핵융합 실험 장치인 VEST 토카막 플라즈마 내 불순물 함유 정도룰 측정할 수 있는 가시광 제동복사 측정 시스템을 개발하였다. 해당 시스템은 플라즈마 내 불순물 거동 및 핵융합 플라즈마 성능에 불순물이 끼치는 영향에 대한 이해를 증진시키는데 공헌할 수 있을 것으로 기대된다.

과학 전시회에서 플라즈마 볼이나 플라즈마 방전에서 나오는 푸른 빛 또는 붉은 빛을 본 적이 있을 것이다. 이러한 가시광선은 아름답고 신기할 뿐만 아니라, 핵융합 에너지 개발에 필요한 중요한 정보를 담고 있기도 하다.

핵융합 에너지 상용화를 위해서는 1억도 이상의 고온 플라즈마를 핵융합로 내에서 충분히 오랜 시간동안 안정적으로 가두어야 한다. 이를 구현하기 위해서는 고온 플라즈마와 핵융합로 내 내벽 간의 상호작용을 최소화해야 한다. 이는 이러한 상호작용이 불순물을 발생시키고, 이 불순물로 인하여 핵융합 연료가 희석되고 복사열에 의한 손실이 증가하여 플라즈마 성능이 저하되는 결과를 초래하기 때문이다. 그러나 플라즈마와 벽 간의 상호작용을 완전히 피할 수는 없기 때문에, 플라즈마 내 불순물 거동에 대한 이해를 바탕으로 효과적인 불순물 제어 기술이 핵융합로 개발에 있어 요구된다. 해당 기술 개발의 첫 단계는 핵융합 플라즈마 내 불순물의 시공간 분포를 측정하는 것이다.

플라즈마에서 방출되는 빛은 불순물의 양을 포함한 다양한 정보를 담고 있다. 플라즈마 내 불순물은 일반적으로 선 복사선(line radiation)이라고 불리는 빛을 방출하는데, 해당 빛은 불순물에 구속된 전자의 에너지 준위 전이에 의하여 발생한다. 선복사선 측정을 통하여 불순물 종 식별 및 특정 불순물 종에 대한 모니터링이 가능하지만, 플라즈마에는 다양한 종류의 불순물이 혼합되어 있어 전체 불순물 양을 파악하는 데에는 한계가 있다.

플라즈마에서 방출되는 또 다른 형태의 빛은 제동 복사선(Bremsstrahlung radiation)으로, 플라즈마 내 자유 전자가 불순물 이온을 포함한 이온들과의 충돌로 인하여 방출된다. 제동 복사선의 세기는 플라즈마 내 불순물 양에 따라 달라지므로, 제동 복사선 측정을 통하여 유효 전하 (Z_eff)로 표현되는 불순물 함유 정도를 추정할 수 있다. 또한, 제동 복사는 연속적인 파장 스펙트럼을 가지므로, 비교적 단순하고 저렴한 가시광 영역의 광학 진단을 통하여 그 세기 측정이 가능하다.

핵융합 플라즈마 내 불순물 거동을 연구하기 위하여, 대학 규모의 핵융합 실험 장치인 VEST 토카막에 가시광 제동 복사 측정 시스템이 새롭게 개발되었다. 7채널로 구성된 해당 시스템은 플라즈마 내 불순물의 공간적 분포를 측정할 수 있도록 설계되었다. 본 시스템 개발을 위한 광학계는 가시광 제동 복사 측정에 적합한 파장 범위 식별과 각 채널 시선 정립을 바탕으로 이루어졌으며, 상용렌즈와 플라즈마 광섬유를 활용하여 경제적이면서도 신뢰할 수 있는 시스템이 구축되었다. 이와 더불어, 각 채널의 선 적분된 가시광 제동 복사 신호로부터 불순물의 공간적 분포를 추정할 수 있도록 토모그래피 재구성 코드도 함께 개발되었다. 해당 시스템은 VEST 토카막에 설치된 후 절대 광량 교정 작업을 통하여 플라즈마 내 불순물 양을 성공적으로 측정하는데 활용되었다.

해당 시스템은 핵융합 플라즈마 내 불순물 거동을 연구하는데 활용될 것이며, 향후 핵융합로 내 불순물 모니터링 및 제어 시스템 개발의 기반을 제공해줄 수 있을 것이다. 해당 시스템을 활용하여 가시광 제동 복사의 절대 세기 뿐 아니라, 제동 복사의 변동 (fluctuation)도 측정할 수 있으며, 이와 같은 변동 측정은 불순물과 불안정성 간의 상호 작용을 포함한 불순물이 플라즈마 불안정성과 수송에 미치는 영향에 대한 이해 증진에 기여할 수 있을 것이다. 앞서 언급하였듯이, 불순물은 핵융합 플라즈마 성능을 결정하는 핵심 요소 중 하나이다. 개발된 가시광 제동 복사 시스템을 기반으로 연구될 불순물 관련 물리 현상은 플라즈마 내 불순물에 관한 동역학과 그로 인한 핵융합 플라즈마 성능에 끼치는 영향에 대한 물리적 이해를 높이는데 이바지할 것이다. 이는 핵융합 과학의 발전 뿐만 아니라, 미래 핵융합로 구현을 위한 핵심 기술 개발에도 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.