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201705.02

한계 모르는 극한 도전, 2017 KSTAR 캠페인 라인업 완료

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/kstar/678

 

국내외 전문가 100명 참여, 80일 간 플라즈마 약 2000번 발생

122 건 실험 통해 ITERK-DEMO 길잡이 될 시나리오 확보

 

 510일 오전 9, 한국의 인공태양 KSTAR2017년 플라즈마 실험을 위한 80일의 대장정을 시작한다. 2008년 첫 플라즈마 발생에 성공한 이래 해마다 세계 최고 운전기록을 경신하며 국제핵융합실험로(ITER)K-DEMO를 향한 도전과제를 제시해 온 KSTAR 플라즈마 캠페인이 올해로 10회를 맞았다. 더 높이 도약하기 위해 잠시 자세를 낮추는 호랑이처럼 2017년 한해 KSTAR는 그동안 집중해 온 최장 시간 운전보다는 세계 핵융합계가 시도하지 않았던 진보적 실험에 집중할 계획이다. 2017KSTAR가 써내려갈 도전과 도약의 역사를 미리 만나보자.

    

  

2017 KSTAR 캠페인 목표와 일정

 

 

3월부터 캠페인 준비, 상용화 위한 운전 시나리오 개발 박차

지난 9년 간 KSTAR 운전의 괄목할 만한 성과는 초전도핵융합장치의 특성을 살린 고성능장시간 플라즈마 운전의 기록갱신이었다. 2016년 캠페인에서는 고성능 플라즈마 운전(H-mode: High Confinement mode)70초를 달성하여, 세계 최장 시간 운전 기록을 경신했다. 또한 차세대 핵융합로 운전모드로 주목받는 내부수송장벽(ITB: Internal Transport Barrier) 운전 모드 최초 구현에 성공하며 핵융합발전소 상용화를 앞당길 운전모드 연구 가능성을 보여준 바 있다. 하지만 올해의 실험 방향은 그동안 보여 주었던 수치적인 성능결과의 확대보다는 고성능 플라즈마 운전에 따른 물리적, 공학적 원리 탐구에 집중하는 데에 있다. 특히 차년도에 계획되어 있는 중성입자빔 가열장치의 증설에 따른 1억도의 초고온 플라즈마의 운전기반 확보와 2021년 무렵에 예정된 KSTAR의 본격적인 업그레이드를 통해 세계적으로 시도되지 않았던 진보적이고 안정적인 고성능 플라즈마 운전 시나리오를 확보할 방침이다.

 

금년도 KSTAR 캠페인은 지난해보다 1달 정도 빠른 3월부터 실험 준비 작업에 착수했으며, 현재 플라즈마 실험에 앞서 수많은 장치의 시운전 및 성능 점검을 완료하였다. KSTAR510일부터 7월 말일까지 약 80 일간의 플라즈마 공동실험을 진행할 예정이다. 각각의 실험(, shot)에는 국내외 여러 연구자들이 제안한 다양한 실험주제들 가운데 새롭고 영향력이 큰 주제들을 선정되어 진행된다. 매 실험은 평균 15분 간격으로 하루 35 ~ 40회 진행 되며, 금년도 캠페인 기간 동안 총 2000 번 정도의 플라즈마 발생 실험을 실행할 계획이다. 실험결과는 대용량 고속데이터로 저장되어 많은 연구자들의 다양한 물리연구 및 공학적 분석에 활용된다.

 

좋은 성능의 플라즈마 실험결과를 얻기 위해서는 우수한 실험주제 뿐만 아니라 KSTAR를 구성하고 있는 모든 장치와 설비가 안정적이며, 최고의 성능으로 운전되어야만 한다. 무엇보다도 플라즈마가 발생될 대형진공용기의 고진공 유지와 초전도자석의 극저온 상태를 유지하는 것은 실험의 선결 조건이다. 또한 고출력 가열장치와 대용량 전력설비에서의 노이즈가 플라즈마 진단신호에 침투하는 것을 최대한 차단해야만 한다. 현재 KSTAR는 가열장치, 진단장치, 연료주입장치 등 가동에 필요한 모든 장치들의 점검을 마치고 극저온냉각 운전상태로 대기 중이다. 준비가 탄탄하면 출발이 즐거운 법, 올 한해 122개의 주제로 실험을 진행할 국내외 핵융합 연구자들의 표정은 기대가 가득하다.

