. 이는 입자를 단순한 질량과 위치를 갖는 고전적 점입자로 보지 않고, 파동으로 간주하는 양자역학의 기본 전제에서 비롯된다.

고전역학에서는 어떤 입자가 에너지 장벽을 넘기 위해서는 그보다 높은 에너지를 가져야만 한다. 예를 들어, 고전적으로 에너지 E를 가진 공이 높이 V0의 언덕을 넘기 위해서는 반드시 E≥V0 조건이 만족 되어야 한다. 그러나 양자역학에서는 입자를 파동 함수로 나타내며, 이 파동은 특정 영역에 국한되지 않고, 장벽 바깥까지 확률적으로 퍼질 수 있다. 이로 인해 입자는 장벽을 통과할 수 없는 것처럼 보이지만, 실제로는 장벽을 '뚫고' 다른 쪽으로 나아갈 수 있는 확률이 존재한다. 이를 수학적으로 표현하면 다음과 같다. 입자가 진입하는 장벽을 폭 a,

높이 V0로 하고, 입자의 에너지가 E<V0인 경우, 장벽 내부에서 파동함수는 지수 함수 형태로 감소하며 다음과 같이 표현된다.

여기서 이며, m은 입자의 질량, h는 디렉 상수이다. 이 파동함수는 장벽 너머까지 퍼져 있기 때문에, 입자가 장벽을 넘는 것이 불가능하지 않으며, 이 확률을 터널링 확률 T로 나타낼 수 있다.이 식에서 확인할 수 있듯이, 장벽의 폭이 넓을수록, 장벽의 높이가 클수록, 그리고 입자의 에너지가 낮을수록 터널링 확률은 기하급수적으로 줄어든다. 하지만 미시세계에서는 이러한 낮은 확률조차 실제 물리 현상을 설명하는 데 결정적인 역할을 한다.

양자 터널링 현상은 여러 물리적 현상에서 실질적인 의미를 갖는다. 대표적인 예가 바로 핵융합이다. 핵융합에서는 두 개의 양전하를 가진 입자가 가까워지며 쿨롱 반발력을 받는데, 열적 운동 에너지만으로는 이 장벽을 넘기 어렵다. 그러나 양자 터널링 덕분에 이들이 핵력 거리까지 접근할 수 있으며, 결과적으로 핵융합 반응이 발생할 수 있다.

또 다른 예는 방사성 붕괴 중 하나인 알파 붕괴이다. 원자핵 내부의 알파 입자는 핵 내부 퍼텐셜 우물에 갇혀 있지만, 터널링 현상에 의해 에너지가 부족함에도 불구하고 핵 밖으로 빠져나갈 수 있다. 이러한 현상은 고전 역학적으로는 불가능하지만, 실제로는 매우 정확하게 측정되고 관측된다.

중수소와 삼중수소의 핵융합 반응은 현재 인공 핵융합 연구에서 가장 유망한 반응 중 하나로 꼽힌다. 이 반응이 일어나기 위해서는 두 핵이 서로 매우 가까운 거리(약 1 페미미터, 즉 1 x 10-15 m)까지 접근해야 한다. 그러나 두 입자는 모두 양전하를 띠고 있기 때문에 전기적인 반발력을 받게 되며, 이로 인해 높은 퍼텐셜 에너지를 극복해야만 핵력이 작용하는 거리까지 도달할 수 있다. 이러한 전기적 장벽은 ‘쿨롱 장벽(Coulomb barrier)’이라 불린다.중수소와 삼중수소는 각각 +𝑒의 전하를 가지고 있기 때문에, 이들이 1 fm 거리까지 접근할 경우 발생하는 전기 퍼텐셜 에너지는 다음과 같은 쿨롱 법칙에 의해 계산할 수 있다.

여기서  𝜀0 는 진공의 유전율이며 e는 기본 전하량이다. 이 식에 값을 대입하면 퍼텐셜 에너지는 약 2.31 x 10-13 J,즉 약 1.44MeV로 계산된다. 이는 매우 큰 에너지로, 자연 상태에서는 대부분의 입자들이 이를 넘기 어려워 보인다. 그러나 실제로는 태양 내부나 고온 플라즈마 상태에서  핵융합이 일어난다. 그 이유는 바로 입자들이 가진 운동 에너지와 양자역학적 터널링 효과 때문이다. 먼저, 고온의 플라즈마에서는 입자들이 평균적으로 높은 운동 에너지를 갖는다. 예를 들어 플라즈마 온도가 약 108K일 경우, 입자의 평균 운동 에너지는 로 표현되며, 이는 약 2.07×10−15 J즉 약13 keV 수준에 해당한다. 이는 쿨롱 장벽의 높이인 1.44 MeV에는 한참 미치지 못한다. 그렇다면 어떻게 반응이 가능한 것일까? 이 질문에 대한 답은 바로 ‘양자 터널링 효과’에 있다. 양자역학에서는 입자를 파동의 성질을 갖는 존재로 해석하며, 따라서 입자가 고전적으로 넘을 수 없는 장벽이라도 확률적으로 '뚫고 지나가는' 현상이 발생할 수 있다. 이를 터널링(tunneling)이라고 하며, 그 확률은 감마우(Gamow) 인자에 의해 근사적으로 다음과 같이 계산된다.

