세차운동하는 블랙홀을 설명하기 위한 상상도. 천문연 제공

국내 연구진이 포함된 국제 공동연구팀이 지금까지 가설로만 추측되던 블랙홀의 회전을 블랙홀에서 방출되는 제트의 회전을 통해 증명하는 데 성공했다.

한국천문연구원(천문연)은 손봉원 전파천문본부 책임연구원, 노현욱 전파천문본부 박사후연구원 등이 참여한 국제 공동연구팀이 초대질량블랙홀 M87에서 나오는 제트의 방출 방향이 주기를 가지고 회전하고 있음을 발견, 국제 학술지 ‘네이처’에 27일(현지시간) 발표했다고 밝혔다. 이번 국제 공동연구팀에는 한국을 비롯해 전 세계 45개 기관의 79명 연구원이 참여했다.

제트는 블랙홀이 주변의 강력한 자기장, 부착원반과 상호 작용하며 방출되는 것으로 추측되는 기체·액체의 빠른 흐름을 말한다. 물질이 노즐 같은 구조를 통과해 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 방출되며 생성된다.

M87과 같은 초대질량블랙홀의 제트 방출 매커니즘은 현대 천체물리학의 주요 난제 중 하나다. 현재 주류이론은 블랙홀이 빠르게 회전할 때 에너지가 발생하며 그 에너지의 일부분이 제트로 방출된다는 주장이다. 그러나 이 이론을 뒷받침하는 데 중요한 ‘블랙홀의 회전’은 지금까지 직접 관측된 적 없었다.

연구팀은 2000년부터 2022년까지 23년 간 동아시아우주전파관측망(EAVN), 초장기선 어레이(VLBA), 한일공동 우주전파관측망(KaVA), 동아시아-이탈리아 우주전파관측망(EATING) 등에서 얻은 M87 블랙홀의 초장기선 전파간섭계(VLBI) 데이터를 분석했다. 관측 과정엔 세종시에 위치한 22m 전파망원경도 일부 동참했다.

한국천문연의 한일공동상관센터는 연구에 사용된 총 170회 관측 데이터 중 123개 데이터를 상관처리했다. 각 나라의 전파망원경에서 관측한 전파 자료를 한곳으로 모아 하나의 자료로 합성하는 과정으로, 이 단계를 거쳐야 연구에 사용할 최종 영상 데이터를 얻을 수 있다.

연구팀이 슈퍼컴퓨터를 활용해 분석 결과를 시뮬레이션했더니 블랙홀의 회전축이 부착원반의 회전축과 나란하지 않아 제트의 세차운동이 발생하고 있음을 밝혀냈다. 세차운동이란 회전하는 천체의 회전축이 원을 그리며 움직이는 현상이다. 이는 M87 블랙홀이 이론에서 추측한대로 회전하고 있음을 증명한다. 연구팀은 이어 세차운동이 11년을 주기로 발생한다는 사실을 알아냈다.

이번 공동 연구의 한국 측 책임자인 노 박사후연구원은 “우리가 주도적으로 운영하는 전파관측망과 상관처리센터에 힘입어 한 천체에 대해 오랜시간 지속적으로 관측할 수 있었으며, 이것이 우리 연구의 가장 큰 장점”이라며 “앞으로 EAVN 주도로 계속될 M87 모니터링에서 기존에 발견하지 못했던 블랙홀의 새로운 현상들이 발견되기를 기대한다”고 밝혔다.

관측에 참여한 동아시아우주전파관측망의 전파망원경. 천문연 제공

2030년 초 첫 핵융합에너지 생산을 목표로 하고 있는 마블퓨전의 레이저 실험 현장. 마블퓨전 제공

“10년 내 전세계는 핵융합에너지 발전소에서 첫 전력을 생산하는 장면을 볼 수 있을 겁니다.”
독일 바이에른주 뮌헨에 위치한 핵융합에너지 스타트업 ‘프록시마퓨전’의 프란체스코 시오르티노 최고경영자(CEO)와 또다른 스타트업 ‘마블퓨전’의 하이케 프로인트 최고운영책임자(COO)의 말이다. 핵융합에너지 산업에 뛰어든 30대 젊은 스타트업 창업자인 두 사람을 독일 뮌헨 현지에서 만났다. 이들은 모두 핵융합에너지 상용에 대한 확신을 갖고 있었다.

