핵융합 시스템 및 플라즈마 동역학 연구실은 플라즈마 역학의 통합 예측 전산 모델을 구축, 검증, 수립하고 이를 기반으로 자장 핵융합 시스템의 최적화된 솔루션을 개발하려고 노력하고 있습니다. 새로 구축되고 있는 통합 모델링은 실제로 반영되어야 하는 삼차원 제약 및 경계 조건까지 포함하여 확장하고, 이는 각 다중 척도, 즉 크고 빠른 스케일로 일어나는 불안정성에 대한 자기 유체 유동 (MHD) 분석부터 작고 점진적인 스케일로 일어나는 수송 현상 및 불안정성에 의한 난류 현상에 대한 동역학 (Kinetic) 분석, 혹은 그 여러 척도를 통합한 전체 시스템 분석 및 예측에 모두 적용하는 것을 의미합니다. 예를 들어 현재 삼차원 플라즈마 평형 모델에 동역학에 의한 효과를 포함시켜 정확도를 높이고, 이를 표류 자기 유체 유동 (drift MHD) 국소 모델링과 통합하여 잠김 모드 (Locked Modes), 찢김 모드 (Tearing Modes), 경계면 모드 (Edge-Localized Modes)등의 토카막의 주요 불안정을 예측하는 방법론을 개발 중에 있습니다. 또한 이러한 예측 결과들을 검증하고 불안정성 및 수송 현상들에 대한 적응 제어를 구현하기 위해 국내 및 국제 전문가 및 시설 연구소들 과도 긴밀히 협력하고 있습니다. 수립된 예측과 제어 능력을 바탕으로 본 연구실은 자장 핵융합 체계와 시나리오를 최적화시키고, 미래 핵융합로의 성능과 신뢰성을 동시에 최대로 끌어 올릴 수 있는 혁신적인 통합 솔루션을 창출하는 것을 궁극적인 목표로 하고 있습니다.

고성능 플라즈마 연구실은 토카막 핵융합로를 대상으로 하여 지속적이고 안정적인 핵융합 반응을 유지시키기 위한 연구를 수행하고 있다. 핵융합 플라즈마를 통합적으로 제어하기 위하여 핵융합 플라즈마 전영역의 다양한 물리 현상을 통합한 전산 시뮬레이션을 수행하고 VEST, KSTAR 등 토카막 장치에서의 실험을 병행하여 연구를 진행하고 있다.
토카막 핵융합로 통합 시뮬레이션을 목표로 플라즈마 방전, 수송, 불안정성, 가열 및 전류구동 등 다양한 핵융합 연구 주제들을 유기적으로 연계하여 수행하고 있으며, 국내 한국핵융합에너지연구원 및 세계 유수의 핵융합 연구 그룹과 함께 공동연구를 수행하고 있다.

몬테칼로 연구실은 확률론적 방법론 기반 전산 시뮬레이션을 통해 원자로 설계의 근간이 되는 노물리 해석 연구를 수행하고 있다. 연속에너지 핵반응 단면적 및 일반 구조물 처리 알고리즘 기반의 중성자 수송 해석 코드인 McCARD를 통해 가압경수로 뿐만 아니라 융융염 원자로나 핵융합로 등 다양한 노형에 대한 전노심 수송해석을 수행한 바 있다. 고정밀 · 고속 컴퓨팅 기술 기반의 중성자 수송 해석 코드 개발을 통한 차세대 원자로 해석, 기계학습을 통한 노심장전모형 최적화 및 부하추종 방법론 개발, 몬테칼로 민감도 및 불확실도 해석 체계 구축 등 폭넓은 문제들을 다루고 있다.

방사선 공학 연구실은 감마선 및 중성자를 검출할 수 있는 저비용 고효율의 방사선 계측기 개발과 새로운 개념의 방사선 계측 방법론, 그리고 중성자 발생장치 개발 연구 등을 수행하고 있다. 위 연구를 통해 나노 소재 검출기, D-T 중성자 발생장치를 개발중이며, 방사선 기술을 이용하여 피폭 선량 계산, 라돈 검출 방법, 방사선 시각화 영상 재구성 등 방사선 계측 방법론을 도출하고 있다. 또한 다양한 지질 환경에서의 방사성 물질 검층, 핵안보 및 핵 비확산 분야에서도 방사선과 관련된 다양한 연구를 진행하고 있다.

