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KSTAR

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201607.19

핵융합 연료공급 '플랜B'가 뜬다

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/kstar/551

2016 KSTAR 플라즈마 캠페인서 ‘펠렛 인젝션 시스템’ 첫선
중수소 고체화해 플라즈마 심장부로 ‘초당 20발’ 초고속주입 

  

 지난 달 13일 한국의 인공태양 KSTAR가 성공적으로 플라즈마 발생 실험을 재개했다. 올해로 아홉 번째 진행되는 이번 ‘2016 KSTAR 플라즈마 캠페인’은 또 한 번의 세계 최장 운전시간 기록 경신과 함께 핵융합장치 전반의 성능을 획기적으로 향상시킬 갖가지 새로운 도전들로 세계 핵융합 연구계의 큰 주목을 받고 있다. 그중 특히 초미의 관심사가 되고 있는 것이 바로 신개념 플라즈마 연료공급방식 ‘펠렛 인젝션 시스템’이다.       

 

     

냉정과 열정 사이…‘극저온’ 중수소와 ‘초고온’ 플라즈마의 결합


 태양은 수소와 헬륨의 핵융합 반응으로 엄청난 열과 에너지를 쉼 없이 내뿜는다. 핵융합 연구는 이런 태양의 원리를 이용해 값싸고 무한한 에너지원을 개발하려는 것이다. 태양에서는 수소 원자핵들의 핵융합 과정에서 에너지가 발생된다. 하지만 핵융합로에서 인공적으로 핵융합을 만들기 위해서는 연료로 바닷물에서 얻을 수 있는 중수소와 리튬을 통해 얻을 수 있는 삼중수소를 사용한다. 장시간 플라즈마 운전 연구를 중점적으로 추진하는 초전도 핵융합장치 KSTAR의 경우는 중수소만을 이용한 실험을 한다. 
 
 핵융합 연료인 중수소를 핵융합장치 내에 주입하는 방법은 크게 두 가지가 있다. 하나는 가스 형태의 중수소를 직접 주입하는 가스주입(Gas Puff) 방식이다. KSTAR가 지난 여덟 번의 플라즈마 캠페인에서 적용한 방식이다. 하지만 초고온 고성능 플라즈마 상태에 도달하게 되면 D자형 플라즈마의 바깥쪽에 높은 밀도의 벽이 형성돼 가스주입(Gas Puff) 방식으로는 중수소 연료가 플라즈마 중심부까지 도달하지 못해 중심부에는 연료고갈 현상이 나타났다. 기존 가스주입(Gas Puff) 방식으로 중수소를 주입하여 활용할 경우 약 20~30% 정도만 핵융합 연료로 사용되고 나머지는 활용되지 못하였다. 

 

 


 
 올해 새롭게 시도되는 펠렛 인젝션 시스템(Pellet Injection System, PIS)은 이런 연료주입의 한계를 보완하기 위한 방법이다. ‘작은 물질’을 뜻하는 펠렛이란 단어 그대로 기체인 중수소를 고체로 만들어 플라즈마의 중심부까지 총알처럼 빠르게 쏘아주는 것이다. 기체인 중수소를 펠렛으로 고체화하는 방법은 11 K (-265.15 ℃)  내외의 극저온으로 냉각하는 것이다. 이렇게 “슬러시” 상태가 된 중수소는 직경 약 2mm의 원통형으로 만들어진 뒤 내부가 진공상태인 튜브(guide tube)을 통해서 플라즈마 중심부로 약 200m/s의 속도로 빠르게 주입된다. 기존 핵융합장치의 사례를 볼 때, 이러한 펠렛 인젝션 시스템을 통해서 투입되는 중수소의 70~80% 까지 연료로 활용 할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

 

연료공급 새 옵션으로 핵융합 연구 지평 넓혀


 펠렛 인젝션 시스템은 과거에도 다양한 방식으로 많은 핵융합장치에서 활용되어 왔다. 그러나 ITER와 가장 유사한 초전도 토카막 핵융합장치로서는 중국의 이스트(EAST)에 이어 KSTAR에서 세계에서 두 번째로 적용된다. 이번 펠렛 인젝션 시스템은 특히 해당 방식의 기술력 차이를 가름하는 초당 발사되는 펠렛 수(Injection Frequency)에서 뛰어난 경쟁력을 보이고 있다. 현재 KSTAR의 펠렛 인젝션 시스템은 자체 운전을 통해서 최대 초당 20개의 펠렛을 100초 이상 연속으로 주입할 수 있는 성능을 자랑한다. 또한 펠렛 형태 역시 인젝터의 노즐을 교체함으로써 펠렛의 길이 조정이 가능하여 다양한 실험을 시도할 수 있다. 펠렛 인젝션 시스템의 도입으로 기존 플라즈마에서는 볼 수 없었던 새로운 현상이 발생할 것으로 기대되며 관련 연구 분야로의 확대가 가능할 것으로 보인다.

 

 이에 따라 KSTAR는 기존 연료공급방식에 이어 새로운 옵션을 장착함으로써 ‘고성능 플라즈마 장시간 운전’의 목표에 한층 더 가깝게 다가설 수 있게 될 전망이다. 연구팀은 이번 펠렛 인젝션 시스템과 기존 중성입자빔 가열장치(NBI)의 연계로 초고온 플라즈마의 온도와 밀도를 다양하게 제어할 수 있는 가능성이 커짐에 따라 관련 연구에 큰 활력을 불어넣게 될 것으로 기대하고 있다.   

 

 펠렛 인젝션 시스을 도입한 선행기술연구센터 박수환 박사는 2014년도부터 펠렛 인젝션 시스템에 대해 연구하기 시작하여 2016년 도입을 목표로 연구에 매진하였다. 국내에서는 전혀 활용되고 있지 않은 분야였기에 연구하는데 쉽지 않은 길이였다고 한다. 세계적으로 펠렛 인젝션 시스템분야에서 많은 경험과 탁월한 기술력을 자랑하는 러시아 PELIN사와 국내에서는 항공우주 및 핵융합·플라즈마 분야에서 두각을 나타내고 있는 산업체 비츠로테크사와 지속적인 연구협력을 통하여 KSTAR만의 펠렛 인젝션 시스템이 탄생하게 되었다. 펠렛 인젝션 시스템 개발에 참여했던 김홍택 선임기술원 역시 처음에는 관련 경험과 연구기반이 전무하다 보니 앞당겨진 도입 목표시기에 반신반의 했다고 한다. 그러나 당당히 목표 기간 내에 펠렛 인젝션 시스템을 개발하여 완료하고 시운전을 성공적으로 마쳤다.


 박수환 박사는 “도입 첫 해인 올해 목표는 펠렛 인젝션 시스템을 KSTAR 플라즈마 운전에 최적화해서 연료효율을 향상시키는 것”이라며 “향후 핵융합발전 실증화 장치인 K-DEMO와 상용 핵융합발전로의 유력한 연료공급방식이 될 수 있도록 관련기술을 계속 개선해 나가겠다”고 밝혔다.

 

 

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