이 연구실은 토카막 장치에서 초고온 핵융합 플라즈마를 안정적으로 유지하고, 높은 에너지 가둠 성능을 확보하는 운전 시나리오를 연구한다. 특히 KSTAR와 같은 자기밀폐형 핵융합 장치에서 장시간 고온 플라즈마 상태를 달성하기 위한 물리 메커니즘을 규명하는 데 중점을 둔다. Nature 논문과 Nuclear Fusion 논문에서 드러나듯이, 고속이온이 중심부 난류를 억제하고 이온 온도를 높게 유지하는 새로운 운전 영역의 형성과 지속 가능성이 핵심 연구 주제이다. 이 과정에서 연구실은 고속이온, 중성입자빔 가열, 내부수송장벽, 전력평형 분석, 플라즈마 요동 계측 등을 종합적으로 활용하여 성능 향상 메커니즘을 해석한다. 단순히 온도를 높이는 것을 넘어서, 난류 수송이 어떻게 감소하는지, 이온과 전자의 열수송 채널이 어떻게 분기하는지, 그리고 sawtooth나 Alfvén 고유모드 같은 MHD 현상이 성능에 어떤 영향을 주는지를 이론과 실험의 연결 속에서 분석한다. 이러한 접근은 고성능 모드의 재현성과 장시간 유지 가능성을 평가하는 데 필수적이다. 궁극적으로 이 연구는 상용 핵융합로에 필요한 고효율·정상상태 운전 시나리오를 정립하는 데 기여한다. 기존의 섬세한 프로파일 제어 없이도 고온 상태를 오래 유지할 수 있는 운전 영역을 확보하면, 미래 핵융합 발전소의 운전 단순화와 경제성 향상에 큰 도움이 된다. 따라서 본 연구는 핵융합 플라즈마 물리의 기초 이해와 더불어, 실질적인 핵융합 에너지 실현을 위한 핵심 기반기술 연구로 의미가 크다.

연구실의 또 다른 중심 축은 플라즈마 내부의 난류 수송을 이해하고, 자기수력학적 평형과 플라즈마 형상 변화가 수송 특성에 미치는 영향을 규명하는 것이다. 핵융합 장치에서 플라즈마 성능을 제한하는 가장 큰 요인 중 하나는 미시적 난류에 의한 열·입자 손실이며, 이를 줄이는 것이 고성능 운전의 핵심이다. 연구실은 특히 새로운 플라즈마 단면 형상, 음의 삼각도 플라즈마, 저항벽모드 등과 관련된 평형 변화를 분석하여 수송 최적화 가능성을 탐색하고 있다. 이를 위해 자이로키네틱 시뮬레이션, 자이로유체 모델, 엔트로피 기반 해석, zonal flow 기여도 분석 등 고급 이론·수치 기법을 적극 활용한다. 단순한 선형 안정성 평가를 넘어서, 비선형 포화 과정과 미세난류 모드의 혼합 구조, 형상 변화에 따른 수송 민감도, GAM과 Stringer spin-up과 같은 거시-미시 결합 현상까지 다룬다. 이러한 연구는 플라즈마 형상과 자기배치가 성능을 어떻게 바꾸는지 정량적으로 보여주며, 차세대 토카막 설계와 운전 조건 선택에 직접적인 지침을 제공한다. 장기적으로 난류 수송 최적화 연구는 핵융합로의 크기와 비용을 줄이는 데 중요한 역할을 한다. 동일한 가열 입력으로 더 높은 중심온도와 더 나은 가둠을 얻을 수 있다면, 장치 규모를 줄이면서도 필요한 출력 조건을 달성할 가능성이 커진다. 따라서 이 연구는 플라즈마 기초물리, 수치 예측, 공학적 설계 판단을 연결하는 핵심 분야이며, 미래 파일럿 플랜트와 상용로의 성능 예측 정확도를 높이는 데도 큰 가치를 가진다.

