- 강화학습으로 플라즈마 불안정성 회피하고 장시간 안정성 유지-
▲인공지능을 통한 인공태양 불안정성 회피 제어 개요
인공지능을 통해, 실시간 모니터링 센서 정보(a)로부터 추후 발생할 수 있는 찢어짐 불안정성을 미리 예측하고 피해가도록 인공태양을 제어함(b). 이 인공지능 제어 시스템은 강화학습을 통해 훈련되며, 기존 인공태양 제어 시스템과 결합됨(c). 이를 통해 미국 최대 인공태양인 DIII-D에서 고성능의 핵융합 플라즈마를 안정적으로 유지 가능함을 실험적으로 보였음.
인공태양 핵융합의 최대 난제로 꼽히는 플라즈마 붕괴의 원인인 자기장 불안정성을 극복할 인공지능 자율제어 기술이 개발됐다.
한국연구재단(이사장 이광복)은 서재민 교수(중앙대학교)와 에그먼 콜먼 교수(Egemen Kolemen·프린스턴대학교) 공동연구팀이 인공지능을 이용해 인공태양의 불안정성을 회피하는 기술을 개발했다고 밝혔다.
인공태양은 태양에너지의 원천인 핵융합 반응을 지구상에서 구현해 에너지를 얻는 차세대 친환경에너지 기술이다. 태양의 중력 대신 강한 자기장을 이용해 수소 플라즈마를 핵융합로에 가두고 고온·고압 환경에서 지속적인 핵융합 반응을 일으켜 에너지를 생산한다.
하지만 고온·고압의 플라즈마에서 발생하는 자기장의 찢어짐 불안정성(tearing instability: 인공태양에서 저항을 지닌 플라즈마의 높은 압력구배에 의해 자기장이 찢어지는 불안정 현상)은 인공태양의 플라즈마 붕괴(불안정한 플라즈마가 한순간에 붕괴되어 인공태양을 꺼뜨리는 현상)를 일으키는 가장 큰 요인이다.
특히, 핵융합 반응에 필요한 높은 플라즈마 압력이 자기장의 찢어짐을 쉽게 야기하기 때문에, 국제핵융합로 ITER*와 같은 미래 인공태양 운영의 난제로 여겨졌다.
* ITER: 핵융합 에너지의 상용화 가능성을 실증하기 위한 거대 인공태양으로, 총 35개국이 참여하는 인류 역사상 최대규모의 국제공동 과학 프로젝트.
기존에는 이미 발생한 찢어짐 불안정성을 완화시키는 연구가 주를 이루었다. 하지만 실제 인공태양에서 붕괴현상을 방지하려면, 불안정성이 처음부터 일어나지 않도록 방지하는 것이 중요하다.
연구팀은 먼저 핵융합로 내부 센서들을 이용해 플라즈마 상태를 모니터링하고, 플라즈마 불안정성을 예측하는 시스템을 개발하였다. 이어 해당 예측시스템에 강화학습 인공지능을 도입해 다양한 플라즈마 상태에서 높은 압력의 플라즈마를 붕괴시키지 않고 안정적으로 유지하는 방법을 학습시켰다.
이 기술은 미국 최대 핵융합 장치 DIII-D에 적용됐으며, 인공지능을 가진 인공태양이 스스로 찢어짐 불안정성을 피해가며 높은 성능의 플라즈마를 유지함을 실험적으로 입증하였다. 특히, 찢어짐 불안정성 및 붕괴가 쉽게 발생하는 ITER 기준조건에서도 인공지능이 플라즈마를 안정적으로 유지했다. 이는 기존 제어 방식으로는 달성하지 못했던 성과이다.
서재민 교수는 “첨단의 물리연구 중 하나인 핵융합에서 성과를 보인 만큼, 앞으로 인공지능이 다양한 현대물리 연구들에 폭넓게 응용되기를 기대한다”고 말했다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 핵융합선도기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처(Nature)에 2월 22일 게재되었다.
