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ITER

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201904.10

ITER 초전도자석의 힘 완성하는 ‘컨버터’

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/iter/921

ITER 초전도자석의 힘 완성하는 컨버터

3월 다원시스에서 프랑스 현지로 VS1 컨버터 초도품 출발

지난해 출하한 변압기와 짝 이뤄 ITER 전력공급 담당

 

국제핵융합실험로 ITER의 건설 공정률이 60%를 넘으며 2025년 첫 플라즈마를 밝힐 인류의 인공태양이 점점 가시화되고 있습니다. 거대 핵융합로에 숨을 불어넣을 7개 회원국의 조달품도 속속 ITER 현지로 향하고 있는데요. 지난 326. 경기도 안산에 위치한 특수전원장치 전문기업 다원시스에서도 VS1 컨버터 초도품이 프랑스를 향해 첫발을 뗐습니다.

  

 

ITER 핵융합로 최적의 전압을 찾을 변압기가 프랑스로 출발한 지 꼭 1년만입니다. 우리나라는 변압기와 짝을 이뤄 ITER 초전도자석에 전력을 공급하는 핵심장치인 컨버터(ad/dc converter)의 조달을 맡고 있는데요. 48ITER 초전도자석의 힘을 완성하는 컨버터의 의미를 국가핵융합연구소 ITER한국사업단 전원장치기술팀 최정완 박사와 다원시스 권희섭 차장과 함께 짚어보았습니다.

 

바로가기 인공태양을 위한 최적의 전압을 찾아서

 

 

   다원시스 직원들이 ITER로 향하는 VS1컨버터의 출발을 응원하고 있다

국가핵융합연구소와 다원시스 직원들이 ITER로 향하는 VS1 컨버터 초도품의 출발을 응원하고 있다

 


 

컨버터가 교류를 직류로 바꾸는 사연은?

 

    

초등학교 과학 시간, 못과 구리선으로 전자석을 만들었던 기억을 되살려 볼까요? 쇠못에 구리선을 감아 전류를 흘리면 자기장이 발생하는 것처럼 토카막 속 초전도자석에 전류가 흐르면 자기장이 형성되고 플라즈마를 가두고 조절하는 힘이 발생합니다.”  

 

최정완 박사가 어린 시절 누구나 교과서에서 봤을 과학실험을 상기시키며 낯선 컨버터의 세계로 안내합니다. 컨버터의 핵심 역할은 전류를 교류(ac)에서 직류(dc)로 바꾸어 전기회로에 공급하는 것입니다. 소형가전은 물론 전기를 이용하는 거대장치에도 컨버터는 필수입니다. 전기자동차와 고속철도, 지하철도 예외는 아닙니다. ITER 핵융합로도 마찬가지입니다 

 

평소 무심히 지나쳤겠지만 휴대폰 충전기나 노트북 어댑터의 제품 상세설명을 자세히 보면 직류전원장치라고 쓰여 있습니다. 다만 휴대폰 충전기가 변환하고 전달하는 전력이 대략 10 VA 내외라면, ITER 토카막이 다루는 전력은 무려 2.2 GVA(기가 볼트암페어)에 달하는데요. 이는 KSTAR가 요구하는 0.33 GVA보다도 6배나 높은 수치입니다 

 

그렇다면 컨버터는 왜 교류를 직류로 바꾸는 걸까요? 정답은 효율성과 안정성에 있습니다. 발전소에서 생산한 전기를 각 가정과 산업체로 전송할 때는 교류가 유리합니다. 하지만 전자제품의 회로는 직류를 이용할 때 효율성과 안정성이 높기 때문입니다 

 

소형가전과 대형장치에 들어가는 컨버터의 기본 개념은 같지만 인가하는 전류의 양과 비례해 그 규모도, 설계와 제작에 필요한 기술 수준도 달라집니다. 휴대폰 충전기는 지우개 크기에 불과하지만, ITER 컨버터는 가로 157 m, 세로 50 m 크기의 전용 빌딩을 2동이나 세워야 할 정도로 그 규모가 압도적입니다. 비교적 중간 크기인 VS1 한 대만 해도 가로 10.2 m, 세로 7.3 m, 높이는 6.3 m에 달합니다.

