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201709.12

한국의 인공태양 KSTAR, ITER 초기 운전을 위한 핵심 기술 확보

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/728

 한국의 인공태양 KSTAR가 우리나라를 비롯하여 전 세계 7개국이 공동 개발하고 있는 국제핵융합실험로(ITER)의 초기 운전 단계 성공을 위한 핵심 기술 개발에 성공했습니다. 지금까지 전 세계의 어떤 장치도 이루지 못했던 성과를 KSTAR가 세계 핵융합 장치 중 최초로 성공하여, 미래 핵융합로 운전에 필요한 핵심 기술을 확보하는데 한 발 앞서게 되었습니다.  

 

한국의 인공태양 초전도핵융합연구장치 KSTAR

 

  핵융합에너지의 상용화 연구를 위하여 국제 공동으로 프랑스 카다라쉬에 건설하고 있는 ITER는 장치 완공 후 본격적인 핵융합 연구에 들어가기 위해 초기 운전단계에서 달성해야 하는 플라즈마 운전 조건들이 있습니다. 플라즈마 모양, 플라즈마 성능, 플라즈마 유지시간, 마지막으로 플라즈마 경계면 불안정성(Edge Localized Mode, ELM)의 제거 등 4가지 조건입니다.  

 

 핵융합연구자들이 이 조건들이 모두 충족되는 상태를 “ITER 기준 운전 시나리오(ITER Baseline Scenario)”라고 부르며 중요한 연구 목표로 생각하는 이유는 바로 ITER 장치의 궁극적인 운전 목표를 달성하기 위해 꼭 필요한 조건들이기 때문입니다.

 

 ITER 장치의 궁극적 운전 목표는 실제 핵융합로를 통한 전력생산 가능성을 공학적으로 검증하는 것입니다. 이를 위해 ITER가 목표로 하는 것은 핵융합 반응을 만들기 위해 플라즈마를 가열하는데 들어가는 에너지 대비 핵융합 반응의 결과물인 핵융합열출력이 10배가 되는 것으로, 흔히 ‘에너지 증폭율(Q) 10’이라는 표현을 쓰고 있습니다.

 

 아무리 좋은 에너지일지라도 경제성이 확보되지 않는다면 상용화가 어렵기 때문에, ITER 장치 수준에서는 에너지 증폭율 10을 얻을 수 있어야 전력 생산이 가능한 수준이 될 것이라 과학자들은 판단하고 있습니다. 이후 실제로 핵융합반응을 통한 전기 생산을 목표로하는 DEMO 장치에서는 에너지 증폭율 30 이상을 달성할 계획을 세우고 있습니다.  

 

KSTAR에 이어 ITER 장치 운영이 무사히 진행되면, ITER의 각 회원국은 ITER에서 얻은 기술력을 바탕으로 DEMO 장치를 건설할 계획이다.

 

 이러한 ITER의 최종목표를 달성하기 위해 초기 운전을 성공적으로 진입하는 것은 무엇보다 중요합니다. 이에 세계 주요 핵융합 장치들은 ITER의 성공적인 초기 운전 달성을 위해, 최적의 운전 조건을 찾기 위한 장치 운전 기술 개발 연구를 활발히 수행해오고 있습니다. 하지만 다른 핵융합 장치들은 ITER 초기 운전에 필요한 4가지 조건 중 ELM제어와 장시간 운전 조건을 충족시키면서 나머지 두 가지 조건을 동시에 충족시키지 못하는 한계를 보여주었습니다.

 

 ELM은 핵융합로 안에서 발생하는 플라즈마의 경계면에서 매우 큰 에너지를 가지고 있는 초고온 플라즈마와 그 바깥쪽의 압력 및 온도차로 인하여 발생하는 불안정 현상을 말합니다. ELM은 플라즈마 가장자리가 갑자기 풍선처럼 부풀어 오르다 터지게 만들어 핵융합로 내부를 손상시키고 플라즈마가 안정적으로 유지되는 것을 방해합니다. 따라서 ELM을 제어하는 일은 핵융합 상용화를 이루기 위해서 꼭 해결해야 할 핵심 난제로, 특히 ITER와 같은 대형 핵융합로에서는 장치의 손상을 막기 위해 반드시 해결해야 하는 과제로 손꼽히고 있습니다. 