● 프록시마퓨전, 핵심 난제 해결…”2031년 첫 핵융합에너지 생산”

프록시마퓨전이 위치한 뮌헨의 한 스타트업 허브. 벽면에 적힌 문구는 ‘다양성’. 뮌헨=박건희 기자

지난 9월 19일 오후 독일 뮌헨 동역 근처에 위치한 자유로운 분위기의 스타트업 허브에서 만난 프란체스코 시오르티노 CEO는 “회의가 많아 점심을 못 먹었다”며 바쁜 걸음으로 다가왔다.

그가 뜻 맞는 동료들과 힘을 모아 창업한 스타트업 프록시마퓨전은 막스플랑크 플라즈마물리연구소(MPIPP)의 스핀오프(spin-off) 기업이다. 2023년 5월에 문을 열었으니 아직 4개월도 안 된 신생 스타트업이다.

MPIPP에서 핵융합로 방식 중 하나인 토카막과 토카막의 단점을 극복하기 위해 제시되고 있는 방식인 스텔라레이터의 최적화 방안을 위한 연구에 참여하는 연구원이었던 시오르티노 CEO가 핵융합 에너지의 상업화를 위해 뛰어들기로 결심한 건 2020년 초다. 그는 “MPIPP의 두 번째 지부인 그라이프스발트에서 온 연구원들을 만나면서 마음을 바꿨다”고 말했다. 스텔라레이터가 갖고 있는 복잡한 설계 문제, 그럼에도 불구하고 높은 실현 가능성에 대해 얘기하고 배우면서 상용화를 향한 아이디어를 하나 둘 씩 세우기 시작했다는 것이다.

프록시마퓨전 본사에서 만난 시오르티노 CEO. 뮌헨=박건희 기자

그는 “2022년 12월 MPIPP에서 QI(quasi-isodynamic·준 등역학적) 스텔라레이터에 대한 아이디어가 고안되면서 확신이 생겼다”고 설명했다. QI 스텔라레이터는 플라즈마 내부에서 흐르는 전류를 최대로 높여 에너지를 생산하는 토카막과는 완전히 반대의 개념이다. QI 스텔라레이터의 플라즈마에는 전류가 흐르지 않으며 고온초전도체자석(HTS)으로 만든 자기 코일이 자기장을 만들어낸다. 토카막의 난제 중 하나인 플라즈마 흐름에서의 난류 문제가 QI 스텔라레이터에는 발생하지 않는다.

다만 스텔라레이터에는 배배 꼬인 모양의 자기코일을 설계하고 제작하는 데 고난도의 기술을 요구한다는 치명적인 단점이 있었다. 프록시마퓨전팀은 이 문제를 해결했다. 시오르티노 CEO는 “설계가 어렵다는 것이 스텔라레이터의 유일한 단점인데, 자기 코일의 설계는 이미 완성했다”며 “코일 모양을 더 단순하게 만들기 위한 작업이 진행 중인 단계다”라고 덧붙였다.

핵융합 에너지 발전소 컨셉트의 완성 목표 시기는 약 4년 뒤인 2027년이다. 그는 “2031년엔 독일에서 첫 핵융합으로 생산한 에너지를 만들어낼 수 있을 것으로 본다”며 “프록시마퓨전이 가장 빠르게 시장에 내놓을 수 있을 것”이라고 자신있게 말했다.

● 마블퓨전, 노벨물리학상이 증명한 레이저물리의 가능성… 상용화 가능성 가장 높아

마블퓨전이 위치한 뮌헨 시내의 한 건물 내부. 뮌헨=박건희 기자

독일 뮌헨에 자리잡은 또 다른 핵융합에너지 스타트업 ‘마블퓨전’의 분위기는 프록시마퓨전과는 조금 다르다. 독일 최대의 축제 ‘옥토버페스트’가 열리는 시내 중심가의 한 신식 빌딩에 입주해 있다.

