핵융합 발전은 태양의 원리를 지구상에 구현하여 청정에너지를 얻으려는 시도입니다. 가벼운 원소인 중수소와 삼중수소를 고온의 플라즈마 상태에서 융합시켜 헬륨과 에너지를 생성하는 이 과정은 원자력 발전보다 안전하고 효율적이라고 평가받습니다. 하지만 핵심적인 난관 중 하나는 핵융합 과정에서 발생하는 중성자입니다. 전기적으로 중성인 중성자는 자기장에 의해 제어되지 않고 핵융합로 내부의 대면재와 직접 충돌하여 재료의 물성을 변화시킵니다.

중성자의 연쇄 충돌이 발생하면 규칙적으로 배열되어 있던 대면재의 금속 원자들이 격자점을 이탈하여 무질서하게 분포하며 일부분이 순간적으로 녹게 됩니다.

연구자들은 이러한 재료 결함을 분석하기 위해 분자동역학 기법을 활용해 왔습니다. 하지만 기존의 기술은 계산 자원의 한계로 인해 수십 나노미터 이하의 아주 작은 규모만을 다룰 수 있었습니다. 실제 금속 재료는 미세한 결정 조각인 결정립과 그 경계인 결정립계로 이루어진 복잡한 다결정 구조를 띱니다. 특히 결정립계는 주변의 결함과 상호작용하며 재료의 전체적인 물성에 큰 영향을 미치는데, 이를 정확히 파악하기 위해서는 마이크로미터 규모의 거대한 전산 모델이 필수적입니다.

경희대학교와 연세대학교 공동 연구팀은 한국과학기술정보연구원의 슈퍼컴퓨터 누리온 5호기를 활용해 이 한계를 극복했습니다. 연구팀은 100억 개 이상의 원자로 구성된 마이크로미터 크기의 시스템을 구현할 수 있는 새로운 전산모사 코드를 개발하는 데 성공했습니다. 이는 기존의 한계를 넘어 실제 실험 시편과 유사한 크기와 형태의 다결정 구조를 가상 공간에 구축한 것입니다. 약 80억 개의 원자로 이루어진 모델을 통해 중성자가 시편 내 어디에 충돌하고 에너지가 어떻게 전송되는지를 확률적으로 계산할 수 있게 되었습니다.

새로운 가속화 기법을 적용한 시뮬레이션 결과, 결정립계의 중요한 역할이 명확히 드러났습니다. 결정립계는 중성자 연쇄 충돌의 성장을 저해하는 방어벽 역할을 수행하며, 충돌로 인해 발생한 결함들을 흡수하는 성질을 보였습니다. 또한 충돌 과정에서 결정립계의 형상이 변하거나 결함 고리가 형성되는 등 미시적인 구조 변화도 상세히 관찰할 수 있었습니다. 이전 연구들이 이상적인 상황만을 가정한 정성적 분석에 그쳤다면, 이번 성과는 조사량과 손상 정도를 실제 실험 데이터와 일대일로 비교할 수 있는 정량적 분석의 길을 열었습니다.

이번 연구는 KSTAR 핵융합로의 대면재인 텅스텐 원자 구조를 해석하며 전자 현미경 수준의 실질적인 연구 성과를 거두었습니다. 구축된 거대 규모 전산모사 인프라는 원자 단위의 미시적 현상과 마이크로미터 단위의 거시적 물성을 잇는 중요한 교두보가 될 전망입니다. 엑사스케일 컴퓨팅 시대를 앞두고 선제적으로 확보된 이 기술은 핵융합 분야뿐만 아니라 다양한 멀티스케일 역학 분야로 확산될 수 있습니다. 나노와 마이크로 영역을 아우르는 정밀한 시뮬레이션 기술은 차세대 에너지 장치 개발과 신소재 설계 분야에서 핵심적인 경쟁력이 될 것입니다.