여기서 μ는 두 입자의 감마 중심 질량으로, 중수소(2u)와 삼중수소(3u)의 질량을 이용하면 약 2.0×10−27 kg으로 계산된다. 위 수식을 수치적으로 근사하여 계산하면, 터널링 확률은 약 P≈0.048, 즉 약 4.8%로 나타난다. 이는 모든 입자들이 반응하는 것은 아니지만, 플라즈마 내에 존재하는 막대한 수의 입자들이 충돌하는 동안 실제로 상당한 수의 핵융합 반응이 일어날 수 있음을 의미한다. 결론적으로, 중수소와 삼중수소의 핵융합은 고전역학적으로는 불가능해 보일 정도로 큰 쿨롱 장벽을 갖고 있지만, 고온 상태에서의 운동 에너지와 양자 터널링 효과가 결합되어 현실적으로 반응이 가능하게 된다. 이로 인해 인공적으로도 핵융합 반응을 유도하고 지속시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 이는 미래의 에너지 문제 해결을 위한 중요한 실마리를 제공하고 있다.

그림  터널링 확률

핵융합 반응을 인공적으로 구현하기 위해서는 플라즈마 상태를 안정적으로 제어할 수 있는 기술이 필요하다. 여기서 플라즈마 상태란 고체, 액체, 기체에 이어 4번째 상태로 원자핵과 자유전자가 따로따로 떠돌아다니는 상태를 뜻한다. 표준 압력에서 이 상태가 되기 위해서는 약 1억도 이상의 초고온 환경이 필요하다. 현재까지의 접근법은 크게 자기가둠(Magnetic Confinement Fusion, MCF)과 관성가둠(Inertial Confinement Fusion, ICF)으로 나뉜다.

먼저 자기가둠 방식은 플라즈마 속 전하 입자들이 자기장에 의해 움직이는 성질을 이용한다. 이 성질을 이용하면, 플라즈마가 닿으면 손상될 수 있는 장치의 벽과 접촉하지 않도록 공중에 띄워 가둘 수 있다. 자기장은 전하를 가진 입자에게 입자의 운동방향과 자기장방향에 수직하게 힘을 가해 전하를 가진 입자가 원운동과 직선 운동이 결합된 형태로 자기장 속에서 직선이 아닌 나선형 궤적을 따라 운동하게 한다. 이를 통해 플라즈마가 장치 내부에 머무르게 하는 것이 자기가둠의 핵심 원리이다. 자기가둠 장치로는 ‘토카막’이라는 도넛 모양의 장치가 대표적이다. 이 장치는 강력한 자기장을 만들어 플라즈마가 벽에 닿지 않고 안쪽에서 일정한 경로를 따라 회전하게 만든다. 하지만 일반 전자석을 이용하여 자기장을 만들 경우 플라즈마를 가두기 위해 오랫동안 자석에 전류를 흘려야 되기 때문에 저항에 의해 열이 발생하고 가동을 지속할 수 없는 상황이 된다. 이를 위한 해결책으로 등장한 것이 초전도 자석이다. 어떤 종류의 금속이나 합금을 절대영도(영하 273도) 가까이 냉각하면 전기저항이 갑자기 사라져 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 초전도 현상이 발생한다. 이 초전도 현상은 물질 내 전자의 움직임이 거의 멈추면서 전기 저항의 원인인 전자 간 충돌이나 불순물 등이 없어지기 때문에 발생한다. 결국 1억℃ 이상의 초고온 플라즈마를 가두기 위해서는 절대영도에 가까운 극저온에서 저항이 사라지는 초전도 자석을 필요로 하는 것이다. 완전한 초전도 상태를 구현하기 위해서는 외부로부터 열 침입이 없도록 초고진공 상태를 유지해야 한다. 세계 최대 규모의 초전도 토카막 극저온 냉각 달성이라는 신기록을 세운 것도, 극저온 냉각 시운전을 단번에 완료한 것도 한국의 KSTAR가 처음이다. KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)는 국내 연구진이 독자적으로 개발한 초전도형 토카막 장치로, 1억도 플라즈마를 30초 이상 안정적으로 유지한 바 있으며, 이는 자기가둠 방식의 기술적 한계를 극복하는 데 중요한 전환점으로 평가받는다. 특히 2024년 3월 20일 1억도 이상을 48초 유지하는 데 성공하여 세계최고 기록을 다시 한번 갈아끼웠고, 이는 향후 상용 핵융합로 개발에 있어 안정성과 지속성 측면에서 중요한 선례가 되고 있다.

관성 가둠은 아주 작은 연료 펠릿(중수소-삼중수소 혼합물)에 초고출력 레이저를 집중시켜 핵융합 반응을 일으키는 방식이다. 이 방식에서는 플라즈마를 오래 유지하려 하지 않고, 매우 짧은 시간(4나노초) 안에 핵융합 반응이 일어나도록 압축하고 가열하는 것을 목표로 한다. 레이저가 펠릿 표면을 가열하면 표면 물질이 밖으로 터지며, 그 반작용으로 중심부가 안으로 강하게 압축된다. 이때 중심이 고온·고밀도로 달궈지면서 핵융합 반응이 일어나게 된다. 이 반응에서 나오는 알파 입자들(핵융합 반응에서 방출되는 헬륨 핵)이 다시 주변 연료를 데우며 핵융합을 더 이어지게 만드는 것이 목표이며, 이 상태를 ‘점화(ignition)’라고 한다. 여기서 점화는 연료가 외부 에너지 없이도 자체적인 핵융합 반응을 이어가는 상태를 뜻한다. 이 과정은 마치 작은 수소폭탄을 통제된 환경에서 실험하는 것과 비슷하다.

