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KSTAR

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201710.24

ELM 제어 주역들 이구동성 "KSTAR 시대 열렸다"

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/kstar/743


2017 캠페인서 ITER 초기 운전 조건과 34초 ELM제어 동시 구현
플라즈마 형상이 ELM제어 열쇠…ITER장치에 활용 기대

 

 한국의 인공태양 KSTAR가 세계 핵융합 장치 최초로 국제핵융합실험로(ITER) 초기 운전에 필요한 장시간 플라즈마 경계면 불안전성(ELM‧엘름)제어와 장시간운전, 플라즈마 모양과 성능 등 4가지 조건을 동시에 달성하는 기록을 세웠다. 특히 세계 최장시간인 34초 ELM제어에 성공하자 ITER 국제기구 담당자 Alberto Loarte박사는‘환상적이다(fantastic)’고 평했다. 세계가 인정한 성과 뒤에는 KSTAR를 통해 ITER 운전의 초석을 마련하고 핵융합 상용화의 길을 제시한다는 사명감으로 똘똘 뭉친 국가핵융합연구소 KSTAR연구센터 직원들의 열정과 노력이 있었다. ELM제어 주역들과 함께 2017년 성공의 원천이 된 KSTAR만의 특별함과 앞으로 이루고픈 꿈에 대해 진솔한 이야기를 나누었다.    
 


(왼쪽부터) 전영무 책임연구원, 인용균 책임연구원, 진종국 선임기술원


▲전영무 책임연구원(고성능플라즈마연구부. 고성능시나리오연구팀장) : ELM제어 운전조건 연구 및 최적 운전 시나리오 개발
▲인용균 책임연구원 (3차원자장 물리연구 Task Force leader) : 3차원 자장 물리연구로 플라즈마의 안정성과 수송현상 연구
▲진종국 선임기술원(토카막장치부, 전원전력기술팀) : ELM제어 전원장치와 3차원 코일 시스템 운영

 

 

< ELM 제어를 위한 퍼즐 조각 ‘좋은 플라즈마 형상’>

 

Q. 플라즈마 경계면 불안정현상(ELM)은 핵융합 상용화 연구의 대표적 난제로 꼽힙니다. ELM 현상이란 무엇이고, 왜 중요한가요?

 

▲전영무 : ELM은 핵융합로 안의 초고온 플라즈마 경계면이 바깥쪽의 압력과 전류밀도분포에 따라 불안정하게 연소하는 현상으로 1980년 독일 연구진이 처음 발견했습니다. 플라즈마 가장자리가 풍선처럼 부풀어 오르다 갑자기 터지며 토카막에 충격을 주기에 장치 수명이 단축 되는 것은 물론 플라즈마의 장시간 운전을 방해하기에 꼭 해결해야 할 과제입니다.

 

▲인용균 : ELM 현상은 마치 팥죽이 보글보글 끓을 때 표면에서 기포가 터지며 튀는 현상과 비슷해요. 기포가 터지면 냄비 뚜껑과 주변이 지저분해 지고 사람에게 튀면 화상을 입기도 하죠. 기포가 튀지 않도록 적정 온도를 맞추고 주걱으로 저어주는 것처럼 ELM제어 연구는 고성능 플라즈마의 안정적인 운전 조건을 찾아가는 과정입니다.

 

고성능플라즈마물리연구부 전영무 책임연구원

 

Q. 34초 ELM 제어 성공의 의미는 무엇인가요?

 

▲인용균 : 플라즈마가 상용 발전이 가능한 환경에서 운전될 수 있음을 의미합니다. 다른 핵융합 장치는 보통 3~4초, 길어야 10초 수준으로 ELM을 제어했습니다. 올해 KSTAR 캠페인에서 제어 조건을 찾고 뛰어난 재현성과 안정성도 확인했습니다. 이 방법을 다른 장치에 적용하면 이들 역시 기존보다 좋은 결과를 도출할 수 있으리라 예상합니다.