이곳에서 만난 하이케 프로인트 COO는 “레이저를 사용한 핵융합로의 힘을 믿는다”는 말로 이야기를 시작했다. 마블퓨전은 전세계 핵융합에너지 회사 중에서도 극소수에 속하는 레이저 핵융합로를 설계한다. 프로인트 COO의 설명에 따르면 전세계 약 40여개 정도 되는 핵융합에너지 기업 중 레이저 방식을 내세운 기업은 단 5개 뿐이다.

마블퓨전의 레이저 핵융합로 설계 계획을 설명하는 하이케 프로인트 COO. 뮌헨=박건희 기자

“토카막, 스텔러레이터, 레이저 중 가장 상용화 가능성이 높은 건 레이저라고 본다”고 프로인트 COO는 말했다. 레이저 방식의 핵융합로는 초고에너지를 가진 레이저를 펠릿(중수소와 삼중수소로 이뤄진 연료)에 직접 쏴 밀도와 온도를 순식간에 높여 핵융합반응이 일어나도록 하는 것이다.

그는 레이저 핵융합로의 상용화 가능성이 타 핵융합로에 비해 높은 이유로 ‘이미 이론적으로 확립되고 산업적으로도 상용화된 레이저 기술’을 꼽는다. 고온초전도자석(HTS) 등의 개발과 생산이 한정되어 있는 것에 비해 레이저는 전 세계 여러 산업체에서 공급받을 수 있을 정도로 이미 상용화되어 있어 원자재 확보에서부터 속도 차이가 난다는 것이다.

또 그는 “레이저물리 기술은 이미 노벨상으로도 그 가능성이 입증됐다”고 말했다. 레이저 핵융합로는 초강력 레이저를 지속적으로 펠릿에 쏴 줘야 하는데, 그에 적합한 기술이 이미 개발됐다. 극초단 펄스 레이저를 고출력으로 증폭시킬 수 있는 증폭기술(CPA)을 개발한 제라드 무루 프랑스 에콜폴리테크니크 교수는 2018년 노벨물리학상을 받았다. 무루 교수는 현재 마블퓨전의 연구위원 중 한 명이기도 하다.

프로인트 COO는 “2022년 12월과 2023년 8월 연이어 자기점화에 성공한 미국 국립 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 사례를 통해 핵융합 산업계가 레이저 핵융합의 높은 가능성을 알게 됐을 것”이라고 덧붙였다.

마블퓨전의 핵융합에너지 발전소 설립 계획도 프록시마퓨전과 마찬가지로 2030년 초다. 늦어도 2031년에서 2033년 사이 레이저 핵융합로의 프로토타입을 내놓고, 2035년엔 상업용 핵융합 발전소를 건축한다는 계획이다. 실제 발전이 이뤄질 경우 킬로와트(KW) 당 5~10센트 정도의 가격으로 전력을 공급할 수 있을 것으로 예상한다.

● 핵융합 에너지 도입, 지구 시각에선 ‘한참 늦었다’

두 핵융합 에너지 스타트업 창업자는 기후위기에 대응하기 위해 서둘러 핵융합 발전을 도입해야한다고 강조했다. 게티이미지뱅크 제공

선택한 방식은 다르지만 프록시마퓨전과 마블퓨전의 목표는 같다. 되도록 빠른 시일 내에 핵융합에너지 공급에 성공해 기후위기에 대응해야 한다는 것이다. 핵융합에너지는 방사능과 같은 위험 물질의 배출 위험이 원자력 발전에 비해 매우 적은 데다 발전 과정에서 이산화탄소를 발생시키지 않아 친환경적인 미래 에너지원으로 꼽힌다.

‘2030년대면 이제 10년 안팎 남은 셈인데 이처럼 빠른 개발이 실제 가능하겠나’라는 질문에 시오르티노 CEO는 “충분한 펀딩 등의 개발비 문제, 대중적 인식, 정부의 지원 문제 등이 모두 얽혀 있어 복합적으로 해결해야할 일이 많다”고 대답했다. 그러나 “지구의 시각에서 2030년대 핵융합에너지 도입은 이미 늦은 것”이라고 강조했다.