방사선 생명공학 연구실은, 방사선의 위해로부터 인체의 안전 확보를 책무(責務)로 하는 방사선방호(Radiation Protection) 기술 분야의 인재 양성과 관련 기술의 개발연구를 수행한다. 연구 수행의 기술적 요소로 (1) 방사선 조사장치의 설계와 제작, (2) 방사선의 세포조사 설계와 실험, (3) 생체 표적체와 방사선의 물리적반응 현상의 전산모사, (4) 방사선 피폭과 인체 위해의 정량적 관계 해석을 위한 수학적모델링 등을 포함한다. 연구 기반 시설로, 자체 설계로 제작한 Hard X-ray 조사실과 세포실험용 알파선조사장치가 있으며 생물학실험실을 갖추고 있다. 나노골드 입자를 이용한 피부암 치료프로토콜의 개발, 의료 플라즈마 정보의 생산과 효용 분석, 산업체 방사선 이용기술과 안전관리기술의 개발, 방사선 DNA 손상의 정량화 알고리즘 개발 등을 수행하였으며 현재 (1) 저선량 과민감성 반응 특성 연구, (2) X-ray와 라돈 알파입자의 DNA 손상특성 비교연구, (3) 입자방사선의 치료효과 비교 및 치료프로토콜의 최적화 연구를 진행하고 있다.

열수력계통연구실은 원자력의 안전한 이용을 위하여 원자력계통 내에서 발생하는 열수력학적 현상을 연구하고 있습니다. 본 연구실에서는 원자력 시스템의 안정성을 확보하기 위하여 고정밀 실험, 고성능 컴퓨터를 활용한 2상 유동 시뮬레이션 및 노심 및 재료 분야와의 협력을 통한 다물리 연계 해석을 진행하고 있으며, 이러한 해석 및 실험 기술을 토대로 기존의 경수로 안전과 관련된 연구 뿐만 아니라 부유식원전, 히트파이프 원자로 등 차세대 원자력 발전 시스템에 대한 연구도 진행하고 있습니다.

원자력에너지시스템연구실은 최신 공학기술을 이용하여 원자력 시스템 및 안전의 난제들을 극복하기 위한 다양한 연구들을 수행하고 있다. 계산과학 및 고성능컴퓨팅을 이용하여 원자로 시스템 및 안전의 다양한 현안들을 해결할 수 있는 차세대 모델링/시뮬레이션 기술 및 전산해석 솔루션들을 개발하고 있다. 또한 창의적인 아이디어를 통하여 미래형 원자력 시스템의 개발 및 응용에 관한 다양한 연구 및 요소기술을 개발하고 있다.

원자로물리연구실은 원자력 발전의 핵심적인 역할을 하는 원자로 내 중성자 거동에 영향을 미치는 다양한 물리적 현상을 다루는 원자로 물리 해석의 연구를 중점적으로 수행한다. 전노심 수송해석 코드인 nTRACER를 통해 여러 실제 가압경수로들에 대한 해석을 수행하였고, 고속로 수송해석에 활용하기도 하였다. 이후 GPU 가속 초고성능 컴퓨팅을 적극적으로 도입하여, 전노심 수송해석 코드인 nTRACER 외에도 봉단위 노심해석 코드, VANGARD, 및 연속에너지 몬테칼로 해석 코드, PRAGMA, 를 개발하여 다양한 연구를 수행중이다. 최근의 연구들은 가압경수로 뿐 아니라 선진원자로 모델들에 대하여 다물리 연계 해석에 관한 연구를 진행 중에 있다. 대표적으로, 히트파이프 원자로 해석을 위해 PRAGMA-OpenFOAM-ANLHTP 연계 해석 체계에 관한 연구가 있다.

전산핵재료연구실은 원자의 움직임을 분석할 수 있는 양자화학, 분자동역학 계산 등의 전산 시뮬레이션을 이용하여 원자력 재료를 연구하며, 다음의 주제 등을 연구하고 있다. (1) 고속로 내 냉각재 및 핵융합로 내 삼중수소 증식재 등으로 사용되는 액체금속과 용융염을 실질적으로 사용하기 위해서는 높은 화학 반응성으로 인한 부식 및 화재 등을 억제할 필요가 있다. 화학 반응성을 정확하게 평가하고 액체 금속의 반응성을 결정하는 인자를 찾아 효과적으로 제어할 수 있는 방안을 개발한다. (2) 핵융합로의 연료인 삼중수소는 방사성을 띠며, 자연계에 거의 존재하지 않는다. 따라서 안전하고 경제적인 핵융합로를 구현하기 위해 삼중수소 증식재, 삼중수소 저장물질, 플라즈마 대면재 등 다양한 핵융합로 재료에서 삼중수소의 거동을 예측한다. (3) 원자력재료는 중성자와 같은 에너지 입자에 노출되어, 일반적인 조건에서는 발생하지 않는 복잡한 반응에 의해 다수의 결함이 발생하고 재료의 성능이 저하된다. 원자 시뮬레이션과 머신러닝 기법을 결합하여 기존의 모델을 능가하는 정확한 조사 손상 예측 모델을 구축한다.

