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201708.23

핵융합 상용화 월계관 쓸 최종 승자는 누구?

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/720

중국 ‘EAST’ 100초 운전 성공 발표에 세계 각국 상용화 전략 관심 집중
핵융합 성공 위해 100m 달리기 보다 철인 3종 경기 임하는 마음 가져야!

 

 중국은 핵융합실험장치 EAST가 지난 7월 3일 고성능 플라즈마 운전(H-모드 : High confinement mode) 상태를 101.2초까지 유지했다고 발표했다. 한국의 KSTAR가 지난해 12월 세계 최초로 플라즈마 유지시간 72초 운전 기록을 세운지 반년 만이다.

 

 연이은 플라즈마 운전 시간 신기록 행진에 친환경 미래에너지 탄생에 대한 기대도 높아지고 있다. 더 이상 핵융합이 미래에너지가 아닌 4차 산업혁명을 함께 할 현실의 에너지가 되어 달라는 시대적 요구도 거세다. ‘EAST’의 플라즈마 운전 100초 성공을 계기로 앞으로 핵융합 상용화까지 남은 과제와 핵융합 상용화의 주인공이 되기 위한 자격을 살펴보았다. 

 

H-모드 101.2초 운전을 기록한 중국의 초전도 핵융합장치 EAST

 

 

상용화 위한 3가지 키워드…‘플라즈마’‧‘장치’‧‘재료’


 핵융합 방식으로 전기에너지를 생산하기 위한 첫 번째 관문을 통과하기 위해서는 플라즈마의 압력(밀도×온도)을 발전소급으로 높여야 한다. 이는 국제핵융합실험로 ‘ITER’가 목표로 하는 연료 효율의 4배를 뛰어넘어야 하는 과제로 운전시간을 300초 이상으로 향상시키는 동시에 고밀도‧초고온 상태의 고성능 플라즈마를 확보해야 한다.

 

 두 번째는 상용발전소 건설에 필요한 장치기술이다. 전문가들은 ITER를 통해 확보된 장치기술 수준이면 핵융합발전소 건설이 가능하다고 말한다. 마지막 관문은 고온고압의 플라즈마를 견딜 수 있는 재료, 나아가 중성자로부터 전기를 전환할 수 있는 재료개발이다.

 

 세계 각국 핵융합 연구진들은 이들 세 가지 도전과제 해결을 위해 ITER를 중심으로 연대하고 협력해 왔다. 다른 한편으로는 자국의 핵융합장치를 통한 기술선점 경쟁도 치열하다. 하나의 목표를 향해 같은 꿈을 꾸지만 난제 해결을 위한 전략은 각기 다르다.

 

 

KSTAR와 EAST는 닮은 꼴?


 초기 유럽과 미국을 중심으로 이론과 기술토대를 마련한 핵융합 연구는 최근 한·중·일 3개국을 중심으로 한 아시아의 젊은 핵융합 장치를 통해 괄목할 만한 연구성과를 보이고 있다. 그 선두에 한국의 KSTAR와 중국의 EAST가 있다. EAST는 중국이 2006년 완공한 핵융합 장치다. 한국의 KSTAR처럼 초전도자석을 이용한 토카막 방식인데다 장치의 크기도 비슷하고 완공 시점도 2년 남짓밖에 차이나지 않아 두 장치의 연구 내용과 성과는 해마다 자연스레 비교가 되곤 했다. 한편 일본은 기존의 토카막 핵융합 장치인 JT-60U를 KSTAR와 같이 초전도자석을 갖춘 40MW 규모의 JT-60SA로 업그레이드하고 있으며, 2019년 첫 플라즈마를 발생시킬 계획을 가지고 있다.

 

한중일 핵융합 연구자들은 서로의 연구성과를 벤치마킹하여 핵융합 경쟁력을 강화하고 있다.

 

KSTAR와 EAST의 주요 특징 비교


성격 다른 두 장치…시작의 차이가 결과의 차이


 KSTAR와 EAST는 겉모습만 비슷할 뿐 장치의 특징과 실험을 통해 달성하고자 하는 지향점이 다르다.

 

 한국은 KSTAR 설계 단계부터 기존 세계 핵융합 장치들이 세운 압력과 온도 기록을 돌파하고 새로운 운전 시나리오를 찾고자 했다. 때문에 ITER 이후 핵융합로 운영까지 염두에 두고 높은 자기장, 가열기술 및 선진시나리오 확보를 목표로 개발을 추진했다. KSTAR에서 완벽하게 상용화를 위한 도전과제를 극복하고 ITER를 통해 확인, 바로 발전소 데모 단계로 넘어간다는 전략이다. 현재 핵융합 발전소 가동에 필요한 온도 1억에 가까운 7천만도까지 도달했으며 H-모드 운전시간 최고 기록은 72초다.

 

 반면 중국의 EAST는 ITER에 건설과 운영에 필요한 성능 확인을 목표로 개발됐다. 때문에 지난 10년 온도와 플라즈마 성능 향상 보다는 플라즈마 장시간 운전을 주요 목표로 고주파가열 방법에 투자를 집중해왔다. EAST의 경우는 설치된 가열장치가 30MW 급으로 KSTAR에 비해 약 3배 정도이다. 2016년 말에는 EAST 내부를 ITER와 동일한 텅스텐 금속으로 교체하고, 가열장치를 추가로 설치하기도 했다.

