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.

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.

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.