플라즈마는 이온과 전자와 같은 하전 입자를 포함하고 있으며, 물질의 네 가지 기본 상태 중 하나입니다. 하전 입자의 존재로 인하여 플라즈마는 중성의 기체와 구별되는 독특한 특성을 띠게 되며, 이를 이용하면 에너지, 반도체, 디스플레이, 환경 등 다양한 분야에 적용이 가능합니다. 우리 연구실은 특히 반도체 제조에 널리 사용되는 비자성 또는 부분자화 비평형 플라즈마의 물리 및 응용을 연구하고 있습니다.
펄스파워는 비교적 오랜 시간에 걸쳐 에너지를 축적했다가 매우 빠르게 방출함으로써 순간적으로 강력한 파워를 부하에 전달하는 기술입니다. 이를 이용하면 강한 엑스선이나 충격파를 방출하는 고에너지밀도 플라즈마를 생성할 수 있어 물질의 극한 상태를 연구할 수 있습니다. 우리는 극한 온도나 밀도 상태에 존재하는 물질의 열역학적 특성에 대한 물리 연구와 더불어 우물 세정, 암석 발파와 같은 산업 및 환경 분야 응용에 대한 연구도 수행하고 있습니다.
이온 소스는 입자 가속기, 중성자 발생기, 이온 주입기 및 이온 엔진과 같은 다양한 응용 분야에 사용되는 원자 및 분자 이온을 생성하는 장치입니다. 우리 연구실에서는 고밀도 플라즈마의 효율적인 생성과 그로부터 양이온 또는 음이온의 인출 및 가속에 대한 연구를 수행 중입니다.

플라즈마 및 양자빔 공학 연구실은 현재 국내에서 유일한 실험용 구형 토카막인 VEST(Versatile Experiment Spherical Torus)를 제작하여 운영하고 있다. VEST를 이용한 실제 핵융합 플라즈마 실험을 통해, 플라즈마 방전부터 가열 및 진단, 제어 및 붕괴에 이르는 핵융합 플라즈마 전반에 대한 연구를 수행하여 미래 에너지원인 핵융합 발전에 다가가고 있다.
대표적으로 TPC(Trapped Particle Configuration) 자기 구조를 통한 효과적인 플라즈마 방전 시나리오를 개발하였고, 핵융합 플라즈마 가열에 널리 사용되는 NBI (Neutral Beam Injection) 가열 시스템을 성공적으로 설치하여 운영하고 있다. 또한 핵융합 플라즈마의 여러 파라미터를 측정하기 위한 자기 진단, 톰슨 산란 진단, 간섭계, 광진단계 및 중성 압력 게이지 등 다양한 진단계 개발 및 업그레이드를 진행하고 있으며, 이러한 데이터들을 기반으로 핵융합 플라즈마 평형 및 예측 코드를 개발하여 플라즈마 제어 및 붕괴 메커니즘에 관한 연구를 수행하고 있다.
이러한 연구를 바탕으로, 본 연구실은 시뮬레이션 팀과 연계하여 안정적인 운전, 플라즈마 불안정성 해석 등 핵융합로의 난제들을 해결하려고 노력하고 있다. 또한 인공지능 기법을 사용하여 고성능 구형 토카막 운전이 가능한 가상핵융합로를 구축할 계획이며, 최종적으로 핵융합 발전의 구현화를 목표로 하고 있다.

