플라즈마 불안전성 제거기술 세계 첫 확보…“새로운 단계 핵융합실험 진행 가능”

미래 에너지를 책임질 ‘인공태양’ 개발의 꿈이 머지 않아 보인다.

초전도핵융합장치(KSTAR)가 국제 공동으로 개발하고 있는 국제핵융합실험로(ITER)의 초기 운전 단계 성공을 위한 핵심 기술 개발에 성공했기 때문이다.  

한국의 인공태양, 초전도핵융합연구장치 KSTAR는 우리의 기술력으로 완성한 세계 최고의 핵융합연구장치다.

핵융합에너지는 원자핵이 결합할 때 발생하는 에너지.

핵융합 상용화를 위해 연구되는 다양한 장치가 존재하지만, KSTAR는 그 중 상용화 가능성이 가장 높다고 평가되는 도넛 모양 장치인 ‘토카막’ 방식을 채택해 제작됐다.

이에 따라 KSTAR 장치는 전 세계 핵융합연구장치 중 ITER와 가장 유사한 장치로 손꼽히는 만큼, KSTAR는 ITER 장치 가동을 위한 각종 운전 조건의 개념을 선행해보는 가장 적합한 장치로 주목받고 있다.

국가핵융합연구소(이하 핵융합연)는 KSTAR가 세계 핵융합 장치 중 최초로 ITER 기준 운전 조건 하에서 플라즈마 경계영역 불안정 현상(ELM)의 장시간 제어에 성공했다고 12일 밝혔다.

▲ KSTAR 전경. 사진= 국가핵융합연구소.
핵융합에너지 상용화 연구를 위해 국제 공동으로 건설 중인 ITER는 장치 완공 후 본격적인 핵융합 연구에 들어가기 위해 초기 운전단계에서 달성해야 하는 플라즈마 운전 조건들이 있다.
 
플라즈마 모양, 성능, 유지, 시간경계면 불안정성(ELM)의 제거 등 4가지 조건이다.

이를 모두 충족하는 플라즈마 운전인 ‘ITER 기준 운전 시나리오’를 구현할 때, ITER의 운전목표인 에너지 증폭율(Q) 10을 달성할 수 있는 운전기술 확보가 가능해진다.

이에 세계 주요 핵융합 장치들은 ITER의 성공적인 초기 운전 달성을 위해, 최적의 운전 조건을 찾는 장치 운전 기술 개발 연구를 활발히 수행해왔다.

하지만 지금까지 다른 핵융합 장치들은 ITER 초기 운전에 필요한 4가지 조건 중 ELM 제어와 장시간 운전 조건을 다른 2가지 조건과 동시에 충족하지 못하는 한계가 있었다.

ELM은 핵융합로 안에서 태양처럼 핵융합 반응이 일어나는 초고온 플라즈마와 그 바깥쪽의 큰 압력 및 온도차로 인해 발생하는 불안정 현상을 말한다.

ELM은 플라즈마 가장자리를 갑자기 풍선처럼 터지게 만들어 핵융합로 내부를 손상시키고, 플라즈마를 안정적으로 지속하는데 방해가 돼 핵융합 상용화를 이루기 위한 핵심 난제로 꼽힌다. 특히 ITER와 같은 대형 핵융합로에서는 장치의 손상을 막기 위해 반드시 해결해야 하는 과제이다.

핵융합연에 따르면 KSTAR는 올해 플라즈마 실험에서 ITER에서 요구하는 플라즈마 형상과 성능 조건 하에서 34초 간 ELM을 완벽하게 제어하는 데 성공하면서, 핵융합 장치 중 최초로 ITER에 적용되는 운전 조건 4가지를 모두 충족하는 핵융합로 운전 기술을 확보하게 됐다.

기존의 핵융합 장치들이 ITER 운전 조건에서 3~4초에 불과한 짧은 시간에만 ELM을 제어할 수 있었던 것과 비교하면, KSTAR는 10배 정도 ELM 제어 기술 능력을 높이게 된 것이다.

이는 KSTAR가 ITER와 동일한 초전도자석을 사용하는 유일한 핵융합 장치로서 장치 고유의 뛰어난 성능 뿐 아니라, 고성능 플라즈마 운전 세계 기록 달성과 세계 최초 ELM 제어 성공 등 연구 성과를 통해 쌓아 온 국내 연구진들의 높은 플라즈마 제어 기술 역량에 기반 한 것이다.

KSTAR연구센터 오영국 부센터장은 “이 제어 기술은 ITER 뿐만 아니라 핵융합 발전소 운영을 위해 반드시 필요한 핵심 기술”이라며 “이번 성과로 ITER 가동 이전에 개발돼야 하는 운전 기술들이 KSTAR에서 더욱 활발히 연구될 것”이라고 밝혔다.

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