이 방법은 시간은 짧지만 순간적인 에너지가 매우 크기 때문에 성공하기가 쉽지 않다. 특히 연료가 완전히 대칭으로 압축되지 않으면 에너지가 새어 나가거나 반응이 실패할 수 있다. 그래서 레이저의 세기나 조사 위치, 연료의 표면 상태까지도 매우 정밀하게 설계해야 한다. 또한 핵심적인 물리 현상 중 하나로 레일리-테일러(Rayleigh-Taylor) 불안정성이 있다. 이는 밀도가 큰 물질(압축된 고밀도 연료)이 밀도가 작은 물질(펠릿 외부의 폭발로 인해 형성된 저밀도 플라즈마)을 밀어내는 상황에서 두 물질의 경계면이 불안정해지며 생기는 현상으로, 경계면에 요철(두 물질이 만나는 면에서 발생하는 작은 굴곡이나 울퉁불퉁한 부분)이 생기며 압축 흐름이 왜곡되고, 결국 핵융합 점화에 필요한 고온·고밀도 상태 형성에 실패할 수 있다. 이러한 RTI의 발생을 억제하기 위해 다양한 기술적 개선이 시도되고 있다. 최근에는 펠릿에 회전 운동을 부여하는 방법이 RTI 억제 기법으로 제안되고 있다. 펠릿을 압축하기 전이나 도중에 고속으로 회전시키면, 회전하는 좌표계에서 관찰되는 관성력인 원심력의 영향으로 유체의 경계면에서 발생하는 불안정한 요철의 성장 방향과 패턴이 분산되거나 방해된다. 특히 회전에 의해 생성되는 원심력은 경계면에 작용하는 압력 구배(특정 위치 주변에서 압력이 가장 빠르게 증가하는 방향과 속도를 나타내는 물리량)를 재배치해 불안정성의 성장률을 지연시키는 역할을 한다.

자기가둠과 관성가둠은 각각의 작동 원리와 기술적 조건이 다르기 때문에, 핵융합을 구현하기 위한 접근 방식에서 서로 다른 전략을 취한다. 자기가둠 방식은 플라즈마를 비교적 오랜 시간 안정적으로 유지하면서 핵융합 반응을 유도하는 데 중점을 둔다. 이 방식에서는 플라즈마 내부의 전하 입자들이 자기장 속에서 나선형 궤도를 따라 운동하며, 장치의 벽과 접촉하지 않고 중심에 머물게 된다. 따라서 장시간 운전이 가능하고, 이론적으로는 일정한 출력으로 지속적인 전력 생산이 가능한 구조를 갖는다. 실제로 현재 국제 공동 핵융합 연구 프로젝트인 ITER에서도 이 방식을 채택하고 있다. 하지만 이러한 자기가둠 방식은 초고온 플라즈마를 가두기 위해 강력한 초전도 자석과 극저온 환경, 초고진공 기술이 필수적이며, 전체 시스템이 매우 복잡하고 거대하다는 단점이 있다. 또한, 플라즈마가 자기적 불안정성을 보일 경우 장치 벽에 닿아 손상을 입히거나 반응이 중단될 수 있기 때문에 고급 제어 기술이 요구된다.

반면 관성가둠은 아주 짧은 시간(수 나노초) 동안에 고밀도 에너지를 연료 펠릿에 집중시켜 핵융합을 유도하는 방식으로, 장시간 플라즈마를 유지하지 않고 순간적인 에너지 집중과 압축에 초점을 맞춘다. 미국 로렌스 리버모어 국립연구소의 NIF(National Ignition Facility)에서는 이 방식을 기반으로 핵융합 점화에 도전하고 있다. 관성가둠 방식은 이론적으로는 수백 개의 고출력 레이저를 동시에 펠릿 표면에 조사하여 완벽한 구형 대칭 압축을 실현할 수만 있다면, 외부 에너지 없이 스스로 핵융합을 이어가는 ‘점화’ 상태에 도달할 수 있다. 또한 상대적으로 소형 장치에서도 실험이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 펠릿의 표면 상태, 레이저 배열, 타이밍, 조사 균일도 등 수많은 요소에서 극도의 정밀성이 요구되며, 조금만 대칭성이 무너지거나 압축이 일그러져도 핵융합 반응이 실패로 끝날 수 있다. 특히 레일리-테일러 불안정성(Rayleigh-Taylor instability)은 밀도 차이를 가진 유체 경계면에 충격파가 작용할 때 발생하는 비선형적 혼합 현상으로 인해 펠릿의 압축을 방해하는 대표적인 물리 현상으로, 이를 제어하기 위한 기술이 필수적으로 동반된다. 최근에는 펠릿에 회전 운동을 부여하여 이 불안정성을 억제하려는 시도가 활발히 이루어지고 있으며, 이는 회전에 의해 생성되는 원심력이 경계면 압력 구배를 재배열하여 불안정성의 성장률을 감소시킨다는 원리에 기반하고 있다. 종합적으로 보면, 자기가둠은 장기적이고 안정적인 핵융합 에너지 생산을 목표로 하며, 기술 성숙도와 에너지 출력 측면에서 유리한 반면, 관성가둠은 상대적으로 간결한 구조와 고속 반응 실현 가능성에서 이점을 가지지만, 극도의 정밀한 설계와 제어가 요구된다. 따라서 현재 핵융합 에너지 연구는 어느 한 방식에만 집중하기보다, 두 방식을 병행하여 연구하며 각각의 장점은 최대화하고 단점은 기술적으로 보완해나가는 방향으로 발전하고 있다.

자기 가둠 융합의 대표적 핵융합 기술인 Stellarator는 플라즈마 내부에 전류 없이 외부 코일만 사용하여 자기장을 생성하는 장치이다. 3차원 구조와 비대칭 코일 구조를 만들어 플라즈마 상태를 안정적으로 유지시켜주고, 도넛 모양(toroidal)의 구조와 도넛 모양의 단면(poloidal)의 구조를 가지고 플라즈마는 이 모양을 따라 흐르며, 동시에 자기장도 플라즈마가 벽에 닿지 않게 하기 위해 도넛 모양과 단면 모양으로 꼬이도록 형성된다. Tokamak과의 차이점이 바로 이 부분에서 나타나는데, Tokamak은 자기장을 생성할 때 큰 전류를 흘려야 되며 구조 또한 비교적 단순한 모양이다. 이와 더불어, Tokamak 장치는 많은 양의 전류를 사용하기 때문에 자기 불안정성이 나타나는 경향이 있다.

