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KSTAR

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201612.29

2016년 세계적 KSTAR 실험 성과의 숨은 주역들

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/kstar/626

 H-모드 세계 최장 시간 달성· 최초 ITB-모드 구현도 의미 있는 성과
“개인이 아니라 국가핵융합연구소 모두의 팀워크로 달성”  


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‘한국의 인공태양’으로 불리는 초전도핵융합장치 KSTAR에서는 2016년 눈부신 연구 성과와 실험 결과가 도출됐다. 고성능 플라즈마 운전(H-모드) 70초로 세계 최장 기록을 달성한 데 이어 차세대 플라즈마 운전 모드 연구에서도 괄목할 만한 성장을 올렸다. 이것은 모두 핵융합에너지 상용화에 필요한 핵심 기술로, 핵융합로 건설의 초석이 될 것으로 기대를 모으고 있다. 이러한 눈부신 성과 뒤에는 우리 손으로 핵융합에너지 상용화 시대를 열겠다는 국가핵융합연구소 연구진의 의지와 노력이 있었다. 4명의 KSTAR연구센터 연구자와 함께 2016년 KSTAR의 놀라운 연구 성과, 그리고 성공한 실험의 내용과 의미를 짚어봤다.      
 
<좌담 참석자>
김재현 박사: 플라즈마모델링연구팀(고성능플라즈마물리연구부)
정진일 박사: 플라즈마진단연구팀(가열진단연구부)
전영무 박사: KSTAR제어연구팀(토카막제어연구부)
김현석 박사: 비대칭자기장물리연구팀(고성능플라즈마물리연구부)

 

  (왼쪽부터)김재현, 정진일, 전영무, 김현석 박사.

  

-우선 자신의 연구 분야에서 올 한해 어떤 성과가 있었는지 궁금합니다. 김재현 박사님부터 소개해주시겠어요?   

▲김재현 박사(플라즈마모델링연구팀)=토카막을 핵융합 에너지를 발생시키기 위한 큰 그릇이라고 한다면, 그 한정된 그릇에 최대한 플라즈마를 많이 담는 것이 핵융합에서는 중요한 과제인데요. KSTAR와 같은 토카막 장치에서는 플라즈마를 자기장에 가두는 방식인데, 자기장의 비를 나타내는 q(안전인자) 값을 낮추면 토카막 핵융합 장치의 성능을 최대한 끌어올릴 수 있습니다(김 박사는 자신의 연구 분야를 ‘Low q Discharge’라고 설명했다). 결국 핵융합에너지 상용화로 가기 위해서는 지금보다 q 값을 훨씬 낮춰야 하고요. 올해 q 값을 낮추면서도 플라즈마가 안정된 방향으로 가는 것을 실험으로 확인했습니다.

 

- q 값을 낮춘다는 것이 어떤 의미가 있는지 쉽게 이해가 되지 않는데요.

▲김재현 박사=플라즈마를 가두고 있는 자기장의 q 값을 낮추면 대부분의 토카막 핵융합 장치에서는 플라즈마가 보통 불안정한 쪽으로 가게 됩니다. 그런데 이 불안정한 영역을 지나면 안전한 영역으로 발전해 가거든요. 일종의 문턱 같은 영역이 있는 거죠. 이 문턱을 넘어서면 훨씬 안정적이고 성능이 좋은 플라즈마 영역이 있는데, 이 난관을 돌파하는 것이 너무 어렵기 때문에 보통은 이보다 훨씬 못 미치는 영역을 목표로 잡아요. 그런데 저희가 그 문턱을 넘을 수 있다는 가능성을 확인한 것입니다.

 


<김재현 박사>


-미지의 영역을 처음으로 탐험했다, 이렇게 볼 수 있겠군요. 정진일 박사님도 핵융합에서는 그동안 가보지 않은 분야에서 매우 뜻깊은 연구 성과를 올렸다고요?