프로인트 COO는 핵융합산업협회(FIA)의 설문조사 결과를 보여주며 “핵융합산업에 종사하는 기업 30여 개를 대상으로 언제 첫 핵융합에너지 시설을 구축할 수 있을 것으로 보냐고 묻자 3분의 1이 넘는 기업이 모두 2030년 초라고 응답했다”고 말했다. 그중에서는 2030년 이전에 상용화에 성공할 수 있을 것이라고 대답한 기업도 있었다. 프로인트 COO는 “2030년 초에 첫 핵융합 에너지를 생산한다는 건 전혀 비현실적인 구상이 아니다”라고 말했다.

시오르티노 CEO는 “물론 어려운 일”이라며 “하지만 내게 핵융합 에너지 발전이 실현되겠냐고 묻는다면 내 대답은 언제나 ‘가능하다’이다”라고 확신에 찬 어조로 말했다.

소비자는 챗GPT가 제공하는 정보를 신뢰하며 더 많은 선택지를 제공해주길 기대한다 . 연합뉴스 제공

‘여행은 어디로 가는 게 좋을까?’라고 생성형 인공지능(AI) 챗GPT에게 물을 때, 소비자는 챗GPT가 적어도 60~70개 정도는 추천해주길 기대하며, 해당 정보를 신뢰한다는 연구 결과가 나왔다.

김창주 일본 리츠메이칸대 경영대 교수 연구팀은 선택 과부하(choice overload) 현상이 챗GPT 사용자의 의사결정 과정에 어떤 영향을 미치는지 총 5회에 걸쳐 실험한 결과를 지난 7월 13일 온라인 공개했다. 연구 논문은 국제학술지 ‘리테일과 소비자서비스’에 11월 발표될 예정이다.

선택 과부하 현상은 의사결정 상황에서 너무 많은 선택지가 주어질 때, 선택지의 수에 압도되는 현상을 말한다. 기존 선택과부하 이론에 따르면 소비자에게 평균 24~30개 선택지가 주어질 때 선택 과부하 현상이 나타난다.

선택 과부화에 처한 소비자는 좀처럼 결정을 내리지 못하게 되는데, 이는 수많은 선택지 중 잘못된 선택을 할 수도 있다는 두려움 때문인 경우가 많다. 또 최종적으로 내린 결정에 대한 만족도도 떨어질 수 있기 때문에 너무 많은 선택지는 소비 과정에서 대부분 역효과를 일으킨다고 알려져 있다.

김 교수 연구팀은 챗GPT가 소비자에게 여러가지 선택지를 제공할 때도 소비자가 비슷한 선택 과부하 현상을 경험하는지 실험했다. 김 교수는 “지금까지 챗GPT가 소비자 의사 결정에 어떤 영향을 미치는지는 알려진 바가 없다”며 “챗GPT가 제공한 선택지에 대한 소비자 반응을 분석해봤다”고 연구의 취지를 설명했다.

연구팀은 2023년 2월에서 3월 사이 진행한 5개 실험을 통해 소비자 반응을 분석했다. 첫 2개 연구에선 실험 참가자들이 챗 GPT로부터 노래 추천을 받게끔 하고, 추천받은 노래에 대한 만족도, 정확도, 구매 의사를 평가하게 했다. 나머지 3개 연구에선 참가자들이 일본 교토 여행을 한다고 가정, 교토에서 방문해야 할 장소를 추천받았다. 참가자들은 챗 GPT의 추천에 대한 만족도, 정확도, 방문 의사를 평가했다.

그 결과 참가자들은 챗GPT가 적어도 60~70개의 선택지를 제안하는 것을 선호했다. 또 챗GPT가 제안하는 선택지가 많으면 많을수록 만족도가 높았다. 기존 선택 과부하 현상이 그 절반인 24~30개에서 발생하는 것과 비교하면 훨씬 많은 선택지다. 특히 실제 상담원이나 온라인 여행사보다 챗GPT가 더 많은 선택지를 제공해주길 기대하는 것으로 나타났다.

