UNIST 연구팀, 3차원 융합로 입자 충돌 탐지 알고리즘 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 게임에서 총알이 적을 맞췄는지를 판별하는 기술로 핵융합로 내벽으로 돌진하는 고속입자의 충돌을 탐지하는 알고리즘이 나왔다. 복잡한 3차원 구조에서도 충돌을 빠르게 예측할 수 있어 앞으로 핵융합로의 안정성과 설계 효율을 크게 높일 수 있게 됐다.

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

V-KSTAR에 이 알고리즘을 적용하자 탐지 속도가 기존보다 최대 15배 빨라졌다. V-KSTAR는 한국형 핵융합 실험로인 KSTAR를 3차원 가상공간에 그대로 구현한 디지털 트윈이다.

고속 이온의 충돌 위치와 에너지 분포. 입자의 충돌로 인한 열 집중 영역을 색상으로 나타낸 이미지. [사진=UNIST]

인공태양으로 부르는 핵융합 발전은 융합로 내부를 태양처럼 뜨겁게 달구기 위해서 고속 중성 입자를 주입한다. 이 과정에서 일부 입자들이 통제를 벗어나 장치 내벽과 충돌하게 되면 융합로 벽이 손상되거나 핵융합 반응이 중단될 수 있다.

연구팀은 이 같은 충돌 입자 탐지 문제에 게임 산업에 쓰이는 충돌 감지 알고리즘을 접목해 새로운 알고리즘을 개발했다. 이 알고리즘은 옥트리(Octree) 방식보다 15배 빠르다. 옥트리는 미리 공간을 정해진 방식으로 잘게 나눠놓고, 그 안에 입자가 있는지를 일일이 확인하는 반면 이번 알고리즘은 필요한 경우에만 계산을 한다.

기존에는 30만개에 이르는 입자가 7만개의 삼각형으로 분할된 벽면에 충돌하는지를 매 순간 계산해야 했는데 이번 알고리즘을 적용하면 단순한 사칙연산으로 약 99.9% 이상을 계산 대상에서 제외할 수 있다.

충돌 영역의 삼각형 분할은 복잡한 3차원 핵융합로 구조물 형상에서도 입자의 경로와 벽 사이의 교점 계산을 가능하게 했다.

이 알고리즘을 통해 충돌로 열이 집중되는 내벽 영역이 V-KSTAR 화면에 표시되기 때문에 전문 지식이 없는 설계자도 직관적으로 위험 구간을 확인할 수 있다.

윤의성 교수는 “실제 이 알고리즘으로 한국핵융합에너지연구원의 중성입자빔 시뮬레이터를 3차원으로 확장했으며 광학 진단 장비의 3차원 광선 경로 분포 시각화, 3차원 자기장 섭동 물리 분석에도 쓰이고 있다”며 “이 같이 개발된 충돌 알고리즘은 중성입자빔 추적뿐 아니라 V-KSTAR 전체의 3차원 확장을 위한 핵심 요소 기술 중 하나”라고 설명했다.

윤 교수는 이어 “고속 연산을 위해 CPU 컴퓨터보다 처리 속도가 빠른 GPU 슈퍼컴퓨터를 기반하는 추가 연구를 계획 중”이라고 덧붙였다.

연구 결과(논문명: Development of novel collision detection algorithms for the estimation of fast ion losses in tokamak fusion device)는 국제학술지인 전산물리학통신(Computer Physics Communications) 4월호에 공개됐다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)

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