 

▲전영무 : 세계적으로 최근 2~3년 간 ELM제어 연구는 플라즈마의 전류분포를 이용한 방법으로 진행됐습니다. 플라즈마의 전류분포가 가장자리에서 특별한 조건이 되면, 3차원 자장에 반응해 ELM이 억제되는 방식이었죠. 올해 KSTAR는 전류분포와 함께 플라즈마의 형상이 특별한 조건이 됐을 때 ELM을 억제시킬 수 있음을 확인했습니다.

 

 

Q. 올해 새롭게 발견한 추가 조건에 대해 자세히 말씀해 주세요.

 

▲인용균 : 기존에 알려진 일련의 조건들 외에 플라즈마가 “썸타는”조건, 즉 반응성을 가시화 할 수 있는 조건을 찾았는데요. 바로 플라즈마의 형상입니다. 사람도 가르마를 오른쪽 왼쪽 어느 방향으로 타느냐에 따라 전체적인 이미지가 바뀌듯 플라즈마도 모양에 따라 운전 결과가 달라졌습니다. 과거 KSTAR는 다른 장치보다 월등하게  n = 1은 안정적으로 운전됐지만 n = 2의 결과는 평범했어요. 올해 캠페인 결과 좋은 형상과 3차원 자장의 조합으로 KSTAR에서도 n = 2에서도 ELM 억제가 가능함을 확인했습니다.

 

* 토로이달 모드 번호, n : 플라즈마 운전시 보여지는 비대칭 자장 모양을 일컫는다. 플라즈마가 둥근 도넛 모양의 원형으로 움직이는 모습을 n = 1이라고 한다. 도넛모양이 위아래로 눌려 땅콩모양으로 굴곡져 움직일 경우 n=2. 이보다 더 굴곡진 형상이면 n = 3, 4, 5 등 숫자를 높여 부른다. 

 

KSTAR는 세계 핵융합 연구장치 최초로 ITER 초기운전모드 구현에 성공했다.

 

<태생부터 신의 한수, 장치의 완벽성이 연구성과의 원천>

 

Q. KSTAR는 2011년 처음 ELM제어에 성공한 이래 관련 연구를 선도해 왔는데요. 이처럼 좋은 연구성과를 얻을 수 있었던 비결은 무엇일까요?

 

▲전영무 : 먼저 KSTAR가 갖고 있는 장치적 특징을 말씀드려야 할 것 같아요. KSTAR는 세계에서 유일하게 3열의 ELM 제어코일(3차원 자장코일)을 이용하는 초전도토카막장치에요. 2 열의 코일로 제어하는 다른 핵융합장치에 비해 보다 다양한 자장을 구현할 수 있죠. 또한 고유 오차자기장이 클수록 고성능 플라즈마 운전시에 멈춤 현상이 심해지는데 KSTAR는 고유오차자기장이 매우 작아서 보다 순수하게 플라즈마 반응을 확인하고 다양한 실험결과를 도출할 수 있습니다.

 

▲인용균 : 기존의 핵융합 장치는 보통 자장값의 오차가 10-4인 것에 비해 KSTAR는 10-5에요. 고유오차자장이 장치 내 가장 큰 자장값의 0.001% 에 불과하죠. 이는 일반적으로는 감지하기 어려운 수치지만 핵융합 반응에서는 플라즈마의 움직임을 물리적으로 바꿀 수 있는 수치에요. 거대한 항공모함을 생각해 보세요. 방향 조정키가 0.001%만 틀어져도 목적지에 도착할 수 없는 것을 연상하시면 될 듯 싶네요.

 

 

Q. 장치의 우수성이 플라즈마 실험 결과도 좌우하는 바탕이 되었네요.

 

▲진종국: KSTAR는 설계부터가 신의 한수였다고들 하죠. 3차원 자기장 코일과 전원장치가  다른 핵융합 장치와 달리 진공용기 내부에 있어요. 핵융합 경험이 없었음에도 연구자들은 우리만의 방식으로 전원장치를 구상했고 엔지니어들은 이를 제작했습니다. KSTAR 장치의 우수성을 바탕으로 연구자들이 다양한 실험을 계획하고 진행할 수 있었던 것 같아요.

