KSTAR 초전도자석 문제 없나?
KSTAR 초전도자석 문제 없나?
  • 이웃집과학자
  • 승인 2024.06.24 20:20
  • 조회수 5370
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KSTAR. 출처: 한국핵융합에너지연구원
KSTAR. 출처: 한국핵융합에너지연구원

우리나라의 인공태양 KSTAR 초전도자석의 제작 및 운영 기술의 우수성이 실험적으로 검증됐습니다. 핵융합에너지 실현을 위한 혁신 기술 확보의 기반이 마련되었다는 평가입니다. 

 

한국핵융합에너지연구원(이하 핵융합(연))은 초전도핵융합연구장치 KSTAR의 장기간 운전이 초전도자석에 미치는 영향을 평가하기 위하여 초전도자석 성능 검증 시험을 수행한 결과, 최대 성능이 유지되는 것을 확인하였다고 24일(월) 밝혔습니다.

 

핵융합 장치에서 초전도자석은 핵융합 반응이 일어나는 초고온의 플라즈마를 가두고 제어하기 위한 강력한 자기장을 만들어내는 핵심 부품이죠. 특히 KSTAR는 세계 최초로 나이오븀-틴(Nb3Sn, 나이오븀-주석) 소재의 초전도자석을 적용한 장치로, 국제핵융합실험로(ITER)를 비롯하여 핵융합 실증로의 초전도자석도 동일한 소재로 설계가 진행됩니다.

KSTAR 초전도선재. 출처: 한국핵융합에너지 연구원
KSTAR 초전도선재. 출처: 한국핵융합에너지 연구원

KSTAR의 초전도자석은 2008년 KSTAR 장치가 운전을 시작한 후부터 매년 대전류와 고자장 등 극한 핵융합 환경에 반복적으로 노출됐습니다. 이에 연구진은 초전도자석의 성능저하 여부를 검사하기 위하여 매년 약 15kA 전류에서 교류 손실(AC loss)*을 측정하는데요. 

*교류손실:교류 전류가 흐를 때 전기 장비나 회로에서 발생하는 에너지 손실

 

하지만 금년에는 초전도자석의 성능을 직접적으로 평가하고자 펄스 방식(pulse mode)**으로 운전하는 중심 솔레노이드 자석(Central Solenoid)에 15kA부터 정격 전류인 25kA까지 단계적으로 전류를 높이는 실험을 수행했습니다. 이때, 초전도자석의 초전도 상태가 깨지거나 열부하가 커질 경우, 초전도자석의 성능이 저하된 것으로 판단합니다.

**펄스 방식:장치를 일정 시간 동안 가동한 후 멈추었다 다시 가동하는 주기적인 운전 방법

 

실험 결과, 25kA 전류 인가 시에도 초전도자석의 상태를 나타내는 데이터가 모두 안정적인 수치를 기록했습니다. 교류 손실로 인한 총 발생 열량은 과거보다 더욱 줄어들어 자석이 더욱 안정된 것을 실험적으로 검증했습니다. 

 

KSTAR의 초전도자석이 16년간 약 3만 4천 회 이상의 반복적인 펄스 운전에도 안정적인 성능을 유지할 수 있었던 것은 우리나라의 초전도자석 제작 기술의 우수성 및 KSTAR 장치의 안정적인 운전 역량 덕분인데요. 

 

KSTAR의 초전도자석은 0.8mm의 초전도 선재 다발로 이루어졌습니다. 각각의 선재는 2마이크로미터(㎛) 두께의 크롬 코팅이 되어 서로 절연 상태를 유지합니다. 그러나 반복적인 고자기장 운전에 따라 이 크롬 절연층의 품질 저하가 발생하면 교류 손실이 커지고, 운전에 따른 초전도자석의 온도 상승이 발생하여 운전의 제약이 발생합니다. 

KSTAR 초전도자석 실제 단면(CICC). 출처: 한국핵융합에너지연구원
KSTAR 초전도자석 실제 단면(CICC). 출처: 한국핵융합에너지연구원

하지만 KSTAR는 초전도자석의 운전 성능이 유지되었을 뿐만 아니라, 교류 손실이 저감 되어 초전도자석의 상태가 더욱 안정된 것을 확인했습니다. 이는 향후 KSTAR 운전에도 긍정적인 신호로 여겨지는데요. 