연구팀은 이러한 현상이 나타난 이유에 대해 “챗GPT가 제공하는 정보가 정확하다는 인식 때문”이라고 설명했다. 자신의 선택이 틀릴 수도 있다는 두려움을 낮춰준다는 것이다.

연구를 이끈 김 교수는 “챗GPT는 소비자의 수요나 선호도에 맞춰 상품, 서비스, 장소, 사람 등 다양한 솔루션을 제공해 줄 수 있다”며 “AI의 추천 생성 과정을 잘 이해해 적용할 필요가 있음을 보여준다”고 설명했다.

오픈AI 로고. photo 뉴시스/AP통신

생성형 인공지능(AI) 챗GPT가 말하고 보고 들을 수도 있게 됐다. 전문가들은 나날이 발전하는 AI 기술이 사용자에게 어떻게 작용할지 모른다고 경고했다.

오픈AI는 25일(현지시간) 챗GPT의 새로운 음성 및 이미지 기능을 출시한다고 밝혔다.

새로운 기능인 ‘듣고 말하는 기능’을 통해 챗GPT는 이용자와 음성을 통해 질문과 답변을 주고받을 수 있게 된다. 현재까지는 프롬프트를 통해 대화해왔다.음성으로 질문을 하면 챗GPT가 이를 텍스트로 변환해 대규모 언어 모델(LLM)에 전달하고, 답변을 받아 다시 음성으로 변환해 말하는 구조다.

또 5가지 형태로 제공되는 챗GPT 음성 중 하나를 선택할 수 있다. 오픈AI는 또 세계 최대 음원 스트리밍 서비스인 스포티파이와 협력해 목소리를 유지하면서 다른 언어로 번역이 가능하게 하는 방안도 검토하고 있다고 설명했다.

해당 기능은 애플 iOS 및 구글 안드로이드로 제공된다. 해당 기능은 앞으로 2주 안에 챗GPT 유료 구독자에게 먼저 제공하고 이후 모든 사람도 이용할 수 있도록 배포할 예정이다.

아울러 챗GPT는 이미지를 보고 ‘답하는’ 기능도 탑재된다. 이용자가 사진을 찍거나 이미지를 올린 후 관련 질문을 하면 챗GPT가 답을 해주는 형태다. 이 기능은 향후 몇 주내 유료 구독자와 기업 이용자들에게 제공된다.

오픈AI는 “우리 목표는 안전하고 유익한 AGI(범용인공지능)를 구축하는 것”이라며 “새로운 도구를 점진적으로 제공하는 것이 기능을 개선하고 위험을 완화함으로써 모든 사람이 미래에 더 강력한 시스템을 사용할 수 있도록 준비할 수 있다고 믿는다”고 설명했다.

다만 일부 전문가는 AI의 발전이 사회에 어떤 작용을 초래할지 모른다고 우려한다. 전문가들은 챗GPT가 이번에 공개한 음성 합성 기술 등이 딥페이크 등 사이버 범죄에 악용될 수 있다고 우려하고 있다. 워싱턴포스트(WP)에 따르면 전문가들은 사용자들과 새로운 AI 기술과의 상호 작용은 갈수록 발전하겠지만 사회에 어떤 영향을 미칠지는 아직 알 수 없다고 지적했다.

특히 AI 연구자들은 챗GPT의 답변이 인간과 유사해 보인다는 점에서 사용자들이 챗봇을 의인화할 가능성이 높다는 점도 경고했다.

일부 확인이 안된 정보도 사용자가 쉽게 받아들이게 되면서 AI 기능에 대한 잘못된 신뢰를 심어줄 수 있다는 주장이다. 현재 대부분의 AI기능들이 방대한 정보를 모아 구성하고 이를 실제인 것처럼 전달하는 과정을 전문가들은 위험한 ‘환각’이라고 부른다는 것이다.

이와 관련 오픈AI 정책 연구원 산디니 아가왈은 WP와의 인터뷰에서 “지속적인 실험과 안전 가드레일을 설정해 정신 건강 등 민감한 주제와 관련된 질문을 하면 전문가와 상담하도록 제안하는 등 주제에 적절하게 응답하는지 확인했다”고 밝혔다.

※주간조선 온라인 기사입니다.