 

고성능플라즈마물리연구부 인용균 책임연구원

 

Q. 인용균 박사님은 KSTAR 장치의 특별함을 밝히고자 미국에서 한국으로 연구무대를 옮기셨다고요?

 

▲인용균 : 2011년 국제회의에서 오영국 박사님(현 KSTA연구센터 부센터장)이 KSTAR에서 n=1으로 ELM 억제에 성공했다고 발표하셨어요. 당시 제가 연구하던 미국 핵융합 장치인 DⅢ-D의 경우 n=1 으로는 ELM 억제가 불가능했습니다. KSTAR는 뭐가 다르기에 이러한 성과가 가능했나 궁금했죠. 연구자로서 KSTAR의 특성을 파악하고 싶었고, 기회가 되어 2013년 12월 국가핵융합연구소에 합류했습니다. 

 


Q. 올해 캠페인을 통해 이 같은 성과가 가능하리라 예상했었나요?

 

▲전영무 : 사실 기대하고 있었어요. KSTAR는 2011년 첫 ELM제어에 성공한 뒤 잠시 답보상태에 빠지기도 했지만 포기하지 않고 꾸준히 연구한 결과 2016년부터 ELM제어 관련 성과들이 꾸준히 나왔어요. 작년에 이어 올해도 새로운 조건들이 발견됐고, 계속해서 조건들을 찾아가는 중이기 때문에 올해 보다는 내년이, 내년보다는 후년에 더 많은 성과들이 본격적으로 나올 것으로 예상하고 있습니다.

 

 

Q. 2017년 캠페인은 어떻게 진행됐나요?

 

▲인용균 : 캠페인 시작 전 계획 된 큰 밑그림을 바탕으로 중간 중간 실험과정을 수용하면서 굉장히 다이나믹하게 진행됩니다. 캠페인 준비 단계에서 연구진들은 브레인스토밍을 통해 장치의 다양한 목표설정시에 기존 결과를 확장할지, 새로움에 도전할지, 어떤 조건을 더 파고들지 등 실험 아이디어를 모으고 우선순위를 조정합니다. 또 선행실험에서 얻은 결과가 후속실험에 미칠 영향 등 복잡한 변수들을 염두에 두고 영화 시나리오를 짜듯 입체적으로 실험 순서를 구성하죠. 이때 국내 연구자뿐 아니라 해외 연구자들의 공동연구 신청도 받아서 통합된 계획을 구성합니다.

 

▲전영무 : 올해 ELM제어실험은 10일 동안 300샷(shot)이 진행됐어요. 연구원 10명과 엔지니어 10명이 함께 했고요. 한 샷은 짧게는 몇 초에서 길면 70 여초까지 진행되는데 이 짧고도 긴 시간 동안 중요한 정보를 얻기 위해 고도의 집중이 필요합니다.

*샷(shot) : 핵융합 ‘플라즈마 방전’을 일컬으며 계획된 실험 수행단위를 뜻한다.

 

해외 핵융합 장치들의 3~4초대 기록과 비교하였을 때 KSTAR는 10배 정도의 제어 능력을 보여준 것이다.

 

Q. 이처럼 좋은 결과를 얻기 위해서는 장치의 상태유지와 전원공급이 중요하다고요?

 

▲진종국 : ELM억제 실험 시 5000암페어에 달하는 대전류를 500볼트의 전압으로 빠르게 공급해야 하는데요. 전원장치는 물론 자기장 코일을 장시간 동안 운전 하려면 기계적, 열적 문제가 발생하기 마련입니다. 제가 전원장치를 운영할 때 실수를 하면 연구자들이 몇 달에 걸쳐 계획한 샷이 그대로 날아가기에 신경을 많이 쓰죠. 매일 연구자들이 진행하는 실험 내용이 다르기에 그날의 캠페인이 종료되면 기술지원파트 직원들이 다음날 실험 내용에 맞게 장치를 점검하며 연구자들이 원하는 결과가 도출되길 함께 기대합니다.

