가상 핵융합 장치에서 고속입자 충돌 지점 빠르게 판별 가능

윤의성 교수. UNIST 제공

그림. 개발된 2단계 충돌 탐지 기능 기반 고속화 알고리즘. 충돌 탐지 알고리즘의 입자를 걸러내는 단계(a)와 입자의 충돌 좌표를 계산하는 단계(b). (a)-1의 파란색 폐곡선 안의 고속 이온은 KSTAR 내벽과 충돌 가능성 없으므로 충돌 탐지 계산에서 제외. 폐곡선 밖의 고속 이온은 (a)-2 단계에서 같은 검은색 테두리의 구획에 있는 삼각형과의 충돌 여부를 판별. (b)에서 뮐러-트럼보어(Möller–Trumbore) 방법론을 활용하여 실제 충돌 여부와 충돌 지점(좌표)을 계산함. UNIST 제공

게임에서 총알이 적을 맞췄는지를 판별하는 기술을 이용해 핵융합로 내벽으로 돌진하는 고속입자의 충돌을 탐지하는 알고리즘이 나왔다.

울산과학기술원(UNIST) 원자력공학과 윤의성 교수팀은 가상 핵융합 장치에서 고속입자가 충돌하는 지점을 빠르게 판별할 수 있는 알고리즘을 개발했다고 17일 밝혔다.

인공태양으로 불리는 핵융합 발전은 융합로 내부를 태양처럼 뜨겁게 달구기 위해 고속 중성 입자를 주입한다. 그런데 이 과정에서 일부 입자들이 통제를 벗어나 장치 내벽과 충돌하면 융합로 벽이 손상되거나 핵융합 반응이 중단될 수 있다.

연구팀은 이 같은 충돌 입자 탐지를 위해 게임 산업에 쓰이는 충돌 감지 알고리즘을 접목, 새로운 알고리즘을 고안했다. 이 알고리즘은 '옥트리'(Octree) 방식보다 속도가 15배 빠른 것으로 나타났다.

그림. 광학 진단용 시뮬레이션 결과. 광학 진단 장비에서 토카막 내부로 향하는 광선(ray)들을 가상으로 생성해, 토카막 장치 내부의 구조물에 의해 시야가 어떻게 차단되거나 확보되는지를 시각화한 결과다. 광학 장비의 구경(aperture)에서 방출되는 해당 광선들은 장비가 수집하는 빛의 경로를 나타내며 초록색으로 시각화함. 광선이 용기 내벽과 교차하는 지점(빨간색 점으로 표시)은 시야가 차단되기 시작하는 경계를 의미한다. 이 분석 도구는 시야가 확보된 영역 내의 플라즈마 파라미터(예: 스펙트럼 색상으로 표현된 자기장 분포)를 선택적으로 추출함으로써 계산 효율성을 향상함. UNIST 제공

옥트리는 공간을 미리 정해진 방식으로 잘게 나눠놓고, 그 안에 입자가 있는지를 일일이 확인해야 한다. 이와 달리 연구팀이 개발한 알고리즘은 필요한 경우에만 계산한다. 기존에는 30만 개에 이르는 입자가 7만개의 삼각형으로 분할된 벽면에 충돌하는지를 매 순간 계산해야 했지만, 개발된 알고리즘을 적용하면 단순한 사칙연산으로 약 99.9% 이상을 계산 대상에서 제외할 수 있다.

특히 알고리즘을 이용하면 충돌로 열이 집중되는 내벽 영역이 'V-KSTAR'(한국형 핵융합 실험로를 3차원 가상공간에 그대로 구현한 디지털 트윈) 화면에 표시되기 때문에 전문 지식이 없는 설계자도 직관적으로 위험 구간을 확인할 수 있다.

윤의성 교수는 "실제 이 알고리즘으로 한국핵융합에너지연구원의 중성입자빔 시뮬레이터를 3차원으로 확장했고, 광학 진단 장비의 3차원 광선 경로 분포 시각화, 3차원 자기장 섭동 물리 분석 등에도 알고리즘을 사용하고 있다"며 "알고리즘은 중성입자빔 추적 뿐만 아니라 V-KSTAR 전체의 3차원 확장을 위한 핵심 기술"이라고 말했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '전산물리학통신'(Computer Physics Communications) 4월호에 공개됐다.

송현수 기자 songh@busan.com