 

 지난 2011년 초전도핵융합연구장치 최초로 ELM 현상 제어에 성공하여 주목받았었던 KSTAR 장치는 올해 실험을 통해 ITER에서 요구하는 플라즈마 형상과 성능 조건 등을 모두 충족시키면서도 34초간 ELM을 완벽하게 제어하는 데 성공하였습니다. 기존의 핵융합 장치들이 ITER 운전 조건에서 3~4초에 불과한 매우 짧은 시간 동안 ELM을 제어할 수 있었던 것과 비교하면 KSTAR는 약 10배 정도 기술 능력을 향상시킨 것입니다. 

 

 이는 KSTAR가 ITER와 동일한 초전도자석을 사용하는 전 세계 유일한 핵융합 장치로서 장치 고유의 뛰어난 성능 뿐 아니라, 고성능 플라즈마 운전 세계 기록 달성과 세계 최초 ELM 제어 성공 등 연구 성과를 통해 쌓아 온 국내 연구진들의 높은 플라즈마 제어 기술 역량이 있었기에 가능한 성과였습니다.  

 

KSTAR는 플라즈마 불안정 현상의 일종인 ELM을 34초간 제어하는데 성공하며 세계 최장 기록을 세웠다.

 

 KSTAR연구센터 오영국 부센터장은 “이 같은 핵융합로 운전 기술의 개발은 최적의 핵융합로 운전 조건을 찾기 위한 연구로 향후 ITER 뿐 아니라 핵융합발전소 운영을 위해 반드시 필요한 핵심 기술이다.라고 강조하며, ”이번 운전 성과로 ITER 가동 이전에 개발되어야 하는 핵융합로 운전 기술이 KSTAR에서 더욱 활발히 연구될 것으로 기대한다.“고 밝혔습니다.

 

 더불어 KSTAR는 지난해 세계 신기록이었던 고성능 플라즈마 발생 70초 연속 운전에 이어, 올해에는 고성능 플라즈마 72초 운전을 성공하였으며, 핵융합 반응에 필요한 플라즈마 이온 온도를 7천만 도까지 올리는 데에도 성공하였습니다.

 

 2008년부터 시작되어 올해로 10번째로 진행된 KSTAR의 플라즈마 실험이 우수한 연구 성과와 함께 무사히 마무리된 현재, KSTAR는 새롭게 추가되는 중성입자빔가열장치(NBI-2)의 개발과 설치를 위한 작업이 순조롭게 진행되고 있습니다. 새로운 가열장치 설치가 완료되는 2019년에는 1억도 이상의 플라즈마 발생이 가능해져, KSTAR가 새로운 단계의 핵융합 실험을 진행할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

 

 핵융합(연) 김기만 소장은 “KSTAR는 향후 핵융합로 운전 기술 개발에 필요한 높은 플라즈마 성능과 긴 유지시간을 동시에 달성하는 실험이 가능한 유일한 장치이다.”라며, “장치 성능 향상 작업과 함께 우수연구자 확보로 연구결과 해석 및 분석 분야의 역량을 더하게 되면, 미래 핵융합로 운전에 필요한 핵심 기술 확보에 가장 앞장설 수 있게 될 것이다.”라고 밝혔습니다.

 

 세계 최고 수준의 핵융합 연구 장치 KSTAR와 지난 10년간의 연구를 통해 핵융합 운전 감각을 쌓아 온 KSTAR 연구진들은 기존의 연구 장치들은 이룰 수 없었던 핵융합 연구의 새로운 장을 열어가고 있습니다.

 

 앞으로도 KSTAR가 써내려가는 핵융합 연구의 새로운 역사에 여러분의 관심과 응원을 보내주시길 바랍니다.

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