 


<국제 공동연구 통해 KSTAR 성과 세계화 박차>

 

Q. ITER 초기 운전 조건을 확보한 것으로 평가 받았는데요. 외국의 반응은 어떤가요?

 

▲인용균 :  ITER의 ELM제어 연구총괄담당자 Dr. Alberto Loarte는 판타스틱’하다고 평했어요. 얼마 전 아시아태평양 물리학회에서 만난 중국 EAST 연구자 등도 정말 대단한 성과라고 축하해주었습니다. 독일 ASDEX-Upgrade도 우리와 협력연구를 해보고 싶다는 의견을 전해왔어요. 이번에 찾은 조건으로 올해 11월 미국의 핵융합장치 DIII-D에서 ELM제어 실험을를 수행할 계획입니다. KSTAR에서 찾은 조건들이 다른 장치에서도 통할 때 학문적으로도 검증하게 되는 것이지요.

 

▲전영무 : KSTAR 캠페인이 시작되기 전 이미 ITER를 비롯해 미국 등 해외 연구자들과 실험계획을 세우고 다양한 조건의 실험을 진행했어요. 최근 우리 연구소에서는 한상희 박사의 주도로 KSTAR의 연구결과를 ITER에 적용하기 위해 미국과 공동연구로 ITER표준운전모드 개발을 진행해 왔습니다. 즉, ITER로의 실제적인 적용을 위한 실험검증을 수행하고 있습니다. 이 외에도 해외 연구기관에서 공식적으로 KSTAR와 협업을 원하는 분위기를 다양한 경로를 통해 느끼고 있습니다.   

 

<토카막장치부 진종국 선임기술원>
 


Q. ITER도 KSTAR의 3차원 코일과 전원장치를 주목하고 있다고요?

 

▲진종국 : 세계의 토카막 중 KSTAR의 실험결과는 ITER가 궁금해하는 요소를 가장 잘 알려주고 있습니다. 원래 ITER는 전원장치를 주파수가 낮은 장치로 만들려고 했었는데 KSTAR 성공 이후 3차원 코일 방식을 적극 검토하며 논의하고 있다고 합니다. 

 

 

Q. 연구원들에게 KSTAR는 어떤 존재인가요? 

 

▲전영무 : 핵융합 연구자의 모든 것이라고 말씀드리고 싶어요. 제가 대학에 있을 때만 해도 한국에는 이렇다 할 핵융합장치가 없었어요. 다른 나라 연구자들을 부럽게 만 바라보다가 가장 좋은 최고 성능의 연구장치를 만나 핵융합의 모든 가능성을 확인할 수 있게 됐습니다.

 

▲인용균 : 현존하는 토카막 장치 중 최고죠. 한국이 갖고 있는 흙속의 진주입니다. 가열장치와 진단장치 업그레이드로 그 가치가 더욱 높아지리라 기대합니다. 

 

 

Q. 내년, 후년 더 큰 결과를 기대한다고 하셨는데요. 앞으로 이루고픈 꿈은 무엇인가요?

 

▲전영무 : KSTAR 전체적으로는 내년에는 고성능 운전 시나리오 개발이 주요과제에요. ELM분야에서는 ELM 현상 없이 깨끗한 플라즈마를 보여주는 게 목표이자 꿈이 될 것 같습니다. 이들 결과를 궁극적으로 ITER와 K-DEMO에 적용하고 싶습니다.

 

▲인용균 : KSTAR가 현존하는 최고의 핵융합 장치인 만큼 더 큰 책임감과 사명감을 갖고 다른 장치에서는 구현하지 못하는 연구를 선도적으로 수행하고 싶습니다.

 

▲진종국 : 일상에서 사용하는 자동차처럼 기계장비는 시간이 지날수록 성능이 저하돼 설계 연비와 속도가 나오지 않는데요. 이를 방지하기 위해 KSTAR 전원장치는 플라즈마 실험 전후 부품 하나하나 모두가 새 것 같은 상태로 관리해서 연구자들이 좋은 연구결과를 이끌 수 있도록 기여하고 싶습니다.

 

2017년 KSTAR 성과를 이야기하는 세 사람의 얼굴은 자긍심으로 환한 미소가 빛났다.

 

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댓글 1

  • Moon SunWoo facebook
  • 2017-10-26 20:44
  • 좋은 인터뷰와 쉽게 풀어쓰신 내용 감사합니다.

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