▲정진일 박사(플라즈마진단연구팀)=초전도토카막 장치로는 처음으로 ITB(Internal Transport Barrier. 내부수송장벽) 모드로 7초 동안 플라즈마 운전에 성공했습니다. H-모드가 플라즈마의 외벽을 쌓는 방법으로 플라즈마의 운전 성능을 획기적으로 높이는 방식이라면, ITB 모드는 플라즈마 내부에 벽을 쌓아서 운전 성능을 높이는 방식이라고 할 수 있습니다. 이전부터 이러한 ITB 와 관련해 상전도 토카막에서 실험적 성과가 있었는데, 통상 유지시간이 매우 짧고 KSTAR 보다는 몇 배 높은 가열에너지를 요구한다고 알려져 있었습니다. 이것을 초전도 핵융합연구장치에서는 처음으로, 제한적인 가열에너지 용량을 가지고 그것도 7초 동안 구현했다는 점에서는 의미가 있습니다.

 

-ITB 만으로도 H-모드만큼 플라즈마 가둠 성능을 획기적으로 높였다는 것인데요. 핵융합장치에 적용할 수 있는 또 다른 플라즈마 운전 모드를 개발했다고 볼 수 있겠군요.

▲정진일 박사=그렇습니다. H-모드는 플라즈마 외곽에서의 에너지 손실을 막아 기존의 L-모드보다 플라즈마 가둠 성능을 2배 이상으로 높이게 됩니다. 하지만 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM) 등이 발생하면서 불안정해지는 문제가 있어요. ITB 운전모드는 이러한 부분에서 강점을 가지고 있기 때문에 KSTAR에서의 발생 가능성에 대해 지난 수년간 가설로서 정리해 오던 것을, 올해 실험을 통해 입증한 것입니다. 그리고 KSTAR는 H-모드의 불안정 현상을 억제하는 데에도 뛰어난 연구 성과를 가지고 있기 때문에 앞으로는 이러한 운전모드들이 적절히 혼합된 형태의 선도적인 실험들도 가능할 것이라 생각됩니다.

 


<정진일 박사>


-김재현 박사님과 정진일 박사님 모두 새로운 핵융합로 운전 모드의 개발 가능성을 제시했다고 볼 수 있을 것 같습니다. 현재 핵융합에너지 상용화의 핵심 기술은 H-모드라고 할 수 있는데, 여기서도 세계적인 성과를 도출했지요?

▲전영무 박사(KSTAR제어연구팀)=핵융합에너지 상용화를 위해서는 고성능 플라즈마의 연속 운전이 관건인데요. 8년 전 처음 플라즈마 운전을 시작했을 당시로 돌아가 보면, 그때 최초 플라즈마 운전 시간이 불과  0.1~0.2초였습니다. 조금씩 시간을 늘려왔고, 지난해 55초에 이어 올해 70초 운전에 성공한 것인데요. 초전도 핵융합장치로 세계 최장 시간의 H-모드 운전 기록을 세웠다는 점과 더불어, 드디어 ‘초’ 단위에서 ‘분’ 단위로 접어들게 됐다는 점에서도 의미가 크다고 생각합니다.  

 

-KSTAR를 통해 목표로 잡고 있는 시간이 300초입니다. 고성능 플라즈마 운전 70초라는 것이 어떤 의미를 갖나요?

▲전영무 박사= 고성능 플라즈마의 연속운전은 물리적 측면과 공학적 측면이 있습니다. 그동안 여러 핵융합 연구와 실험을 통해 물리적인 이슈들은 어느 정도 파악이 되었고 해법이 도출되고 있지만, 사실 공학적인 측면에서는 해결해야할 난제도 많고 ‘장시간 연속운전’이라는 미개척 영역을 탐구하는 것이기 때문에 새로운 이슈들도 불거지게 됩니다. 초전도 토카막 장치가 고온, 고압, 대전류, 극저온 등 워낙 극한의 조건에서 가동되기 때문에 플라즈마를 포함한 다양한 시스템을 안정적으로 장시간 운용한다는 것이 공학적으로 그렇게 쉬운 문제가 아니거든요. 일단 ‘분’ 단위를 넘겼다는 것은 물리적 불안정성에 따른 플라즈마 운전 제약을 극복함과 더불어 이러한 공학적인 문제를 해결할 수 있다는 가능성을 입증한 것이기 때문에 핵융합에너지 상용화로 가는 여정에서 중대한 의미를 갖는 것이죠. KSTAR에서는 궁극적으로 300초 연속운전을 구현하여, 관련 핵융합로 기반기술을 최종 검증하는 것을 목표로 하고 있습니다.