한국형 달 궤도선(KPLO) ‘다누리’가 9월 15일 촬영한 지구 전면 사진. 과학기술정보통신부 제공

과학기술정보통신부와 한국항공우주연구원은 밝은 보름달이 뜨는 민족 명절 추석을 맞이해 한국의 달 궤도선 ‘다누리’가 달에서 촬영한 사진을 26일 공개했다.

먼저 다누리가 15일 달 임무궤도 상에서 지구를 향해 촬영한 지구 전면 사진이 공개됐다. 당시 달과 지구가 서로 바라보고 있어 달에서 지구의 전면을 촬영할 수 있었다. 호주대륙이 영상의 중앙부에서 관측되며 한반도는 당일 짙은 구름으로 가려져 있다.

다누리가 3월 30일 촬영한 아폴로 17호 착륙지. 과학기술정보통신부 제공

다누리가 상공 100km 임무궤도에서 고해상도카메라로 아폴로 17호와 11호의 착륙지를 촬영한 이미지도 있다. 각각 올해 3월 30일과 5월 10일 촬영했다. 아폴로 11호는 인류가 처음으로 달에 착륙한 유인 우주선이며 아폴로 17호는 달에 착륙한 마지막 유인 우주선이다.

아폴로 17호 착륙지를 촬영한 사진은 태양이 사진 오른쪽의 높은 고도에 위치하고 있어 약간의 충돌분화구 음영이 보인다. 달 착륙선 착륙시 엔진 분사로 밝게 관측되는 월면 표토의 특징도 나타났다.

다누리가 5월 10일 촬영한 아폴로 11호 착륙지. 과학기술정보통신부 제공

아폴로 11호의 착륙지를 포착한 사진은 달의 자전으로 착륙지의 낮과 밤이 바뀌는 시각에 촬영됐다. 사진 왼쪽에 위치한 태양은 지평선에 가까운 매우 낮은 고도에 위치해 있다. 이 때문에 충돌분화구 내부 대부분에서 음영지역 발생한 모습이다. 아폴로 11호 선체가 음영속에서 밝게 보이며 동시에 매우 긴 그림자를 확인할 수 있다.

다누리는 고해상도카메라를 사용해 착륙선 주변에 설치된 레이저반사경 (LRRR)에 의한 매우 밝은 반사광을 촬영했다. 과기정통부는 이 사진에 담긴 밝은 점이 고해상도카메라 분해능의 한계로 LRRR 주변에 설치된 수동지진실험계(PSEP)로부터 기인한 것일 수 있다고 덧붙였다.

항우연은 다누리 홈페이지(www.kari.re.kr/kplo)를 통해 다누리가 관측한 자료를 지속적으로 공개하고 있다. 이번 추석부터는 모바일 환경에서도 달 궤도를 돌고 있는 다누리의 실시간 위치를 확인할 수 있도록 서비스를 개선하기도 했다.

한편 과기정통부는 인스타그램 계정을 통해 25~30일 ‘보름달 찍기 챌린지’ 이벤트를 진행한다. 추석 명절에도 달을 공전하며 성실하게 임무를 수행하고 있을 다누리를 응원한다는 취지다. 다누리 이미지가 담긴 증강현실(AR) 필터로 보름달 사진을 촬영한 참가자 중 추첨을 통해 소정의 경품도 증정한다.

독일 바이에른주 가르힝에 위치한 막스플랑크 플라스마물리연구소(IPP)의 전경. 가르힝=박건희 기자

독일의 지성’이라고도 불리는 막스플랑크연구소는 독일 전역에 총 85개 주제별 연구소를 두고 있다. 그중 독일 남부 바이에른주 뮌헨 근처에 위치한 막스플랑크 플라즈마물리연구소(MPIPP)는 유럽 핵융합의 미래를 이끌고 있다고 해도 과언이 아니다. 세계 최대 스텔라레이터 핵융합기 ‘벤델슈타인-7X(W-7x)’가 이곳에서 탄생했다. 플라즈마물리연구소(IPP)가 개발한 ‘아스덱스-업그레이드(ASDEX-Upgrade)’는 프랑스 남부에 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER)와 ITER의 뒤를 이을 차세대 유럽 핵융합기 DEMO의 이론적 바탕이 됐다.

