Establishment of a large-scale computational simulation infrastructure
핵융합 발전은 가벼운 원소를 결합해 에너지를 얻는 방식으로, 별이 빛을 내는 원리와 유사하여 '인공 태양'이라 불립니다. 주로 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소를 연료로 사용하며, 이들이 초고온 플라즈마 상태에서 충돌하고 융합될 때 발생하는 질량 결손이 거대한 에너지로 전환됩니다. 이 과정에서 헬륨 원자와 함께 강력한 에너지를 가진 중성자가 부산물로 방출되는데, 바로 이 중성자가 핵융합 장치의 내구성을 결정짓는 핵심적인 관리 대상이 됩니다. 플라즈마 내부의 이온들은 자기장을 이용해 제어할 수 있지만, 전기적으로 중성인 중성자는 장치의 내벽인 플라즈마 대면 소재(PFM)에 직접 충돌하여 손상을 입힙니다. 이러한 충돌이 반복되면 규칙적으로 배열된 금속 원자들이 격자 구조에서 이탈하게 되고, 국부적인 용융이나 결함의 축적이 발생합니다. 특히 격자 사이에 갇힌 침입형 원자나 비어있는 공공 같은 결함들이 모여 공극을 형성하면 소재의 성능이 급격히 저하되므로, 이를 원자 수준에서 정밀하게 분석하는 연구가 필수적입니다. 그동안 연구자들은 분자 동역학을 통해 결함 형성 과정을 추적해 왔으나, 계산 자원의 한계로 인해 수십 나노미터 규모의 작은 시스템만 다룰 수 있었습니다. 하지만 소재의 거시적 특성을 이해하려면 다양한 결정들이 만나 형성하는 결정립계의 특성을 분석하는 것이 매우 중요합니다. 이러한 결정립계의 영향을 정확하게 포착하기 위해서는 기존의 기술적 한계를 뛰어넘어 마이크로미터 규모까지 확장된 거대한 계산 시편을 활용한 정밀한 전산 시뮬레이션이 반드시 수반되어야 합니다. 부산대학교와 칭화대학교 공동 연구팀은 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 슈퍼컴퓨터 '누리온'을 활용해 이 문제를 해결했습니다. 연구팀은 1,000억 개의 원자로 구성된 마이크로미터 규모의 시스템을 구축하고, 실제 박막 시료와 동일한 구조를 재현할 수 있는 고도화된 계산 코드를 개발했습니다. 이를 통해 중성자의 충돌 위치와 에너지를 확률적으로 예측하고, 여러 연쇄 반응을 동시에 시뮬레이션하는 가속 기법을 적용하여 거대 시스템 내의 결함 형성 과정을 성공적으로 포착해 냈습니다. 시뮬레이션 결과, 결정립계는 중성자 충돌로 인한 결함의 성장을 방해하고 이를 흡수하여 소재를 보호하는 역할을 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 또한 결함 루프와 같은 미세 구조의 형성과 결정립계의 모양 변화를 원자 수준에서 관찰함으로써 소재의 내구성을 평가하는 새로운 틀을 마련했습니다. 이번 연구로 구축된 대규모 시뮬레이션 인프라는 핵융합 분야를 넘어 다양한 다중 스케일 동역학 연구에서 나노와 마이크로 영역을 잇는 가교 역할을 수행하며 소재 과학의 발전을 이끌 것으로 기대됩니다.
