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201606.29

다시 힘차게 솟구친 한국의 인공태양 - 2016 KSTAR 플라즈마 캠페인

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/kstar/541

 

 

 

한국의 자랑스런 인공태양 KSTAR가 다시 떠올랐다. 2008년 역사적인 첫 가동 이후 세계 최고 기록을 여러번 경신해 온 ‘KSTAR 플라즈마 캠페인이 올해로 9회를 재개됐다. 다른 해보다 일정을 앞당겨 4월부터 가동준비에 들어간 KSTAR는 지난 613일 오전 9, 카운트다운과 함께 다시 플라즈마를 만들기 시작했다. 앞으로 13주간의 대장정을 이어가게 될 2016 KSTAR 플라즈마 캠페인의 이모저모를 살펴보자.

 

 

| 플라즈마샷 ‘14389’로 카운트다운 시작!!

 

숫자 ‘14389’2016KSTAR 캠페인의 첫 번째 플라즈마 실험 번호이다. 지난해까지 14388번의 플라즈마 발생 시험을 수행한 KSTAR는 이제 레이스 초반 워밍업을 끝내고 본격적인 레이스 중반에 들어선 것이다. 지난해 KSTAR는 고성능 플라즈마 유지시간 55초를 달성하며, 세계 최고 기록을 이어갔다. 또한, 핵융합로 핵심기술인 비유도성 전류구동 방식 연구에 집중하여 초전도 자석의 도움없이 100% 비유도 전류구동 플라즈마를 12초간 유지하는데도 성공하였다. 이러한 연구 성과들에 힘입어 KSTAR는 세계 핵융합 연구의 최전방에 서게 되었다. 세계 핵융합 연구자들의 높아지는 관심과 함께 이번 2016년 캠페인을 시작한 KSTAR 앞에는 또 어떤 새로운 도전들이 준비되어 있을까.

 

지난해 캠페인을 마친 후 KSTAR2016년 플라즈마 캠페인 시작 전까지 다양한 장치 성능 향상 작업을 진행하며 새로운 도전을 위한 준비를 마쳤다. 무엇보다 연속운전이 가능한 ECH(전자공명가열)장치를 신규 개발·설치하고 최근 300초까지 시운전에 성공하면서 KSTAR에 새로운 날개를 달아주었다. 지난해까지 활용한 ECH 장치는 ITER용으로 개발된 것으로 연속 운전이 50초 까지만 가능하였기에, 장시간 플라즈마 운전을 달성하는 데에는 한계가 있었다. 또한 KSTAR 장치 내부를 진공상태로 만들기 위한 극저온 진공펌프가 1종이 추가 되었으며, 플라즈마 실험으로 뜨거워진 KSTAR 내부의 플라즈마대면장치(PFC)를 신속하게 식힐 수 있는 신형 냉각수 설비도 테스트를 시작한다. 플라즈마 중심부까지 핵융합 연료인 고체 상태의 중수소를 주입시킬 수 있는 펠렛 인젝션 시스템도 설치되어 금년 실험에 처음 적용된다.

 

 

'2016 플라즈마 실험을 준비하는 KSTAR의 비밀병기 세가지'

    

이러한 장치 성능 향상 노력으로 한 단계 더 발전한 KSTAR는 금년 플라즈마 캠페인 기간 동안 총 110여개의 실험을 수행하게 된다. KSTAR가 목표한 고유 미션을 위한 실험 뿐 아니라. 국내외 핵융합연구자들의 KSTAR를 활용한 실험 제안을 받아 최종 선정된 것들이다. KSTAR가 세계 최고 수준의 연구성과를 내고 있는 까닭에 국내는 물론 해외에서도 실험 참여를 위한 경쟁도 갈수록 높아지고 있다. KSTAR13주로 예정된 캠페인 기간 중 선정된 실험 계획을 바탕으로 매일 30여 차례씩, 2천번 정도의 플라즈마 발생실험을 수행할 예정이다.