MHD 불안정성의 일종으로 티어링 모드(Tearing mode), 톱니형 불안정성(Sawtooth Instability), 경계면 불안정성(ELMs) 등으로 발생한다. 플라즈마는 전기를 띤 입자들이 모인 고온의 상태를 말하고, 토카막에서는 이를 통해 유도 전류를 흘려 플라즈마를 가둔다. 이 과정에서 전류의 밀도가 불균형하게 분포할 수 있는데, 이를 비안정적 전류 밀도 프로파일이라고 한다. 주로 ECCD나 중성입자 빔 주입 같은 기술을 사용할 때 전류 밀도의 불균형이 일어나 발생하게 된다. 자기 섬을 생성시켜 에너지 손실을 유발하거나, 플라즈마 붕괴 현상으로 이어질 수도 있다. 톱니형 불안정성 또한 플라즈마의 붕괴 현상으로 인한 불안정성 문제인데, 이로 인해 플라즈마 온도 프로파일이 톱니 모양과 같이 반복적으로 진동하여 이렇게 불린다. 경계면 불안정성은 플라즈마 가장자리에 압력이 증가하는 속도가 비정상적이게 나타나면 푹발적 방출이 일어나는 현상이다. 자기 표면 사이에서 큰 전류나 압력 구배로 불안정성을 초래하는 것이다. 이러한 불안정성 문제들은 모두 과도한 전류의 이용으로 특정 부분에 집중되어서 초래되는 문제이기에, 전류 자체를 사용하지 않고 오로지 코일만을 통해 자기장을 생성하는 장치인 Stellarator는 근본적으로 자기 불안정성 문제를 피할 수 있다. 따라서 장시간 연속 운전이 가능하며, 유용한 방식으로 주목 받는다. 그러나 앞서 언급되었던 것처럼 두 방향의 자기장을 만들어야 하며 자석의 위치와 각도를 수 밀리미터 오차 이내로 정밀하게 만들어야 하기에 구조 자체도 매우 복잡하고 많은 비용이 들고 코일 자체도 고도의 기술이 필요하다.

초기의 Stellarator는 Tokamak보다 플라즈마 가둠 성능도 낮고, 효율도 떨어졌지만, 최근에는 HTS(고온 초전도체)를 사용한 고성능 자기장과 액체 금속을 표면에 흐르게 하여 중성자와 열을 흡수하는 기술 등으로 극복해 나가고 있다. 이를 활용한 효과로 플라즈마 압력 증가, 지속적 운전 성능 강화, 냉각 에너지 절감, 코일 소형화 등이 있다. 플라즈마의 압력이 증가되면 핵융합 반응률이 올라간다. 핵융합 반응은 입자 밀도(n)과 온도(T)에 비례하는데 압력의 식 P=nkT의 식이 성립하기에 결과적으로 압력이 핵융합 반응률과 비례한다.

토카막이나 Stellarator와 같은 자기장 구속 방식은 압력이 자기장의 세기 [eqn: B` ^{2}] 그 이상에 비례하기 때문에 더더욱 효과적이다. 따라서 HTS를 사용하면 자기장이 강화되고, 그 이유로는 높은 전류 밀도 임계점 덕분이다. HTS는 고온 초전도체로 기존의 저온 초전도체의 임계점과는 차원이 다른 수준이다. 이는 세라믹 기반 복합 재료인 REBCO가 사용되고, 이 소재를 구조로 하여 외부 자기장이나 전류에 의해 쉽게 흐트러지지 않는다. 원리에 대해 알아보자면, 초전도체 내부로는 자기장이 침투할 수 없지만 고온 초전도체 내부로는 일정 자기장 이상은 자속선의 형태로 존재할 수 있다. 그러나 자속선은 전류가 흐르게 되면 그 힘에 의해 움직이려하고 만약 자속선이 움직이게 된다면 초전도성이 깨져 저항과 에너지 손실이 생긴다. 그러므로 핀으로 이를 고정시켜두는 기술이 플럭스 핀닝 센터이다. 초전도체 내부에 결함, 나노입자, 산화물 등을 넣어 자속선을 잡아둘 수 있고 이로 인해 임계점은 올라가 전류와 자기장의 세기는 높일 수 있는 것이다. 현재 대한민국 기업 중 서남은 인공 핀닝 입자를 생성하여 REBCO 테이프 내부에 삽입 시켜 고자기장에서도 초전도성을 유지하는 모습을 보였다.

관성 가둠 융합 방식(ICF)은 핵융합 연료가 자체 관성에 의해 압축되며 매우 짧은 시간동안 매우 높은 온도와 밀도를 유지하여 잠깐 동안의 핵융합 반응을 일으키는 방식이다. 국제적으로 ICF의 관한 연구는 레이저 구동 방식에 집중되어 있고, 레이저 구동 방식은 간접 구동과 직접 구동으로 나뉜다. 간접 구동은 레이저를 목표물로 조준하여 그 주변 쉘을 가열시키는 방식으로 목표물을 점화 및 자체 유지 연소 조건에 만족하도록 한다. 이 과정에서 유도되는 핵융합 반응의 끊임없는 연쇄적인 현상이 지속된느 것을 점화라고 표현하는데 22년도에 미국 로런스 리버모어 국립연구소(LLNL)가 마침내 이에 성공하였다. 이들은 레이저 구동 방식 중 간접 구동 방식을 통해 1mm 크기의 플라스틱 구슬 속에 중수소, 삼중수소를 넣고 192개의 레이저를 쏴 구슬 내부에서 핵융합을 일으키는 실험으로 투입량보다 산출량이 더 많은 굉장히 이례적인 연구 결과를 도출하였다. 최근에도 연속적으로 점화 실험에 성공하며 안정적인 핵융합 반응 유지 가능성에 대해 입증해나가고 있는데, 이와 더불어 드라이브 결손 문제 등도 발견된 바가 있다. 고해상도 진단 장비를 통한 실험 데이터로 시뮬레이션을 돌렸을 때, 예측한 X선보다 실제 생성된 에너지가 적은 현상이 나타난 것이다. 이 때문에 점화 조건에 만족하지 못한 실험도 존재한다. 대략적인 해결 방안으로는 모델 정교화 및 재료 개선 등이 현재로썬 최선으로 여겨진다.

