한국의 인공태양 ‘KSTAR’가 1억도의 초고온 플라즈마를 20초간 유지하는 데 성공했다. 무한 에너지를 창출하는 태양의 ‘핵융합반응’을 지구에서 구현한다는 목표에 성큼 다가선 것이다.

1억도 초고온 플라즈마의 장시간 운전기술은 핵융합에너지 실현을 위한 핵심 과제로, 이번 KSTAR의 초고온 플라즈마 20초 유지 성과는 장시간 고성능 플라즈마 운전기술 확보를 위한 중요한 전환점이 될 것이라는 평가를 받고 있다.

실제로 초고온 플라즈마를 300초간 연속 운전하는 게 가능해지면 이는 곧 24시간 연속운전이 가능해진다는 의미로 받아들여지고 있기 있기 때문이다.

25일 한국핵융합에너지연구원(원장 유석재)에 따르면 ‘KSTAR’는 1억도의 초고온 플라즈마를 유지하는 데 지난해 세웠던 기존 최고 기록 8초를 이번에 2배 이상 연장, 20초가 유지하며 세계 최고 기록을 다시 갈아치웠다.

KSTAR는 우리 기술력으로 완성한 세계 최고의 핵융합연구장치로, 핵융합에너지는 중수소와 삼중수소를 플라즈마 상태로 만든 후 핵융합 반응을 일으켜 생산한다.

▲ 한국의 인공태양 ‘KSTAR’주장치.

핵융합에너지는 온실가스 및 미세먼지를 방출하지 않는 것은 물론, 핵융합반응을 통한 에너지 대량생산이 가능하고 바닷물을 활용하기에 무한한 에너지 자원이라는 특징이 있다.

문제는 플라즈마 이온온도 1억도가 현재 이론상 핵융합 반응이 효과적으로 발생하는 필수 운전조건인데, 여기에 도달하거나 연속적으로 유지하기가 매우 어렵다.

때문에 KSTAR와 같은 핵융합 장치 내부에 연료를 넣고 핵을 구성하는 이온과 전자로 분리된 플라즈마 상태로 만든 후, 이온온도를 1억도 이상 초고온으로 가열하고 유지할 수 있어야 하는 것이다.

다른 나라의 핵융합 장치들은 순간적으로 1억도 이상 초고온 플라즈마를 달성하는 데는 성공했지만, 이를 10초 이상 유지하는 벽을 넘지 못했다.

상전도 구리자석을 이용(우리나라는 초전도자석 이용)한 일본과 유럽의 기존 핵융합 장치는 상전도 장치의 운전한계로 최대 7초 기록을 갖고 있다.
 
중국은 중형 초전도 토카막(EAST)이 1억도에서 약 10초를 달성했다고 발표했으나 이는 이온온도가 아닌 전자온도다.

▲ KSTAR가 24일 1억도 초고온 플라즈마를 20초간 유지하는 데 성공했다.

KSTAR는 지난 2018년 실험에서 최초로 플라즈마 이온온도 1억도를 달성하고 약 1.5초간 유지하는 데 성공한 이후, 올해에는 20초간 운전에 성공하면서 세계 핵융합 연구의 역사를 새로 쓰고 있다.

핵융합연이 KSTAR로 도달하고자 하는 최종 목표는 300초. 다시 말해 1억도에서 300초를 유지하는 것이다.

초고온 플라즈마를 연속운전할 수 있는 모든 물리적 변수가 300초 안에 다 이루어지는데, 300초 연속운전이 가능해지면 이는 곧 24시간 연속운전이 가능해진다는 의미기 때문이다.

KSTAR는 이번 실험에서 지난해 달성한 차세대 플라스마 운전모드 중 하나인 내부수송장벽(ITB) 모드의 성능을 향상시키는 노력을 통해 기존 초고온 플라스마 운전의 한계를 넘어 장시간 플라스마를 유지하는 데 성공할 수 있었다.

핵융합연은 “이번 KSTAR의 성과는 장시간 고성능 플라스마 운전기술 확보를 위한 중요한 전환점이 될 것으로 본다”며 “내년엔 30초, 2023년엔 50초, 2024년엔 100초 달성 후 2025년까지 300초에 도달하기 위해 최선을 다하겠다”고 밝혔다.