 

 

 

        

ITER 시설 내 컨버터 빌딩(좌)과 빌딩 내부 구성(우). 태극기 부분을 우리나라가 조달한다 


 

컨버터도 맞춤형 시대, ITER 최적의 전류 공급 

 

ITER 한국사업단과 다원시스는 ITER에 필요한 총 32대의 컨버터 중 18대의 조달을 책임집니다. 컨버터는 종류에 따라 크기와 성능도 달라지는데요. 우리나라는 TF 컨버터 1, CS 컨버터 6, VS1 컨버터 2, CCU/L 컨버터 6, CCS 컨버터 3대 등 5종류의 컨버터를 제작해야 합니다. 최정완 박사는 ITER 컨버터의 종류와 역할을 다음과 같이 설명했습니다.

 

 

 

ITER 초전도자석 전원공급장치의 주요 구성도. 각각의 전류용량과 전압조건을 맞춘 컨버터가 요구된다

 


 

“ITER 토카막은 TF(Toroidal Field), CS(Central Solenoid), PF(Poloidal Field), CC(Correction Coil)라 불리는 4종류의 초전도자석 48개가 결합해 거대한 도넛 모양을 형성합니다. 이들 초전도자석이 만든 자기장은 핵융합로 내에서 작용하여 플라즈마를 운전하고 제어하는 힘을 갖게 되는데요. 각각의 초전도자석이 목표한 특성을 구현하려면 초전도자석들이 요구하는 전류용량, 전압조건에 맞게 제작된 맞춤형 컨버터가 필요합니다.”

  

 

더 자세히 살펴보면 TF 컨버터는 자장으로 플라즈마를 가둬주고, CS 컨버터는 핵융합 플라즈마의 생성과 가열을 하고, PF 컨버터는 플라즈마 형상과 위치의 안정성을 유지합니다. CC 컨버터는 자기장 오차를 보정합니다. PF 컨버터와의 협조 운전을 통해 상/하위 PF 자석 간의 전류 차이를 조절하여 플라즈마의 수직 안정성을 향상시키는 VS1 컨버터가 추가됩니다.  

 

 

   

컨버터 공정수락시험을 마친 ITER 국제기구, 국가핵융합연구소, 효성중공업(변압기) 그리고 다원시스(컨버터) 관계자들

 


  

일촉즉발 상황에서도 초전도자석은 살아야! 

 

작은 전류 값에서는 고려하지 않아도 되는 힘의 관계가 대형장치인 ITER에서는 매우 중요한 조건이 됐고, 컨버터의 성능은 향상되고 제어기술도 정교해져야 했습니다. 컨버터가 초전도자석에 고전류, 대전압을 효율적으로 전달하고 플라즈마를 안전하게 제어하고 운행하기 위해서는 기계, 전기, 정밀 제어기술 삼박자가 맞아야 합니다 

 

다원시스 권희섭 차장이 꼽은 가장 큰 기술적 도전은 강력한 내외부 충격에도 컨버터가 멈추지 않고 일정 시간 작동하는 사고억제능력(FSC, Fault Suppression Capability) 요건을 맞춘 것입니다. 

 

일반 전원장치는 고장 요인이 발생하면 사고 확장을 억제하고 장치를 보호하기 위해 즉시 보호 동작을 수행합니다. 컴퓨터에 문제가 발생하면 블루스크린이 뜨며 작업을 멈추고 재부팅을 진행해 시스템을 보호하는 것이 대표적 사례인데요. ITER 컨버터는 전기 과부하 등의 사고가 발생해도 곧바로 멈추면 안 됩니다. 플라즈마를 안전하게 제어할 시간을 벌어야 합니다.” 컨버터가 갑자기 멈추면 자기장을 따라 돌던 1억도의 플라즈마가 고삐 풀린 망아지처럼 길을 벗어나 진공 용기, 일차 벽 등 핵심장치에 직접 닿으면서 핵융합로에 치명적인 손상을 입힐 수 있다는 설명입니다 

 

컨버터가 감당해야 할 힘의 위력을 알면 이번 VS1 완성이 얼마나 대단한 결실인지 알 수 있는데요. 컨버터 단락사고 발생 시 중급규모인 VS1 수준에서도 순간적으로 9톤에 달하는 어마어마한 힘이 발생합니다. 이 같은 충격도 VS1은 이겨낼 수 있습니다.