반면, 직접 구동 방식은 목표물을 직접 조준하여 가열시켜 조건에 도달시키는 방식이다. 이는 레이저 빔의 에너지를 더욱 효과적으로 사용할 수 있고 목표물의 구조가 더 쉽다. 레이저 에너지를 직접 조준하여 목표물을 플라즈마로 가열하고 온도와 밀도 조건이 만족되어 핵융합 반응이 유도되고, 이로 인해 생성된 알파 입자가 연쇄 반응을 유도시키는 맥락의 방식이다. 아직까지 이를 성공한 케이스는 없으나 최근에 머신 러닝 기반의 3차원 재구성 기술을 도입하여 목표물의 효율성을 향상시킨 결과는 존재한다. 그러나 직접 구동 방식은 유체 역학적 불안정성을 줄여야 한다는 단점이 존재한다. 즉, 외부 목표물 표면의 파문으로 인한 Richtmyer-Meshokv 불안정성, 가속장으로 인한 Rayleigh-Talyor 불안정성, 전단 속도로 인한 Kelvin-Helmoltz 불안정성이 있다. 우선, Richtmyer-Meshokv 불안정성은 레이저로 인한 쉘의 충격으로 인해 밀도 차이가 발생하여 생기게 되는 불안정성이다. 이를 해결하기 위한 방법으로는 쉘 표면을 나노미터 수준으로 매끄럽게 가공하는 계면 평탄화 방법이 있고, 충격파를 다단계로 조절하여 전체적인 충격의 수준을 부드럽게 만들어주는 방법이 있으며, 밀도 차이를 줄일 수 있는 다층 소재를 쉘의 재료로 사용하는 방법이 있다. 다음으로, Rayleigh-Talyor 불안정성은 가벼운 유체와 무거운 유체 사이의 접촉으로 인해 표면에 작게 존재하는 울퉁불퉁한 요철이 충격이 계속해서 가해지게 되면 점점 더 커지는 현상이다. 이렇게 커지게 된 요철은 결국 버섯 구조를 형성하여 계면을 무너지게 한다. 이를 해결할 수 있는 방법으로는 아까와 비슷한 압축곡선을 부드럽게 형성하는 방법이 있고, 레이저 빔 균일화를 통해 안정성을 증가시키는 방법도 있고, 일반적으로는 짧고 강한 순간적 에너지가 나타나지만 ramp-up 펄스를 통해 처음에는 약하게 시작하여 점점 강해지는 출력 형태를 띄게 하여 에너지 급가속을 방지시키는 방법도 존재한다. Kelvin-Helmoltz 불안정성은 두 유체의 전단 속도 차이를 가질 때 대기 중 소용돌이가 발생하는 것과 비슷한 현상이 표면에서 나타난다. 이를 안정화하기 위해선 우선 전단 속도 조절이 필수적이다. 또한, 앞서 언급했던 표면의 매끄러움을 증가시키는 기술들도 효과적이고 외부 자기장 적용을 통해 완화시키는 기술도 개발중이다.

마지막으로 직접 구동 방식의 에너지 효율성을 증진시킬 수 있는 방안에 대해 조사해본 결과, 위에서 언급한 여러 안정성 관련 해결 방안들 중에서 차용한 기술들도 존재함을 알 수 있었다. 에너지가 목표물인 펠릿에 균일하게 전달되지 않게 되면 압축 비대칭으로 인해 반응 비효율이 발생함으로 크로스빔 에너지 전송(CBET) 제어로 레이저 간의 간섭을 억제하는 방안이 존재한다. 이는 두 개의 레이저가 펠릿 내부로 조사될 때 비선형 광학 효과에 의해 어떤 방향의 에너지는 강해지고, 다른 방향은 에너지가 약해지는 현상이 나타난다. CBET 제어 방법으로 레이저 파장을 조정하는 기초적인 방법도 존재하고, 빔 간의 교차각을 최적화하는 방안도 존재한다. 위와 비슷하게 펠릿에 압축되는 동안 X선이 외부로 빠져나가면서 에너지 손실이 유발되는 현상이 일어나는데, 펠릿 외피의 소재를 Beryllium이나 CH 기반으로 금, 우라늄 등의 고원자번호를 도핑하면 방출된 X선이 다시 흡수되어 내부로 열이 재전달되는 복사 재순환 효과가 발생할 수 있다.

Tokamak과 같은 핵융합 장치는 양전하를 띤 입자가 서로 쿨룽 반발력으로 인한 에너지 장벽을 넘어야 하는데, 이때 양자터널링 효과를 활용한 기술 외에도, 필요한 고온, 고밀도의 플라즈마를 유지하는 것은 쉽지 않다. 이에 Tokamak은 여러 보조 가열 방식을 통해 고온을 유지한다. 이러한 보조 가열 방식에는 중성입자 주입 방식(NBI)과 고주파 가열 기법(RF heating) 등이 있다.