 

 

 

| 세계 핵융합 연구의 페이스메이커 KSTAR

 

매년 KSTAR 캠페인 결과에서도 드러나듯 가장 주목받는 실험 계획은 고성능 플라즈마 발생실험일 것이다. 핵융합장치가 인공태양으로서 제 기능을 발휘하기 위해서는 고성능플라즈마장시간발생시켜야 한다. KSTAR는 현재 이 두 가지 조건을 동시에 충족시킬 수 있는 세계 유일의 핵융합장치다. 고성능 플라즈마의 장시간 운전기술 확보는 KSTAR에게 부여된 고유 미션이기도 하다.

 

매년 끊임없이 진화를 거듭해온 KSTAR는 올해도 역시 기록경신을 기다리는 세계 핵융합 연구계의 기대를 한 몸에 받고 있다. 지난해 고성능 플라즈마 55초 달성으로 세계 최고의 정점에 올라 있는 KSTAR가 매년 새로운 도전을 이어가는 것은 실은 100m 달리기 선수에게 해마다 1초씩 기록을 단축하라는 것과 마찬가지일 만큼 쉽지 않은 일이다.

 

하지만 KSTAR연구자들은 금년에는 KSTAR 장치 성능 향상을 바탕으로 고성능 플라즈마 발생 기록을 작년보다 큰 폭으로 갱신할 수 있을 것으로 보고 있다. 무엇보다 KSTAR의 새로운 동력원 될 신규 ECH가열장치의 설치로 고성능 플라즈마의 발생 시간을 100초 가까이 늘릴 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또한 지난해 실험 결과를 바탕으로 개선된 플라즈마 발생 시나리오 역시 장치 최적화 작업과 함께 장시간 고성능 플라즈마 달성의 기반이 될 것으로 보고 있다.

 

 

    KSTAR 플라즈마 가열장치 300초 운전 성공

 

장시간 플라즈마 운전 뿐 아니라 2016년 캠페인 기간 중 진행될 각종 연구와 측정도 목표도 크게 높아질 것으로 기대하고 있다. 지난해 전 세계 초전도 토카막 중 세계 최초로 측정에 성공한 플라즈마 전류 1차원적 분포 측정은 올해 톰슨산란측정장치와 ECE(플라즈마 전자 사이클로트론 방사광 측정기) 등을 활용해 더욱 정밀한 데이터를 얻는 데 집중하고 있다. 또한 플라즈마 성능에 큰 영향을 미치는 ‘3차원 자기장연구도 한 차원 더 심화된다. 초당 수만 번을 회전하는 플라즈마의 고속회전 성질과 플라즈마 발생의 상관관계도 규명할 계획이다.

 

KSTAR는 플라즈마의 해석을 어렵게 만드는 자기장 오차가 극히 적은 뛰어난 장치로도 유명하다. 올해 캠페인에서는 이런 장점을 역이용하는 연구도 진행된다. 없던 오차를 일부러 추가 입력해 플라즈마에 대한 새로운 해석을 얻고자 하는 것이다. 자기장 오차에 대한 새로운 해석은 핵융합장치가 적은 에너지로도 고성능을 유지하도록 하는 경제성의 열쇠이기 때문에 국제 핵융합 연구계의 관심이 특히 높은 분야다.

모든 길은 로마로 통한다. 2016 KSTAR 플라즈마 캠페인을 통해 진행되는 모든 연구 역시 ‘KSTAR의 진일보라는 한 가지 목표로 수렴되고 있다. KSTAR가 최종 목표인 고성능 장시간 플라즈마 발생으로 나아가기 위해서는 장치성능 향상 실험과 110여 가지가 넘는 외부연구자들의 다양한 실험주제들이 그물망처럼 촘촘하게 조화를 이뤄야 한다. 금년 KSTAR 실험을 통해 인류는 얼마나 더 핵융합의 꿈에 다가설 수 있을까. KSTAR와 국가핵융합연구소 연구원들의 대장정에 다시 한 번 세계의 시선이 집중되고 있다

 

 

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