이 연구실은 초고온 핵융합 플라즈마의 가열과 전류구동을 정밀하게 모사하기 위한 Fokker-Planck 기반 수치코드 개발을 중요한 연구 분야로 추진하고 있다. 핵융합 장치에서 플라즈마의 분포함수는 외부 가열, 충돌, 자기장 구조, 회전, 불순물 존재 등에 따라 비맥스웰 형태로 변형되며, 이러한 비평형 효과를 정확히 계산해야 실제 장치 성능을 신뢰성 있게 예측할 수 있다. 연구실은 기존보다 확장된 4차원 drift-kinetic 또는 kinetic 모델을 구현하여 RF 파동과 입자 상호작용을 정교하게 해석하려 한다. 구체적으로는 이온사이클로트론 공명가열(ICRH), 전자사이클로트론 진단 및 가열, 네오클래식 수송, 불순물 수송, 회전에 따른 분포함수 변화 등을 통합적으로 다룰 수 있는 계산 프레임워크를 발전시키고 있다. 발표 목록에서도 TORIC-FP4D, relativistic collision operator, Rosenbluth potential, RF wave 직접 상호작용에 따른 전류 및 수송 평가 등 다양한 주제가 확인된다. 이는 단순한 코드 구현을 넘어, 실제 KSTAR와 ITER 환경에 적용 가능한 수준의 검증·벤치마크와 진단 연계 연구를 포함한다는 점에서 의미가 크다. 이러한 수치모델은 미래 핵융합로의 가열 효율 최적화, 전류분포 제어, 불순물 축적 억제, 플라즈마 시나리오 설계에 직접 활용될 수 있다. 특히 실험을 수행하기 전에 운전 조건을 예측하고, 실험 후에는 관측 결과를 역으로 해석하는 디지털 트윈 기반 연구로 확장될 가능성이 높다. 결과적으로 본 연구는 핵융합 플라즈마 제어의 정밀도를 높이고, 실험 장치와 미래 발전로 사이의 물리 스케일 차이를 연결하는 핵심 계산과학 기반을 제공한다.

핵융합 플라즈마의 장시간 안정 운전을 위해서는 중심부 성능뿐 아니라 불순물 축적과 경계 플라즈마 거동을 정밀하게 이해해야 한다. 이 연구실은 토카막 내부에서 불순물이 어떻게 생성·유입·수송되는지, 그리고 회전과 충돌성, 온도 구배, 비대칭 소스가 이러한 수송에 어떤 영향을 주는지를 이론적으로 분석한다. 특히 텅스텐과 같은 고원자번호 불순물은 복사손실과 연료 희석을 유발하므로, 그 거동 예측은 핵융합로 운전에서 매우 중요하다. 연구실은 2차원 유체 수송 코드, 네오클래식 이론, 회전이 포함된 토카막 수송 모델, 실험 검증을 결합하여 불순물 밀도의 폴로이달 구조와 반경 방향 수송을 해석한다. KSTAR 실험과의 비교, temperature screening 현상 분석, 고회전 조건에서의 불순물 거동 평가 등은 실제 장치 운전과 밀접하게 연결된다. 더 나아가 energetic particle, full-orbit 궤적 코드, PIC 시뮬레이션, 경계 열속 및 플라즈마-벽 상호작용 관련 주제까지 포괄하면서, 중심 플라즈마와 경계 플라즈마를 잇는 통합적 시각을 보여준다. 이 연구는 단순히 불순물을 줄이는 차원을 넘어, 핵융합로의 재료 선택, 디버터 설계, 유지관리 전략 수립에도 영향을 준다. 플라즈마 경계와 불순물 제어가 성공적으로 이루어져야만 고성능 중심 플라즈마도 지속될 수 있기 때문이다. 따라서 본 연구는 핵융합로의 실제 운전 안정성과 내구성을 좌우하는 중요한 주제이며, 향후 장시간·고출력 운전 조건을 설계하는 데 필수적인 지식을 제공한다.