그림  NBI 주입방식

중성입자 주입 방식(NBI, Neutral Beam Injection)은 고밀도, 도에너지의 플라즈마 상태를 유지하도록 도와주는 보조가열 기술로 중성자를 이용해 플라즈마 중심부에 이온과 전자에 충돌하여 운동 에너지를 전달함으로써 플라즈마의 온도를 높인다. 이온원에서 수소나 중수소 분자를 이온화시켜 양성자(H+)나 중수소 이온(D+)을 생성하고 이를 고전압 가속기로 120keV까지 가속시킨다. 가속된 이온들은 고압의 중성 기체가 존재하는 구역인 중성가스 타겟을 통과하면서 전자와 재결합된다. 이 입자는 중성화되며 고에너지의 중성자를 형성한다. 그러나 일부 이온들은 중성화가 되지 않는데 이는 이온덤프와 휨용 전자석을 통해 제거함으로써 순수한 중성자들만 플라즈마에 주입되어 효율을 높이도록 한다. 이온들은 중성자와 달리 전하를 띠기에 강한 전자석을 통해 이들을 끌어당긴다. 이를 이온덤프를 통해 빔 밖으로 빼내 순수한 중성자만 남긴다. 이러한 중성자는 이온과는 달리 전하를 띠지 않아 자기장의 영향을 받지 않아 플라즈마 내부 깊숙이 도달한다. 이후 플라즈마 이온과는 탄성 충돌을 통해 운동에너지를 전달하고, 전자와는 충돌 이온화를 중성자의 전자가 튕겨져 이온이 되어 에너지를 전달한다. 이 에너지는 플라즈마가 고온을 유지하는데 기여한다.

고주파 가열(RF heating)은 20kHz~300GHz의 고주파 전자기파를 플라즈마로 입사 시켜 에너지를 얻는다. 전자기파가 플라즈마 내부를 지나는 중 특정 주파수와 일치하는 영역을 만나면 공명 현상이 일어나 진폭이 커져 에너지를 증가시킨다. 이는 플라즈마의 운동 에너지를 증가시켜 온도를 상승시킨다. 고주파 가열의 일종인 전자 사이클로트론 공명 가열(ECRH)은 마이크로웨이브를 주 에너지로 사용하는데 전자가 이 에너지를 흡수하여 자유 전자가 되고 이 전자는 외부 자기장에 의해 로렌츠 힘을 받으며 회전운동을 한다. 전자의 회전주파수와 마이크웨이브의 주파수가 일치하면 전자는 공명을 일으키며 운동에너지가 증가하면서 가열되고, 추가적인 에너지를 얻게 된다. 또한 가열된 전자는 이온화률이 높아져 낮은 작동 압력에서도 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다. 반면 고주파 가열의 다른 종류인 이온 사이클로트론 공명 가열(ICRH)는 ECRH와 달리 이온을 가열하여 에너지를 얻는다. 고주파 전자기파가 플라즈마 내부로 침투할 때 자기장에 세기에 따라 특정 반지름에 공명층을 형성하는데 로렌츠 힘에 의해 회전하는 이온의 회전 주파수가 공명층의 전지장 주파수와 일치하면 강한 상호작용을 하며 이온의 회전 속도를 높인다. 이온은 에너지를 흡수하며 운동 에너지가 증가하고 플라즈마의 이온 온도 상승을 유발한다.

EBW Heating은 전기파의 특성을 이용해 고밀도 플라즈마 내부까지 에너지를 효율적으로 전달하는 고주파 가열 방식이다. 이 방식은 진공에서는 전파되지 못하지만 플라즈마 내부에서 전자 진동에 의해 생성되는 비전파성 파동인 Electron Bernstein Wave를 활용함으로써, 일반적으로 전자기파를 사용하는 고주파 가열 방식이 침투하지 못하는 컷오프 밀도(전자기파가 플라즈마에 입사할 때 더 이상 투과하지 못하고 반사되는 임계 전자 밀도) 를 넘어서 중심부 전자까지 가열할 수 있게 한다. 외부에서 직접 EBW를 주입할 수 없기에, 자기장에 수직 입사하고 전기장이 자기장에 수직인 X-mode의 전자기파를 플라즈마에 입사시킨 후 전자 사이클로트론 주파수와 플라즈마 주파수가 결합된 주파수에서 나타나는 Upper Hybrid Resonance (UHR)층을 통해 모드 변환 과정을 거쳐 EBW로 전환한다. 이 EBW는 컷오프 밀도의 영향을 받지 않기 때문에 플라즈마 내부로 깊이 침투할 수 있으며, 전자와 강하게 상호작용해 전자 사이클로트론 공명 조건 (ω=n⋅ωce)을 만족하는 영역에 도달하면 공명을 일으키며 효과적으로 에너지를 전달한다. 전자는 입사한 파동의 에너지를 흡수하며 가열되고, 플라즈마 전체의 온도를 상승시킨다.

Ohmic Heating(저항 가열)도 Tokamak에서 플라즈마를 가열하기 위한 보조 가열 방식으로, 일반적인 전열 현상인 줄열과 유사한 원리를 가진다. 줄열은 도체 내부에 전류가 흐를 때, 전류를 운반하는 자유 전자들이 이온 등과 충돌하면서 운동 에너지를 잃고, 이 에너지가 이온들에게 전해지면서 이온이 열을 방출하는 현상이다. Tokamak에서는 이러한 전류를 플라즈마에 직접 흘리지 않고, 페러데이 전자기 유도 법칙을 이용해 플라즈마 내부에 전류를 유도한다. Tokamak 중심의 큰 솔레노이드 코일에 시간에 따라 변화하는 전류를 흘리면, 주변의 자기장 또한 시간에 따라 변하게 되고, 이로 인해 도넛 형태의 플라즈마 고리 내부에는 전기장이 유도된다. 이 전기장은 플라즈마 내 자유 전자들에게 힘을 가해 전류를 흐르게 만든다. 이러한 전류는 열로 전환될 수 있다. 줄의 법칙([eqn: Q=I ^{2} Rt])에 의하면 열량은 전류의 세기의 제곱에 비례하고 전기 저항과도 비례한다. 페러데이 법칙으로 주입한 유도전류와 플라즈마 내부의 전기 저항이 열을 발생하면서 Tokamak의 온도를 상승시키고, 플라즈마의 가열을 도와준다.