 

<전영무 박사>


-이렇게 H-모드와 차세대 운전 모드에서 좋은 성과를 내기 위해서는 플라즈마에 대한 분석 연구도 중요할 것 같은데요. 이 분야에서도 상당히 의미 있는 연구 성과가 나왔다고요.

▲김현석 박사(비대칭자기장물리연구팀)=핵융합은 플라즈마 평형, 수송, 안전성 등 크게 세 가지 주제로 나눌 수 있는데요. 플라즈마가 불안정해질 때 이 세 가지를 잘 잡아줘야 핵융합 상용화로 갈 수 있습니다. 제가 맡고 있는 분야는 플라즈마 평형 부분인데요. 자기장 구조가 어떻게 만들어져 있는지 분석하고 해석하는 일입니다. 눈으로 볼 수 없기 때문에 그동안 플라즈마의 내부 구조가 어떻게 되어있는지를 규명하는 것은 꽤 어려운 문제였는데요. 올해 여러 팀에서 실험을 통해 도출한 진단 데이터를 통해 플라즈마 내부 구조를 해석하는 결과를 도출했습니다.

 

-다른 분야에서 연구 성과를 내는데 꽤 유용한 자료가 됐겠군요?

▲김현석 박사=그런 측면도 있지만, 오히려 다른 분야의 연구 성과를 통해 제가 성과를 낸 것이죠. 예를 들어 정 박사님이 수행한 ITB 모드의 실험 데이터를 기반으로 그때의 플라즈마를 해석하고, ITB 모드가 어떻게 가능했는지를 해석한 거죠. 또 첫 번째 플라즈마를 내기 시작했을 때부터 축적된 데이터와 코드가 있었기 때문에 이런 해석 작업이 가능했다고 봅니다. 이와 함께 90~95% 이상 신뢰성도 높일 수 있었고요.

 


<김현석 박사>


-이렇게 박사님들의 얘기를 들어보니 올 한해 정말 분주했을 것 같습니다. 이렇게 단기간 내에 뜻깊은 성과를 낼 수 있었던 이유는 무엇이라고 보십니까?

▲김재현 박사=KSTAR라는 장치가 워낙 정밀도도 뛰어나고 우수한 장치입니다. 사실 제가 연구했던 로우 큐(Low q) 분야의 경우 다른 핵융합 장치에서는 자기장을 조절하기 위해 외부의 도움을 받아야 합니다. 그런데 KSTAR는 기본적으로 정밀도가 뛰어나 외부의 도움을 받지 않고도 실험이 가능해요. 결국 KSTAR는 공격적인 연구와 실험, 안 가본 영역까지 탐험할 수 있는 장치인 거죠.

▲정진일 박사=동시에 팀워크가 중요하다고 봅니다. 제가 진행했던 ITB 연구도 주변에서 도와주는 분들이 많이 있었기 때문에 이렇게 좋은 결과를 도출할 수 있었습니다. 실제 김현석 박사처럼 데이터를 해석해서 활용 가능한 물리적 토대를 제공해주고, 전영무 박사처럼 플라즈마 운전이 가능하도록 시나리오를 짜고, 김재현 박사처럼 플라즈마의 안정성을 도모하는 연구가 함께 어우러져 이런 성과가 나올 수 있었다고 봅니다.

▲김현석 박사=저는 오늘 이 자리에 있는 분들이 자신의 맡은 분야나 성과를 상당히 선별해서 얘기했다고 생각해요. (웃음) 사실 팀은 다르고, 주 전공은 다르지만 다 연결되어 있거든요. 원래는 한 분씩 맡고 있는 분야가 3~4개씩은 됩니다. 진단이 없으면 해석을 할 수 없고, 플라즈마 안정성이나 전류 분포 측정은 고성능 플라즈마 운전으로 가기 위해 꼭 필요한 일이죠.