 

 

    

KSTAR 캠페인을 위해 준비하고 있는 연구원들 (주제어실 내부)

 

 

한계를 뛰어넘는 선택, 진보적 실험 집중

KSTAR 장치는 기존의 핵융합장치와는 여러 면에서 차별적이고 선진화되어 있다. 우선 초전도 핵융합연구장치이기에 기존의 핵융합장치에서는 구현이 불가능한 고성능 장시간 플라즈마 운전이 가능한 장치이다. 그와 더불어 KSTAR 장치는 세계 최고의 자기장 정밀도, 세계적인 첨단 영상진단장치, 장시간 운전이 가능한 가열장치 등을 갖추고 있다. 지난해 실험을 통해 KSTAR 장치는 기존의 핵융합장치에서의 연구 결과를 재현하는 수준을 탈피하여 새로운 운전모드 탐색의 가능성을 보여 주었으며, 많은 공동연구자와 젊은 연구자들이 KSTAR를 통한 새로운 연구결과를 세계적인 우수 논문지에 발표를 이어가고 있다.

 

 

KSTAR 고성능 H-모드 연속운전 달성과 K-DEMO 운전시나리오로서 차세대 핵융합로 모드 개발을 위한 중장기 전략과 2016년 달성 현황

 

   

 KSTAR의 연구는 핵융합에너지개발 진흥계획의 목표인 핵융합연구역량 강화와, ITER 국제핵융합실험로의 건설 및 운전을 위한 핵심기술 확보, 그리고 ITER 이후 건설될 핵융합로의 운전모드로서 적용 가능한 차세대운전모드의 개발 연구를 중심목표로 하고 있다. 따라서 금년 캠페인 기간 진행될 122건의 실험은 기존 해외 연구장치를 통해 시도 되어 왔던 실험 결과의 비교 검증 뿐 만 아니라 KSTAR의 특장점을 활용한 극한조건하에서의 플라즈마실험 주제들을 대거 선정하였다. 특히 금년에는 선진 운전시나리오 테스크포스팀(Advanced Operation Scenario Task Force)을 추가로 운영 중이다. 2017년 진행될 실험의 주요특징은 다음의 몇 가지로 살펴볼 수 있다.

    

 

하나. 식지 않는 내벽으로 균질한 플라즈마 생성 : 태양은 열린 우주에서 에너지를 생성하지만 핵융합 장치 내부에서 발생하는 플라즈마는 장치를 가두고 있는 진공용기 내벽과 부딪혀 상호간섭이 발생한다. 이때 고온·고압의 플라즈마와 부딪힌 장치 내벽에서는 수분과 같은 불순물이 튀어나오는데 이들 불순물은 다시 플라즈마를 방해하여 균질한 플라즈마 생산을 방해한다. 이 결과로 지난해의 70초 장시간 실험의 경우 시간이 지날수록 플라즈마의 성능이 점차 떨어졌었다. 올해는 캠페인 기간 동안 내벽을 150로 유지해 불순물이 사전에 제거되는지를 확인하고자 한다.

 

. 펠렛 인젝션 시스템과 헬리콘 전류구동 장치 등 새로 도입된 실험 도구의 적용 : KSTAR의 플라즈마 성능이 점차 고온 고밀도 상태로 발전함에 따라 플라즈마 중심부까지의 연료주입과 전류유지 기법의 진화가 요구되어진다. 이를 위해 지난해까지 고체중수소연료 주입장치인 펠릿인젝션 시스템 (PIS : Pellet Injection System)’ 과 신개념의 헬리콘전류구동장치(Helicon Current Driving System)를 설치하고 시운전 하였다. 금년에는 이 시스템들을 플라즈마 실험에 적용함으로서 고온 고밀도 플라즈마에서의 효과적인 밀도 및 전류제어 기법 등을 개발하고자 한다.

 

. 자기장 세기 낮춰 차세대 운전모드 특성 분석과 불안정성 연구 선도 : 핵융합 플라즈마 운전의 가장 중요한 미션은 제한된 자기장의 세기 범위 안에서 최대한 높은 플라즈마 온도(1억도 이상)와 밀도 상태 (1 x 1020 /m3)로 플라즈마를 장시간 밀폐하기 위한 기술 확보라고 할 수 있다. 플라즈마를 가두고 있는 자기장의 압력 크기에 비해 바깥으로 팽창하고자 하는 플라즈마의 압력의 비율(플라즈마 베타, beta)이 클수록 경제성 있는 핵융합로의 가능성이 커진다. 하지만 플라즈마의 붕괴를 유도하는 불안정성도 함께 커짐에 따라 장시간 운전이 어려워진다는 단점이 있다. 따라서 차세대핵융합로 운전모드의 핵심은 높은 플라즈마 베타에서도 안정적인 운전조건을 찾는 것이라고 할 수 있다.