플라즈마 상태에서는 전자기력의 영향이 지배적으로 작용하며, 외부 자기장이나 전기장에 민감하게 반응하는 성질을 가진다. 핵융합 반응을 유도하기 위해서는 이러한 플라즈마를 매우 높은 온도와 밀도로 유지해야 한다. 플라즈마의 온도는 입자들의 평균 운동 에너지로, 핵융합을 일으키기 위해서는 최소 1억K 이상의 온도가 필요하다. 이 온도를 넘으면 반응 입자들이 쿨롱 장벽을 극복하고 충분히 가까워져 핵융합이 일어난다. 플라즈마의 온도가 올라갈수록 핵융합이 일어날 확률이 올라간다. 플라즈마 밀도 또한 핵융합의 발생 확률과 밀접한 관계가 있다. 밀도는 얼마나 많은 입자들이 서로 충돌할 수 있는지를 좌우하기에 높은 밀도는 반응의 빈도를 증가시켜 전체 에너지 생산량을 증대시킬 수 있다. 이러한 조건들을 만족시키기 위해 다양한 보조가열 방식이 핵융합에 적용되고 있으며, 각 방식은 플라즈마의 상태에 따라 단계적으로 적용되어 핵융합로의 성능을 극대화할 수 있다. 먼저, Ohmic Heating은 플라즈마 내부에 전류를 유도하여 전기저항에 의한 내부 마찰로 열을 발생시키는 방식으로, 플라즈마 형성 초기 단계에서 열 균형을 잡아주며 이후의 가열 방식들이 작동할 수 있는 기반을 제공한다. 이러한 초기 에너지 공급은 플라즈마의 성질을 보다 안정화시켜, 다음 단계의 에너지 전달이 효율적으로 이루어질 수 있도록 한다. 이후 도입되는 ECRH는 특정 마이크로파 주파수를 활용해 전자와의 공명 조건을 유도함으로써 에너지를 전달하며, 이는 경계 불안정성을 제어하거나 플라즈마의 특정 구간에 에너지를 집중시키는 데 효과적이다. 그 결과, 전체 플라즈마의 공간적 안정성과 열분포가 향상되어 에너지 손실을 줄이는 데 기여한다. 그러나 ECRH는 밀도가 일정 수준을 넘으면 중심까지 도달하지 못하는 한계를 갖기 때문에, EBW heating이 도입한다. EBW는 일반 전자기파와 달리 고밀도 영역까지 전파가 가능하여, 마이크로파가 플라즈마 경계에서 모드 변환 과정을 통해 Bernstein wave로 전환된 후 중심부까지 도달해 효과적인 전자 가열을 실현을 가능하게 한다. 이는 밀도 증가에도 불구하고 중심부 에너지 공급을 가능하게 해주는 요소가 된다. 다음 단계에서 사용되는 NBI는 높은 에너지를 가진 중성 입자를 플라즈마에 직접 주입하여, 이온 및 전자와의 충돌을 통해 전체적인 에너지 분포를 고르게 하고, 플라즈마 내부의 회전 유도와 관련된 자기 유체 불안정을 제어하는 데도 기여한다. 이 과정은 플라즈마 내부 구조를 정렬시키고 보다 긴 시간 동안 상태를 유지하도록 유도하는 역할을 한다. 마지막으로, ICRH는 이온과의 공명 조건을 활용하여 특정 이온 집단을 직접 가열하며, 그로 인해 형성된 고에너지 이온은 핵융합 반응의 반응 단면적을 넓히는 간접적인 촉매 역할을 하게 된다. 이러한 보조가열 방식들을 상호보완적으로 조율해 적용하면 플라즈마 밀도와 온도를 오래 유지하고 핵융합로의 전체 효율을 극대화할 수 있을 것이다.