IPP 입구(왼쪽)와 초대 소장을 지낸 물리학자 베르너 하이젠베르크의 흉상. 가르힝=박건희 기자

MPIPP는 1960년에 문을 열었다. 양자역학의 기본 원리 중 하나인 ‘불확정성원리’를 세운 이론물리학자 베르너 하이젠베르크가 이곳 바이에른주 가르힝에 막스플랑크 물리연구소를 세우는 데 주축이 됐고 초대 소장을 지냈다. 이후 MPIPP에서는 1991년 토카막 형식의 핵융합 ‘ASDEX 업그레이드’가 첫 가동됐다. ASDEX 업그레이드의 목표는 토카막 내부에 가둬둔 플라즈마의 온도·압력 등 성질을 정확히 측정하고 이해하는 것이었다. 실험을 통해 얻은 수치는 세계 최대 규모의 프로젝트 ITER를 건설하는 발판이 됐다.

W-7X 건설 현장 당시. MPIPP 제공

● 토로이드 구조 단점 보완해 플라즈마 안정성 높인 ‘스텔라레이터’

1994년엔 스텔라레이터 형식의 핵융합기 ‘W-7X’를 실험하기 위한 MPIPP 두 번째 지부가 독일 북동쪽 끝자락에 위치한 도시 그라이프스발트에 세워졌다. W-7X는 높이 3.5m로, 2023년 기준 세계 최대 스텔라레이터(stellarator)다.

스텔라레이터는 핵융합에너지를 발생시키는 자기장 방식의 하나다. 1951년 라이만 스피처 미국 프린스턴대 교수가 처음 고안했다. 핵융합로 개발 초기 플라즈마 입자가 바깥으로 새어나가지 않게 하기 위한 여러가지 방법이 제시됐는데, 그중 하나가 플라즈마를 원통 용기 안에 가두고 원통 용기의 시작과 끝을 연결한 도넛 모양의 ‘토로이드(toroid)’ 구조였다.

토로이드 구조 주변에 강력한 자기장을 형성해 플라즈마가 도넛 모양 용기 내부에서 흐르도록 한 것이 토카막이다. 플라즈마를 가장 효과적으로 내부에 가둬둘 수 있기 때문에 ITER, 한국형초전도핵융합연구장치(KSTAR), 미국 매사추세츠공대(MIT)의 스파크(SPARC) 등이 채택한 방식이기도 하다.

그러나 토카막 방식엔 도넛 모양의 안쪽에 비해 바깥쪽 부분에 미치는 자기장의 영향력이 약하다는 한계가 있었다. 자기장이 약한 바깥쪽 부분으로 플라즈마 입자가 빠져나가면 플라즈마의 흐름이 불안정해진다.

스텔라레이터는 이와 같은 불안정성을 극복하기 위해 제안된 형태다. 자기장을 꽈배기처럼 살짝 꼬아주면 플라즈마 입자가 토로이드 구조의 바깥쪽과 안쪽을 오가면서 움직이기 때문에 도넛 모양에서의 비대칭적인 움직임을 보완할 수 있다는 것이다. W-7X는 모듈식으로 구성된 자기 코일 50개가 자기장과 플라즈마를 감싸는 ‘헬리아스’식 스텔라레이터다. 슈퍼컴퓨터를 이용해 모듈식으로 하나 하나 제작한 자기코일은 고장나거나 수명이 다한 코일만 단독으로 떼어내 수리할 수 있어 효율성을 높였다.

연구소 내에 전시돼 있는 개발 초기 스텔라레이터. 자기 코일이 통째로 이어져 있어 고장 시 수리가 어렵다(왼쪽).각각의 모듈화된 자기코일이 적용된 W-7X의 새로운 설계 방식(오른쪽). 가르힝=박건희 기자

연구소 내에 전시된 벤델슈타인 7-X의 축소 모형(왼쪽)과 자기 코일 모형(오른쪽). 가르힝=박건희 기자

● 핵융합에너지 상용화 필수 조건은 ‘내벽 재료’ 연구…한국 연구원 핵심 역할

스텔라레이터와 토카막 중 어떤 형식의 핵융합로를 선택할 것인가라는 질문의 핵심은 결국 플라즈마를 얼마나 오래, 효과적으로 가둬둘 수 있느냐다. 1억도의 플라즈마를 최대한 오래 유지할 수 있을 정도로 성능이 뛰어나야만 기기의 생산력과 수명을 담보하고, 실질적인 핵융합 발전까지 이를 수 있기 때문이다.