플라즈마 응용 연구실은 다양한 플라즈마 소스를 대상으로 플라즈마 물성 이해 및 진단부터 플라즈마 활용 반도체/디스플레이 공정 제어 기술 개발까지 폭넓은 연구를 수행하고 있다. 정전 탐침을 비롯한 플라즈마 방출광 및 레이저 진단계, 전압-전류 센서 신호 등 다양한 진단계를 바탕으로 벌크 플라즈마 및 쉬스 공간의 물성을 진단해 축전/유도 결합형 플라즈마, 헬리콘 플라즈마 등 장비 플라즈마 물리를 해석한다. 장비 플라즈마 물리 해석을 기반으로 실 공정 장비에 부착된 센서 신호를 기반으로 플라즈마 정보 인자를 실시간 모니터링하는 센서 기술을 개발하고, 공정 결과 가상 계측 모델을 수립하고 장비-플라즈마-공정 능동 제어 기술을 개발하고 있다. 또한, 전자 사이클로트론 공명 플라즈마 및 열 플라즈마 토치 장비를 활용해 핵융합 대면재 표면의 플라즈마 열/입자속에 의한 플라즈마-재료 간 상호 작용을 해석해 Crack, Blister 등 재료 표면 형상 변형에 대한 연구를 진행하고 있다. 다년간 공정 플라즈마 분야 발전을 위한 전국 대학원생 대상 공정 플라즈마 교육(PSES-Net)과 반도체 공정 플라즈마 연구 혁신 생태계 마련을 위한 공정진단제어기술교류회를 지속적으로 운영하고 있다.

핵연료재료 및 안전 연구실은 원자력 발전소의 성능과 안전성의 근간이 되는 핵연료 재료에 대한 이해를 기반으로 차세대 원자력 시스템을 혁신하고 가동원전의 성능 및 안전성 향상 이루고자 한다. 실험 – 이론 – 코드개발을 연계하는 통합적인 연구를 통하여 핵연료 거동을 전방위적으로 연구하고 있다. 미시적 재료거동의 이해를 기반으로 거시적 핵연료 거동을 이해하며, 거시적 핵연료 거동에 대한 분석을 통하여 원자력 발전 시스템 스케일의 성능과 안전성을 개선시키는 ‘시스템 지향’의 핵연료 재료 연구를 집중적으로 수행중이다. 구체적인 연구주제로는 사고저항성 핵연료, 고연소도 핵연료, SMR 핵연료, 사용후핵연료, 극한환경 재료거동, 차세대 원자로 구조재료연구를 수행하고 있다.

차세대 핵연료 개발 및 성능평가 연구: 사고저항성 핵연료는 고온 산화저항성이 획기적으로 향상된 핵연료 재료를 사용하여 원자력 발전소의 성능과 안전성을 증진시키는것을 목적으로 한다. 본 연구실에서는 사고저항성 핵연료의 안전성과 성능을 평가하고, 사고저항성핵연료의 개발방향 및 안전규제방안을 제시하는 연구를 진행중에 있다. 이밖에도 고연소도 핵연료의 안전성을 평가하고 관련 안전규제방안을 연구하고 있으며, SMR 및 초소형원자로의 핵연료를 평가하고 개발방향을 제시하는 연구를 진행하고 있다.

사용후핵연료 저장안전성 연구: 사용후핵연료의 중간저장은 대한민국 원자력계가 당면하고 있는 중요한 현안이다. 본 연구실에서는 사용후핵연료의 저장 안전성을 종합적으로 분석하고 피복관의 수소취화 열화현상에 대한 이해를 확장시키고 있다. 이를 통하여 사용후핵연료 안전규제 수립을 지원하고 있다.

핵연료 코드개발 연구: 핵연료의 거동을 모사하기 위해서는 재료-구조-열수력-노물리를 아우르는 다물리 현상을 연계한 계산이 필요하다. 본 연구실에서는 경수로 및 차세대 핵연료 거동모사 코드를 개발하고 있다. 이를 통하여 원자로 설계 및 안전성 평가 고도화를 지원하고자 한다.

차세대 원자로 시스템 연구: 안전성과 경제성이 향상된 차세대 원자로 시스템 개발중에 있다.

서울대학교 핵연료주기 및 핵비확산 연구실(SNUNFC)은 핵화학공학 및 핵재료공학을 기반으로 사용후핵연료의 재활용과 저장·처분, 고온 SMR 냉각재의 화학 및 재료 열화, 원자력 및 핵비확산 정책에 이르기까지 차세대 원자력 에너지의 다양한 분야에 걸친 폭넓은 연구를 진행하고 있습니다.

본 연구실에서는 원자력 발전 및 핵연료주기 공정에서 접하는 다양한 환경(용융염, 이온성 액체, 수화학 등) 속에서 방사성 물질의 화학반응을 규명하고 원자력 재료의 거동을 분석하는 실험적 연구를, 전기화학 측정과 펄스 레이저 분광을 중심으로 수행하고 있습니다. 또한, 실험을 통해 이해한 핵연료주기 시스템의 물리화학적 거동과 수집한 물성치, 반응 상수 등의 데이터를 활용하여 열, 유동, 물질전달, 화학 반응, 부식, 방사분해 등을 포함하는 다중물리 현상을 모델링하는 연구도 병행하고 있습니다.