▲전영무 박사=H-모드 고성능 플라즈마의 장시간 연속운전은 일종의 ‘토카막 장치의 종합 시험판’의 의미를 갖습니다. 기본적인 플라즈마 진단, 해석, 제어도 중요하지만, 극한조건에서의 장시간 운전을 위해 가열장치, 대전력 전원장치, 장치보호시스템 등의 성능최적화 및 시스템 안정화가 필수 조건입니다. 이런 맥락에서 보면 진정한 숨은 주역은 이와 관련한 담당자 분들이지 않을까? 생각합니다. 특히 개인적으로, 플라즈마 가열장치와 관련한 분들의 노고와 높은 성취에 박수를 드리고 싶네요.

 

-갑자기 분위기가 너무 화기애애합니다. (웃음) 이렇게 KSTAR에서 나온 실험 결과가 국제핵융합로(ITER) 완성과 운영에도 큰 영향을 미칠 것 같은데요.    

▲정진일 박사=ITER가 완성되면 당분간은 KSTAR가 그동안 했던 일을 하게 될 것입니다. 물론 축약해서 집중적으로 진행될 테고요. 그런데 앞으로 ITER가 완공 후에 해야 할 실험 가운데 상당수 데이터를 우리가 이미 KSTAR를 통해 확보하고 있으니까 ITER 입장에서는 상당히 큰 도움이 될 것입니다. 만약 앞으로 짧은 시간 내에 고성능 플라즈마 운전 300초를 달성하게 된다면 더 가볍게 시작할 수 있을 겁니다. 만약 우리가 잘 못하고 있으면 ITER도 많이 답답했을 거예요.  

 


<좌담회에 참석한 국가핵융합연구소 박사들>


-아무래도 내년의 주된 목표 역시 고성능 플라즈마 운전 시간을 더 늘리게 되는 것이 되겠죠?

▲전영무 박사=앞서 말씀드린 것처럼 일단 ‘1분’을 넘겼기 때문에, 어느 정도 물리적·공학적 이슈들을 해결했다고 평가할 수 있을 것 같습니다. 따라서 단순히 운전 시간을 추가로 연장하기 위한 노력보다, 추가적인 플라즈마 성능향상을 꾀할 수 있는 새로운 운전모드를 적용하고, 이를 성능약화 없이 장시간 연속운전이 가능하도록 하는 ‘고급운전시나리오’ 개발을 본격적으로 시작할 계획입니다. 김재현 박사님이 말씀하신 ‘Low q’ 운전모드나 정진일 박사님의  ‘ITB’ 모드 등이 아주 훌륭한 시작점이 되겠죠.

 

-끝으로 다른 분들의 2017년 계획도 듣고 싶습니다.

▲김재현 박사=2016년에는 자기장의 q 값을 낮춰 어느 정도 난관을 돌파하면 훨씬 안정적이고 성능도 좋은 영역이 존재한다는 사실을 확인했는데요. 내년에는 그 영역에서 본격적으로 장치도 안정화되면서 성능을 최대한 높이는 실험을 할 예정입니다.

▲정진일 박사=올해 실험을 통해 발견한 사실을 더 구체화하는 작업을 진행하게 될 거고요. KSTAR의 가열용량이 지금보다 2배가 되는 2018년에 거는 기대가 큽니다. 시간이 많이 남지 않았기 때문에 그때 충분히 실험을 진행할 수 있도록 만전을 기해야죠.

▲김현석 박사=플라즈마 해석의 수준을 지금보다 더 높은 수준으로 끌어올리는 것이 일차적인 목표입니다. 또 하나 개인적으로는 KSTAR 장치 전반에 대한 이해도를 더 높여볼 생각입니다. 이를 위해 이 자리에 계신 박사님들을 열심히 따라다니며 배우려고 하는데 받아줄지 모르겠습니다. (웃음) 박사님들에 이어 좋은 연구 성과를 내려면 열심히 공부해야죠.

 

 

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댓글 1

  • 김민수 facebook
  • 2017-04-19 14:30
  • 다들 미쳤어. 도대체 공돌이를 얼마나 갈아넣을 셈이야!!!! ㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋ 화이팅!

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