인공태양, 1억도 20초 운전으로 세계 신기록
인공태양, 1억도 20초 운전으로 세계 신기록
  • 함예솔
  • 승인 2020.11.27 23:55
  • 조회수 3492
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한국의 인공태양 KSTAR가 1억도 초고온 플라즈마를 20초간 유지하는 데 성공하면서 핵융합 연구의 새로운 역사를 쓰는 세계 최고 기록을 달성했습니다. 

  •  KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 

95년부터 07년까지 12년에 걸쳐 국내 기술로 개발된 초전도 핵융합연구장치로써 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 있으며 매년 핵융합 기술 개발을 위한 플라즈마 실험을 수행하고 있습니다. 

  • 플라즈마 

 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째 상태로 우주의 99.9%를 차지하고 있으며 초고온의 플라즈마 상태에서 원자핵으로 된 수소이온은 전기적 반발력을 이기고 핵융합하는 반응이 일어납니다. 핵융합 장치 내에서 핵융합 반응이 일어날 수 있도록 플라즈마를 연속적으로 운전하는 것은 핵융합 기술 개발의 핵심 과제입니다. 

한국핵융합에너지연구원 KSTAR연구센터는 2020년도 KSTAR 플라즈마 실험에서 서울대학교 및 미국 콜롬비아 대학교와 공동연구를 통해 핵융합 핵심 조건인 1억도 초고온 플라즈마를 20초 이상 연속 운전하는 데 성공했습니다. 

KSTAR 진공용기 내부 사진. 출처: 한국핵융합에너지연구원
KSTAR 진공용기 내부 사진. 출처: 한국핵융합에너지연구원

이는 기존 1억도 초고온 플라즈마 운전(이온온도 기준)의 세계 최고 기록이자 19년도 KSTAR의 초고온 플라즈마 운전 기록인 8초를 2배 이상 연장한 성과입니다. KSTAR는 ’18년 실험에서 최초로 플라즈마 이온온도 1억도 달성(유지시간 약 1.5초)에 성공한 이후, 매년 초고온 플라즈마 운전 세계 기록을 경신하고 있습니다. 

플라즈마 실험. 출처: 한국핵융합에너지연구원
플라즈마 실험. 출처: 한국핵융합에너지연구원

초고온, 고밀도 상태인 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지구에서 만들기 위해서는 KSTAR와 같은 핵융합 장치 내부에 연료를 넣고 핵을 구성하는 이온과 전자로 분리된 플라즈마 상태로 만든 후, 이온온도를 1억도 이상 초고온으로 가열하고 유지해야 합니다.

 

그동안 다른 핵융합 장치들은 순간적으로 1억도 이상 초고온 플라즈마를 달성하는 데는 성공했지만, 이를 10초 이상 유지하는 벽을 넘지 못했습니다. 이는 상전도 장치의 운전 한계와 핵융합로 내에 안정적으로 초고온 플라즈마를 장시간 유지할 수 있는 운전기술의 개발이 어려웠기 때문인데요. 참고로 상전도 장치의 운전 한계란 KSTAR와 같은 초전도 자석을 이용한 핵융합 장치와 달리 상전도 구리 자석을 사용한 기존 핵융합 장치는 플라즈마를 가두기 위한 강력한 자기장 형성을 위해 높은 전류를 오랫동안 자석에 흘리게 됩니다. 그러면 저항으로 자석의 과도한 온도상승이 일어나 장시간 연속운전이 어려움을 겪습니다. 

 

KSTAR는 20년도 실험에서 지난해 달성한 차세대 플라즈마 운전모드 중 하나인 내부수송장벽(Internal Transport Barrier, ITB)모드의 성능을 향상시키는 노력을 통해 기존 초고온 플라즈마 운전의 한계를 넘어 장시간 플라즈마를 유지하는 데 성공할 수 있었습니다. 

  •  내부수송장벽(ITB : Internal Transport Barrier)모드 

대표적인 고성능 플라즈마 운전 모드로 알려진 H-모드(고성능 운전모드)는 외부에 에너지 장벽(transport barrier)을 형성함으로써 고온의 플라즈마가 빠져나가는 것을 막아 성능을 기존 L-모드(저성능 운전모드) 보다 2배 이상 높인 것으로 만드는 겁니다. 이와 유사하게, ITB(내부수송장벽, Internal Transport Barrier) 모드는  내부에 플라즈마 장벽을 생성시켜 플라즈마 성능을 H-모드 이상으로 확장시키는 차세대 운전 모드입니다.

한국핵융합연구원 윤시우 KSTAR연구센터장은 "1억도 초고온 플라즈마의 장시간 운전기술은 핵융합에너지 실현을 위한 핵융합 핵심 과제로 이번 KSTAR의 초고온 플라즈마 20초 유지 성과는 장시간 고성능 플라즈마 운전기술 확보를 위한 중요한 전환점이 될 것으로 본다"고 의미를 밝혔습니다.

 

또한 초고온 플라즈마 운전 연구를 함께 수행한 서울대 원자핵공학과 나용수 교수는 "KSTAR 실험을 통해 장시간 초고온 운전에 성공함으로써 핵융합에너지 실현을 위한 핵융합로 운전 기술 개발에 한 발짝 더 나아가게 됐다"고 말헀습니다.

ITER장치건설사진. 출처: 한국핵융합에너지연구원
ITER장치건설사진. 출처: 한국핵융합에너지연구원

지난 8월부터 장치 운전을 시작한 KSTAR는 오는 12월 10일까지 플라즈마 발생 실험을 지속할 계획으로, 고성능 플라즈마 운전 및 플라즈마 붕괴완화 실험 등 국내외 공동연구 실험을 포함해 총 110건의 플라즈마 실험을 수행하게 됩니다. KSTAR연구센터는 이번 초고온 플라즈마 운전 성과뿐 아니라, ITER 관련 연구를 비롯한 핵융합 난제 해결을 위한 다양한 주제의 실험을 남은 실험기간 동안 수행하며 추가적인 연구성과를 달성할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. KSTAR의 최종 운전 목표는 2025년까지 1억도 초고온 플라즈마의 300초 연속운전을 달성하는 겁니다. 이번 연구는 핵융합 연구자들의 올림픽인 'IAEA 핵융합에너지 콘퍼런스(Fusion Energy Conference)'에서 전 세계 핵융합 연구자들에게 공개될 예정입니다. 

  • ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) 

핵융합 선진 7개국(한국, 미국, EU, 러시아, 인도, 중국, 일본)이 초대형 국제협력 R&D 프로젝트를 통하여 공동으로 개발합니다. 건설하는 대용량 핵융합에너지 생산(핵융합 반응에 의한 500MW급의 열출력을 발생)의 가능성을 실증하기 위한 국제핵융합실험로입니다. 

 


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