2016년 실험결과 KSTAR는 기존의 핵융합장치와 다르게 별도의 자장 보정없이 차세대운전모드 운전 조건 달성이 가능함을 확인하였다. 이는 KSTAR 장치가 기존의 핵융합장치에 비해 자기장의 정밀도가 약 10배 정도 탁월한 것과 관련이 있을 것으로 보고, 2017년에는 운전 자기장의 세기를 아주 낮추는 방법으로 실험을 진행하게 된다. 또한 고성능 운전모드와 차세대 운전모드의 생성 메카니즘 등에 대한 물리적, 정량적 연구를 집중함으로써, ‘18년에 설치운영 될 중성입자 가열장치(NBI-2)의 가동에 따른 1억도 영역의 초고온 플라즈마에 적용 가능한 차세대 운전모드의 개발을 계속하고자 한다.

 

, 국제공동연구의 패러다임 전화 : 2017 KSTAR 캠페인을 기다린 건 국내 연구자뿐만이 아니다. 122건의 실험 중 1/3은 국제 공동연구로 진행된다. 초기에는 핵융합 선진국에 협조를 요청하고, 우리가 배워가는 형식이었지만 이제는 대등한 연구파트너로서 해외 전문가들을 캠페인에 참여시켜 KSTAR의 우수성을 직접 판단하도록 하는 전략이다. 일례로 지난해 실험에는 ITER 연구진들이 직접 KSTAR 캠페인에 참여했으며, 국내외 공동연구자들이 KSTAR를 통해 핵융합 난제 중 하나인 플라즈마 경제면 불안정 현상 즉 ELM(Edge Localized Mode)현상에 대한 세계적인 연구를 이끌어 가고 있다. 특히 ELM의 터짐 현상의 원인을 새롭게 측정 분석한 국내 포스텍의 연구자들과 ELM 터짐을 억제하기 위한 이론적 예측모델을 제시한 미국 PPPL 연구소의 공동연구자 등이 세계적인 주목을 받았다.

 

2017 KSTAR 4월 운전 계획

    

  

2021년 더욱 강력해지는 KSTAR, 새로운 도전 향한 응축의 2017

핵융합 기술 선점을 위한 세계 각국의 경쟁이 치열하다. 특히 이웃나라 중국과 일본의 추격과 견제가 만만치 않다. 중국은 EAST 초전도핵융합장치의 운전과 더불어 많은 젊은 과학자를 전략적으로 양성하여 ITER 운영과 핵융합실험로 개발을 선도하겠다는 전략이며, 일본은 탄탄한 시니어 연구진을 중심으로 유럽팀과의 공동으로 건설 중인 JT60SA 장치를 완공하여 기술우위를 점령하겠다는 전략이다.

 

우리나라는 KSTAR 장비 업그레이드와 기술 선점으로 경쟁력 강화에 나섰다. 애초 KSTAR20~30초 플라즈마 발생을 목표로 설계제작된 만큼 300초 이상의 안정적인 플라즈마 발생을 위해 고온 내벽 재료인 디버터를 업그레이드하고 가열 용량을 현재보다 두 배 더 향상시킬 계획이다. 올해 2017년 캠페인이 종료되면 9월부터 두 번째 가열장치인 NBI-설치가 진행된다.

 

“KSTAR는 지난 9년 캠페인을 통해 핵융합 발전의 본질에 다가섰습니다. 세계 경쟁에서 앞서나갈 무기는 선행연구를 통해 이슈와 기술을 선점하고 비전을 제시하는 것입니다.”

 

KSTAR연구센터 오영국 부센터장은 한번을 실험하더라도 의미 있는 결과를 찾는 것이 중요하다올해는 핵융합의 원리를 깊이 있게 확인하여 1억도의 초고온 플라즈마 운전을 위해 2018년부터 새롭게 업그레이드 될 가열장치 증설과 2021년 무렵 예정인 고온 내벽재료인 디버터의 업그레이드를 통해, 1억도 영역의 고성능 초고온 플라즈마의 300초 운전 결실을 맺을 수 있는 기반을 다지겠다." 고 캠페인 추진 방향을 설명했다.

 

 

KSTAR 주제어실 앞에서 설명중인 KSTAR연구센터 오영국 부센터장

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