실험실에 비치된 다이버터 모형을 보여주며 연구 내용을 설명하는 볼프강 야콥 박사. 가르힝=박건희 기자

플라즈마 물리학자들은 핵융합로에서도 ‘다이버터(Divertor)’를 핵심 내부 구조물로 꼽는다. 다이버터는 연료에 섞인 반응생성물(헬륨)과 불순물을 운전 중에 연속적으로 제거해 핵융합 반응이 안정적으로 유지되도록 하는 역할이다. 중성자에 직접 노출돼 있어 초내열 성능이 필수적이다.

MPIPP에서 핵융합로의 내벽재료 표면과 플라즈마 경계면 사이의 물리적 상호작용을 연구하는 볼프강 야콥 박사는 “당구공을 떠올려 보라”고 말했다. 핵융합 반응에서 나온 중성입자가 토카막 내에서 이리저리 튀는 모습이 마치 당구대로 당구공을 탁 쳤을 때 사방팔방으로 튀듯이 흩어지는 공과 비슷하다는 의미다. 중성자가 내벽에 부딪히다가 내벽 사이에 생긴 아주 좁은 틈으로 스며들어가기라도 한다면 핵융합로에 심각한 손상을 입힌다. 야콥 박사는 “핵융합기기를 안정적으로 운영하기 위해선 내벽 재료에 대한 보완 연구가 필수”라고 설명했다.

유정하 MPIPP 책임연구원도 20년이 넘는 기간 동안 MPIPP에서 연구를 해 온 플라즈마 물리 분야에서 손에 꼽는 전문가다. 유럽 내 협력 기구인 유로퓨전(Eurofusion) 컨소시엄에서 다이버터의 설계와 개발 책임을 맡고 있는 그는 올해 국내·외 한인 석학으로 구성된 글로벌 R&D 혁신자문위의 민간위원으로 선정되기도 했다.

유 책임연구원은 연구소에서의 대부분의 시간을 ‘GLADIS’와 함께 보낸다. 가르힝=박건희 기자

유 책임연구원는 ‘글라디스(GLADIS)’라는 2메가와트(MW)의 고출력 중성자빔 장치가 설치된 실험실로 안내했다. 그가 “가장 고마운 장비”라고 부르는 GLADIS는 평방미터당 40MW에 이르는 높은 에너지 밀도의 수소원자를 다이버터 구조물 모형의 표면에 입사시키는 장치다. 이를 통해 실제 핵융합로와 가까운 열부하 조건에서 다이버터의 열적·기계적 성능을 시험하고 주재료인 텅스텐에서 일어나는 미세한 변화와 안정성을 관찰한다.

전자현미경을 통해 수소원자를 맞은 다이버터 모델의 단면을 관찰하면, 마치 골다공증에 걸린 뼈처럼 내부가 부식돼 있음을 확인할 수 있다. 유 책임연구원은 “GLADIS가 지난 20년간 유럽에서 진행된 다이버터 또는 핵융합로 1차 내벽의 시험 및 개발에서 중추적인 역할을 맡고 있으며 해외 연구기관들이 의뢰한 수탁 과제도 활발히 수행하고 있다”고 설명했다.

이어 유 책임연구원은 “현재 기술 수준은 플라즈마의 불안정성 문제와 상용화에 필요한 경제성을 충분히 충족하지 못하고 있기 때문에 지속적인 연구가 필요하다”고 덧붙였다.

실험실 곳곳 글라디스를 활용한 연구 결과가 게시돼 있다.전자현미경으로 관찰하 텅스텐의 단면(왼쪽)과 그 내부 형태(오른쪽). 가르힝=박건희 기자