요약
인공태양 KSTAR가 1억도 초고온 플라즈마의 8초 간 운전에 성공했습니다. 핵융합 반응이 활발히 일어나도록 초고온 플라즈마를 오랫동안 안정적으로 유지하는 것이 핵융합에너지 상용화를 위한 핵심 기술입니다. 이번 연구로 본격적인 초고온 운전 실험 단계에 들어선 KSTAR가 다른 장치에서 수행하기 어려운 초고온 플라즈마의 장시간 운전기술 개발에 선도적인 성과를 확보했습니다.
- KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)
'95년부터 '07년까지 12년에 걸쳐 국내 기술로 개발된 초전도 핵융합 연구장치입니다. '08년 최초 플라즈마 발생에 성공했습니다. 주요 선진국들이 공동으로 개발하고 있는 국제핵융합실험로 ITER 장치와 동일한 초전도 재료로 제작된 세계 최초의 장치이며 국제 핵융합 공동 연구장치의 핵심으로 주목받고 있습니다. 매년 핵융합 상용화 기술 개발을 위한 핵융합 플라즈마 실험을 수행하고 있습니다.
- ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)
미래 대용량 청정에너지원인 핵융합에너지의 상용화 가능성을 실증하기 위해 한국, 미국, EU 등 핵융합선진 7개국이 공동으로 개발했습니다. 건설하는 초대형 국제협력 R&D 프로젝트로서 핵융합 반응을 통한 500MW급의 열출력을 발생하는 장치를 개발하여 전기 생산의 가능성을 실증하기 위한 국제핵융합실험로입니다.
관건은 시간과 안정성
국가핵융합연구소(NFRI) KSTAR 연구센터는 '19년 8월부터 '20년 2월 말까지 진행한 2019년 KSTAR 플라즈마 실험에서 핵융합 핵심조건인 1억도 수준의 초고온 플라즈마 운전(유지구간 평균 온도 0.97억도)을 8초 이상 유지하는 데 성공했습니다.
참고로 플라즈마란 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째 상태로 우주의 99.9%를 차지합니다. 초고온 플라즈마상태에서 원자핵이 반발력을 이기고 융합하는 핵융합 반응이 일어납니다. 핵융합 장치내에서 핵융합이 일어날 수 있도록 플라즈마를 연속적으로 운전하는 건 핵융합 상용화를 위한 핵심 과제입니다.
- 핵융합에너지
태양이 에너지를 내는 원리인 핵융합은 수소와 같은 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 원자핵으로 바뀌는 과정에서 엄청난 에너지를 발생시킵니다. 지구에서 태양과 같은 환경을 인공적으로 만들어주는 핵융합로의 개발을 통해 대용량의 핵융합에너지를 만들어 인류의 미래에너지원으로 활용하고자 연구되고 있습니다. 바닷물에서 추출 가능한 중수소 및 리튬(삼중수소)을 주원료로 하는 핵융합 발전은 연료가 무한하며, 고준위 방사성 폐기물의 발생이 없고, 폭발 등의 위험이 없는 무한청정 에너지이자 고효율 대용량 에너지원으로 인류의 궁극적인 미래에너지원으로 꼽힙니다.
국내에서 개발한 초전도핵융합연구장치 KSTAR는 핵융합에너지 상용화 기술 확보를 위해 태양에너지의 원리인 핵융합 반응이 일어나는 초고온 플라즈마 실험을 수행하는 연구 시설입니다. KSTAR는 '18년 실험에서 태양 중심온도(1,500만도)의 약 7배에 달하는 1억도 초고온 플라즈마 운전(유지시간 약 1.5초)에 최초로 성공한 바 있으며, '19년 실험에서는 초고온 플라즈마 유지시간을 5배 이상 연장하는 데 성공한 겁니다. 세계 모든 핵융합 연구장치에서 플라즈마 이온온도 1억도 수준의 초고온 플라즈마를 5초 이상 유지한 건 KSTAR가 최초입니다.
초고온, 고밀도 상태인 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구에서 만들기 위해서는 핵융합로 안에 연료(중수소, 삼중수소)를 넣어 이온 핵과 전자로 분리된 플라즈마 상태로 만들고, 이온온도를 1억도 이상 초고온으로 가열해야 힙니다. 핵융합 반응이 활발히 일어나도록 초고온 플라즈마를 오랫동안 안정적으로 유지하는 것이 핵융합에너지 상용화를 위한 핵심 기술입니다.
초고온 플라즈마 상태에 도달하기 위해서는 충분한 가열장치가 필수적이며 이를 지속해서 유지하기 위해서는 안정적인 운전모드 개발이 필요합니다. KSTAR는 차세대 플라즈마 운전모드 중 하나인 내부수송장벽(Internal Transport Barrier, ITB) 모드를 플라즈마 형상 및 밀도 제어로 안정적으로 구현해 초고온 상태를 장시간 유지에 성공할 수 있었습니다. 더불어 중성입자빔가열장치 등 KSTAR 가열장치의 효율을 높일 수 있도록 플라즈마 중심부를 효과적으로 가열하는 기술을 적용한 덕분이기도 합니다.
국가핵융합연구소 윤시우 KSTAR 연구센터장은 "이번 성과는 본격적인 초고온 운전 실험 단계에 들어선 KSTAR가 다른 장치에서 수행하기 어려운 초고온 플라즈마의 장시간 운전 기술 개발에 선도적인 성과를 확보했다는 것을 보여준다"고 의미를 밝혔습니다.
ITER·핵융합로 난제 해결위해 80여 개의 실험도 수행
KSTAR는 지난 플라즈마 실험 동안 1억도 초고온 플라즈마 운전뿐 아니라 고성능 운전 시나리오 개발, 플라즈마 붕괴완화 실험 등 향후 건설될 ITER 및 핵융합로의 난제 해결을 위한 약 80여 개 주제의 실험들을 수행했습니다. 이번 성과를 비롯한 KSTAR 실험 결과는 오는 10월 프랑스에서 개최되는 핵융합 연구자들의 올림픽 격인 'IAEA 핵융합에너지 콘퍼런스(Fusion Energy Conference)'에서 전 세계 핵융합 연구자들에게 공개될 예정입니다.
또한, KSTAR는 오는 8월부터 진행될 실험에서는 가열장치의 추가 확보와 제어기술의 개선으로 초전도 토카막의 초고온 운전모드를 포함한 여러 고성능 운전모드의 성능과 지속 시간 향상을 위한 실험을 추진할 예정입니다. 또한, 2025년 완공을 앞둔 국제핵융합실험로(ITER) 장치의 성공적인 운전을 위해 필요한 여러 당면 과제들 해결에 집중할 계획입니다.
- 핵융합장치 ‘토카막’ (Tokamak)
태양처럼 핵융합 반응이 일어나도록 인공적인 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 자기 밀폐형 핵융합 장치입니다. 러시아에서 처음 개발되어 현재 작동 중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있습니다.
국가핵융합연구원 유석재 소장은 "KSTAR 연구로 얻은 성과와 연구 역량은 국제공동으로 개발 중인 ITER 운전 단계에서 연구 주도권 확보에 기여할 뿐만 아니라, 향후 핵융합실증로 건설을 위한 핵심기술 확보로 이어진다"며 "미래 에너지 개발이라는 전 인류적 목표 달성을 위해 세계를 선도하는 도전적인 연구를 이어가겠다"고 밝혔습니다.