 

 

EAST 100초 달성에도 세계 최강이라 불리지 못하는 이유는?


 EAST의 플라즈마 운전 100초 돌파는 굉장히 고무적인 성과다. 세계 핵융합계가 이번 소식에 박수를 보내면서도 한편으로 아쉬워하는 이유는 플라즈마의 성능을 좌우하는 압력과 온도가  함께 추구되지 않은 성과이기 때문이다. 핵융합 발전이 가능하려면 원자핵(이온) 온도가 최소 1억도를 돌파해야 하는데 EAST는 2천만도 수준에 머물고 있다.

 

 이는 플라즈마 성능을 보여주는 플라즈마성능지수(BetaN)로 나타난다. EAST는 H-모드 101초 구간에서 1.0을 기록한 반면 KSTAR는 72초 구간에서 2.0을 달성해 EAST 대비 운전시간은 짧았음에도 불구하고 BetaN이 약 2배 정도 높았다.

 

 

 KSTAR가 다른 핵융합 장치들과 비교해 상대적으로 작은 규모에도 선전할 수 있었던 비결은 높은 자기장의 초전도자석으로 건설된 장치의 완벽성에서 찾을 수 있다. 두 장치 모두 초전도자석을 이용하지만 한국의 KSTAR는 플라즈마를 더 정밀하게 가두고 고자기장을 발생하는 초전도자석 ‘Nb3Sn’을 사용했다. 반면 중국은 제작이 용이하지만 저자기장을 발생하는 초전도자석 ‘NbTi’을 택해 운전 성능의 차이가 발생한다. ITER가 한국의 KSTAR를 모델로 토카막 설계를 변경한 이유이기도 하다. 

 

 

 EAST는 앞으로 플라즈마의 성능과 효율 향상을 위한 시스템통합, 가열 및 진단장치, 초전도 자석 등 새로운 과제에 도전해야 한다는 진단이다. 

 

KSTAR는 2017년 최장시간 운전보다 선진 연구로 경쟁력 강화에 나설 계획을 밝힌바 있다.

 

세계 핵융합 비전을 제시하는 KSTAR의 과제 


 2010년 KSTAR는 고성능 플라즈마 운전인 H-모드(High confinement mode)를 세계 최초로 달성한 이래 2011년에는 핵융합 연구의 대표적 난제로 꼽혔던 ‘플라즈마 경계면 불안정 현상(엘름, ELM : Edge-Localized Mode)’을 세계 최초로 완벽하게 제어했다. 또 차세대 핵융합로 운전모드로 주목받는 내부수송장벽(ITB : Internal Transporter Barrier) 운전모드를 초전도 핵융합장치 중 최초로 개발하는 등 핵융합 연구의 미래를 보여줬다. 

 

 KSTAR는 2017년 현재 다른 핵융합 선진국들도 시도하지 않았던 진보적 실험에 집중하여 ITER와 K-DEMO에서 활용할 운전 시나리오를 개발, 경쟁력 강화를 목표로 박차를 가하고 있다.

 

 KSTAR도 해결해야할 과제가 있다. 애초 20~30초 플라즈마 발생을 목표로 설계‧제작된 만큼 300초 이상의 안정적인 플라즈마 발생을 위해 가열용량을 현재의 두 배로 키우는 가열장치 업그레이드가 필요하다. 또 장시간 운전을 위해 진공내벽을 텅스텐으로 교체할 예정이다. 2021년 재정비를 모두 마친 KSTAR는 고성능, 장시간, 운전제어 기술을 모두 갖추고 스스로의 한계를 뛰어넘으려 한다. 나아가 ITER와 K-DEMO의 고성능핵융합로 설계를 위한 운전기술을 확보하여 최고의 핵융합 장치로 자리매김 하리란 기대다.

 

 하나 더, 지금과 같이 기술을 선점하기 위해서는 좋은 실험을 계획하고, 실험결과를 분석하고, 장치를 다룰 좋은 연구자와 엔지니어 확보가 절실하다. 중국이 우리의 10배가 넘는 인력과 예산으로 도전하는 만큼 언젠가 선두자리가 뒤바뀔지 모른다.

 

 

하나의 꿈을 향해 달려가는 아름다운 경쟁자

 

 바야흐로 핵융합 상용화를 향한 시계는 점점 더 빨라지고 있다. 스티브 잡스가 컴퓨터를 뛰어넘어 손안의 스마트폰 혁명을 이끈 것처럼 핵융합도 마지막 신의 한수를 위한 이노베이션이 필요한 때다. 핵융합 연구가 무르익을수록 세계 각국은 자국의 실험과 연구 결과가 ITER 가동은 물론, 미래 핵융합 에너지 상용화에 적용될 수 있도록 주도권 경쟁도 뜨겁다. 하지만 핵융합에서의 경쟁은 승자독식 제로섬게임이 아닌 핵융합 상용화의 꿈을 향해 손잡고 가는 상생의 과정이다. 중국의 H-모드 100초 돌파 소식은 핵융합 상용화를 꿈꾸는 우리 연구자들에게도 청신호이자 자극제다.

 

 KSTAR가 선진연구를 통해 상용화의 길을 앞당길 수 있도록 한여름 태양보다 더 뜨거운 응원을 보낸다.

세계 핵융합 연구자들은 ITER를 중심으로 핵융합 상용화의 꿈을 향해 함께 달려가고 있다.

 

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