로슨조건, 핵융합 반응에서 연료가 순에너지를 방출하기 위해 필요한 플라즈마의 조건을 나타낸다. 이 조건은 다음의 3가지 주요 물리량의 곱으로 구성된다.여기서 n은 플라즈마 입자 밀도이고 T는 플라즈마의 온도,는 에너지 가둠 시간이다. 핵융합 반응이 순 에너지를 방출하기 위해서는 다음 부등식을 만족해야한다. 여기서  K는 볼츠만 상수, ⟨σv⟩는 반응 단면적과 상대 속도의 평균값, Q는 단위 핵융합 반응에서 방출되는 에너지이다. 이 식은 "플라즈마 입자 하나가 생성하는 에너지가 그 입자가 가두어지는 시간 동안의 손실보다 커야 한다"는 물리학적 원리를 표현한다. 특히 ⟨σv⟩값은 온도에 따라 급격히 변화하며, 반응 종류마다 최적의 온도가 존재한다. 각 변수는 핵융합 성능에 다양한 영향을 미친다. 먼저 온도 T는 핵융합 반응이 일어날 확률을 결정하는 핵심 요소다. 온도가 높아질수록 입자들의 운동 에너지가 증가하여 쿨롱 장벽을 극복하거나 양자 터널링을 통해 가까이 접근할 확률이 높아진다. 그러나 온도를 무한정 올릴 수는 없다. 일정 이상에서는 플라즈마의 복사 손실이 급증하여 오히려 에너지 손실이 커지는 문제가 발생한다. 따라서 반응 종류별로 가장 효율적인 온도 범위가 존재한다. 예를 들어, 중수소-삼중수소(D-T) 반응의 경우 최적 온도는 약 1520KeV수준이다.에너지 가둠 시간(τE)은 플라즈마가 얼마나 오래 에너지를 유지할 수 있는지를 나타내는 지표다. 자기밀폐형 장치에서는 이 값이 자기장 구조, 플라즈마 안정성, 장치의 크기 등에 따라 결정되며, 가둠 시간을 늘리는 것은 전체 장치 설계와 직결된 중요한 과제다. τE가 충분히 길어야만, 핵융합 반응에서 발생한 에너지가 플라즈마를 다시 가열하는 데 재활용되어 추가적인 반응을 유도할 수 있다. 입자 밀도 n는 충돌 가능한 입자의 수를 결정하기 때문에, 핵융합 반응률에 선형적으로 기여한다. 밀도가 두 배가 되면 같은 시간 동안 발생하는 반응 수 역시 두 배가 된다. 하지만 밀도를 높일수록 방사선 손실이나 플라즈마 불안정성 문제도 커질 수 있기 때문에, 기술적으로 적절한 수준에서 균형을 맞추는 것이 중요하다. 로슨 조건은 반응 종류에 따라 달라지며, 특히 반응당 방출 에너지 Q와 반응 단면적 <σv>의 조합에 따라 임계값이 결정된다. 예를 들어, D-T 반응은 𝑄=17.6 MeV, 최적 온도는 10~20keV이고, 요구되는 nτE 임계값은 약 1x1020s (입자 밀도와 시간의 곱 단위)m-3수준이다. 반면, D-D 반응은 요구되는 임계값이 이보다 수십 배 높기 때문에 현실적으로는 D-T 반응이 가장 유망한 실용적 핵융합 반응으로 여겨진다. 이러한 물리적 배경을 바탕으로 로슨 조건은 핵융합 장치의 성능을 평가하는 중요한 기준으로 사용된다. 특히 nTτ를 "삼중곱(Triple product)"이라고 부르며, 이 값이 높을수록 핵융합 반응로의 성능이 뛰어나다는 것을 의미한다

Ⅲ		결론 및 제언

핵융합은 인류가 직면한 에너지 위기를 해결할 수 있는 궁극적인 청정 에너지원으로, 이를 실현하기 위한 과학적·기술적 탐구가 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 본 보고서에서는 핵융합의 기본적인 작동 원리를 탐구했으며 고전역학적으로 불가능해 보이는 반응이 양자 터널링 효과에 의해 실현 가능한 이유를 양자역학의 관점에서 고찰하였다. 고온 플라즈마 내에서 입자들은 평균적으로 쿨롱 장벽을 넘기 어려운 에너지를 지니지만, 파동함수의 지수 감쇠 특성과 확률적 침투(ψ(x) = ψ(0)·e^(-κx))로 인해 일정 확률로 핵반응이 발생한다는 점은, 양자역학이 핵융합 이해에 필수적인 틀임을 보여준다.

이와 더불어 핵융합 반응을 인공적으로 지속시키기 위해 필요한 플라즈마의 고온·고밀도 상태를 유지하는 기술로서 자기장에 의한 자기가둠 방식과, 극단적인 압축을 통한 관성가둠 방식을 비교·분석하였다. 자기가둠 방식에서는 Tokamak과 Stellarator 같은 장치가 활용되며, 특히 초전도 자석과 고온 초전도체의 플럭스 핀닝 기술, 불안정성 억제 기법 등이 플라즈마의 안정적인 유지에 기여하고 있다. 관성가둠 방식은 고출력 레이저를 연료 펠릿에 순간적으로 조사하여 점화를 유도하며, Rayleigh-Taylor와 같은 유체 불안정성을 제어하는 정밀 기술이 핵심으로 작용한다.

아울러 본 보고서는 다양한 보조 가열 방식들의 원리와 역할을 체계적으로 정리하였다. Ohmic Heating은 초기 전류 유도에 의한 플라즈마 점화에 기여하며, ECRH와 ICRH는 전자 및 이온에 각각 공명 가열을 유도하여 플라즈마의 온도 향상에 핵심적인 역할을 수행한다. NBI는 고에너지 중성입자 주입을 통해 중심까지 효과적인 에너지 전달과 동시에 입자 밀도 증가 및 회전 유도 효과를 제공하며, EBW는 컷오프 밀도 이상에서도 전자 사이클로트론 공명 조건을 만족시켜 고밀도 플라즈마 내부까지 가열이 가능하게 한다.

이러한 기술들의 궁극적 목표는 로슨 조건, 즉 입자 밀도(n), 온도(T), 에너지 가둠 시간(τₑ)의 삼중곱(nTτₑ)을 일정 임계값 이상으로 유지하는 것이다.

각각의 보조가열 기술은 이 세 요소 중 하나 이상에 기여하며, 상호보완적으로 적용될 때 핵융합 장치의 효율과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있다. 따라서 향후 핵융합 상용화를 위한 연구에서는 단일 기술의 발전뿐만 아니라, 각 가열 방식 간의 최적 조합과 조율, 그리고 불안정성 억제를 위한 정밀 제어 기술이 병행되어야 할 것이다. 이러한 종합적 접근이 지속된다면, 인류는 핵융합이라는 ‘작은 태양’을 인공적으로 품을 날에 한 걸음 더 가까워질 수 있을 것이다.

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