서울대학교와 아시아태평양이론물리센터 공동 연구팀이 핵융합 실험과 우주 플라즈마 이론을 융합한 연구를 통해 플라즈마 내 다중 스케일 연계 현상을 실험적으로 입증했다. 플라즈마는 기체, 액체, 고체에 이은 제4의 물질 상태로 핵융합 반응의 매개체이자 우주 대부분을 차지하는 물질이다. 이 연구는 플라즈마의 미시적 자기 난류가 거시적 자기재연결을 유도해 플라즈마 구조의 큰 변화를 가져온다는 사실을 처음으로 밝혀냈다.

서울대 박종윤 박사 연구팀은 서울대에 구축된 핵융합 실험 장치를 활용해 두 개의 플럭스 로프에 고속 전자빔을 주입, 미시 자기 난류를 발생시켰다. 이를 통해 자기재연결이 유도되고, 두 플럭스 로프가 병합되는 현상을 관측했다. 이 과정에서 플라즈마의 자기 유체 평형이 급격히 변하며 X선 방출, 이온 온도 상승, 전류 밀도 재분포 등의 에너지 교환 현상이 함께 나타났다. 전산모사를 통해서도 같은 현상이 재현돼, 미시 스케일 난류가 거시적 플라즈마 변화를 유발함을 이론적으로 뒷받침했다.

이번 연구는 핵융합 장치 내 플라즈마 제어 기술뿐 아니라, 태양 플레어나 자기 폭풍 등 우주 환경에서 발생하는 플라즈마 현상 이해에도 기여할 것으로 기대된다. 연구를 주도한 서울대 박종윤 박사는 “핵융합과 우주 플라즈마 두 분야 전문가들이 융합 연구를 통해 난제였던 자기재연결 개시 현상을 새롭게 이해하는 단서를 제공했다”고 말했다.

연구는 과학기술정보통신부의 지원 아래 진행됐으며, 연구 결과는 세계적 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다. 이번 성과는 순수 국내 연구진이 실험과 이론을 융합해 이뤄낸 대표적 융합 연구 사례로 평가받는다.