 

더불어 KSTAR 초전도자석의 특성에 대한 이해를 바탕으로 명확한 운전 기준을 수립하고 이를 준수한 결과, 초전도자석의 성능에 영향을 미치는 문제 발생을 최소화하여 장기적 안정성을 확보할 수 있었습니다.

이번 검증 실험의 담당 연구자인 초전도시스템연구그룹 이현정 그룹장은 “KSTAR는 전 세계에서 유일하게 나이오븀틴으로 초전도자석을 제작한 핵융합 장치”라며, “KSTAR 운전 과정에서 확보하는 초전도자석 데이터는 향후 ITER 초전도자석 운전 및 핵융합 실증로 초전도자석 제작을 위한 중요 자산이 될 것”이라고 전했습니다. 

 

핵융합(연) 오영국 원장은 “KSTAR 건설 당시 다른 나라에서는 시도하지 않았던 신소재 초전도자석을 채택했던 혁신적 도전이 현재 KSTAR의 차별성을 만들었다.”며 “KSTAR의 데이터와 경험이라는 중요한 자산을 밑거름으로 핵융합에너지 실현을 위해 최선을 다하겠다.”고 전했습니다. 

 

KSTAR 연구진은 앞으로도 매년 지속적인 초전도자석의 성능 실험을 통해 성능 변화를 추적하는 한편, 인공지능과 같은 첨단 기술을 도입하여 초전도자석의 성능 변화 및 수명 진단 역량을 더욱 키워갈 예정이라고 밝혔습니다. 

 

#용어설명

1. 핵융합에너지 : 태양에너지의 원리인 핵융합 반응 과정에서 나오는 에너지로 지구에서 인공적으로 핵융합 반응을 만들어 미래 에너지원으로 활용할 수 있도록 개발하는 연구가 진행되고 있음. 

2. 플라즈마 : 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째 상태로 우주의 99.9%를 차지하고 있으며, 초고온의 플라즈마 상태에서 원자핵이 반발력을 이기고 융합하는 핵융합 반응이 일어난다. 핵융합 장치 내에서 핵융합이 일어날 수 있도록 초고온의 플라즈마를 연속적으로 운전하는 것은 핵융합 기술 개발의 핵심 과제임. 

3. KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) :  ’95년부터 ’07년까지 12년에 걸쳐 국내 기술로 개발된 우리나라의 초전도 핵융합연구장치로 ’08년 최초 플라즈마 발생에 성공하였음. 주요 선진국들이 공동으로 개발하고 있는 국제핵융합실험로(ITER) 장치와 동일한 초전도 재료로 제작된 세계 최초의 장치로 국제 핵융합 공동 연구장치의 핵심으로 주목받고 있으며, 매년 핵융합 기술 개발을 위한 플라즈마 실험을 수행하고 있음.

4. 국제핵융합실험로 (ITER : International Thermonuclear Experimental Reactor) : 핵융합 선진 7개국(한국, 미국, EU, 러시아, 인도, 중국, 일본)이 초대형 국제협력 R&D 프로젝트를 통하여 공동으로 개발·건설 중인 국제핵융합실험로. 대용량 핵융합에너지 생산(핵융합 반응에 의한 500MW급의 열출력 발생)의 가능성을 실증하는 것을 목표로 함. 

5. 초전도자석 : 초전도란 도체의 온도가 매우 낮아졌을 때, 도체 내에 흐르는 전류의 저항이 사라지는 현상. 초전도 상태에서는 도체에 많은 전류가 흘러도 저항에 의한 온도 상승이 거의 없을 뿐 아니라, 이로 인한 전력 손실도 매우 적음. 이 때문에 장시간 강한 자기장을 유지해야 하는 핵융합 장치에서 초전도자석은 필수. 초전도자석은 초전도성을 띄기 위해 극저온 헬륨을 이용하여 초전도 전이온도(–269도) 이하로 온도를 낮춰야 하며, 운전 안정성을 위해 –268도에서 운전됨. 


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