 

 

또 하나의 기술적 도전은 교류를 직류로 바꾸어주는 반도체 스위치인 사이리스터(thyristor)’들의 전류 밸런스를 140% 수준으로 맞춘 것입니다. 전류를 균등하게 흘릴 수 있도록 기술 수준을 확보한 것인데요. 예를 들어 병렬로 연결된 4개의 사이리스터가 10,000 A의 전류를 전달한다면 각각에 2,500 A씩 균일한 전류가 흘러야 균형이 맞습니다. 하지만 한 사이리스터에는 5,000 A, 다른 것들엔 1,000 A 정도가 흘러 균형이 깨지면 편중된 과부하가 발생하고 고장의 원인이 됩니다. 실제 사이리스터의 전류 밸런스 구현이 쉽지 않은 이유는 VS1 1대에만 무려 144개의 사이리스터가 작동하기 때문입니다.

 

ITER 토카막과 주변 장치들의 구성도

 

 

   30배나 더 커진 전자기력닮았지만 같지 않은 KSTARITER

 

 

KSTARITER의 축소판이라고 불리는 만큼 컨버터의 구성에 유사한 부분도 많아 KSTAR의 건설 경험이 큰 도움이 됐지만 작은 차이 하나가 전혀 새로운 도전을 요구하기도 합니다. 최정완 박사의 설명을 통해 그 차이를 알아볼까요? 

 

우선 외형적으로 KSTAR에는 TF, CS(PF), PF 등 세 종류의 컨버터가 장착되었지만 ITER에는 VS1, CC 컨버터가 추가되었습니다. KSTARPF 컨버터는 20~25 kA, TF 컨버터는 40 kA의 전류를 인가하지만, ITER에서는 각각 45~55 kA68 kA를 인가합니다.” 

 

전류의 양만 단순 비교하면 약 1.5~2배 증가했는데요. 전류의 크기에 자기장의 힘이 더해진 전자기력은 30배나 더 커졌습니다. 또한 KSTARTF 전자석 시스템에 저장되는 에너지는 0.6 GJ(기가줄)인 반면 ITER의 경우에는 42 GJ로 전원장치가 감당해야 할 부담은 70배 증가했습니다. 

 

컨버터를 제작하는 소재도 큰 차이를 보입니다. 대표적인 사례로 컨버터가 변환한 직류 전류를 초전도자석까지 보내주는 버스바인데요. 대부분의 전원장치는 전도성이 높은 구리(동)를 이용합니다. KSTAR 버스바 역시 구리 도체를 사용했고요. 하지만 ITER 컨버터의 출력은 구리를 쓰기엔 장치의 중량 및 비용적 부담이 비교적 큰 탓에 ITER는 알루미늄 소재를 택했습니다. 

 

다원시스의 협력업체로 알루미늄 버스바 구조물 제작을 맡은 (주)동양정공 관계자들과 함께

 

 

당시만 해도 국내에는 알루미늄을 이용한 전기장치 관련 기술이 없어 ITER 한국사업단과 다원시스는 국내 대전력 전원장치 제작에서 처음 시도하는 알루미늄의 산화 특성 및 가공, 용접 기술, 제작 절차를 새롭게 마련해야 했는데요. 쉽지 않은 과정이었지만 긴밀하게 협의하고 밀도 있는 커뮤니케이션으로 어려움을 이겨냈습니다.

 

 

VS1 컨버터는 이처럼 다양한 요소기술 개발을 바탕으로 전체 설계 및 제작을 완성한 후 다양한 검사를 통해 ITER가 요구하는 성능이 구현되는지 확인했습니다. 자체 시험, FSC 시험 등을 거쳐 외관검사, 단락시험, 절연시험, 누수 및 압력강하 시험, 경부하 시험, 정격 전류 시험, 사상한 운전, 다이나믹스 운전 등 공장 수준에서의 성능을 확인하는 FAT 시험까지 무사히 통과한 후 비로소 ITER한국사업단과 ITER 국제기구의 승인을 받아 출하가 결정됐습니다.  

 

 

   

공장수락시험 대기 중인 VS1 컨버터(좌)와 CCS 컨버터(우)의 모습

 


 

ITER 인공태양 함께 만드는 자부심 

 

13개 상자에 담겨서 다원시스를 출발한 VS1 컨버터는 지난 330일 부산항에서 프랑스 마르세유 소재의 포스 항을 향한 본격적인 항해를 시작했습니다. VS1 초도품의 실물 제작 기간까지 오랜 시간이 소요된 만큼 앞으로 실제 운전까지 또 다른 관문을 통과해야 할 텐데요. 다원시스 권희섭 차장은 “VS1 초도품 개발과 제작까지 긴 시간이 필요했지만, 그 과정에서 설계와 성능이 검증되었기에 2020년까지 계획된 조달은 순조로울 것이다라고 자신했습니다 

 

ITER 한국사업단과 함께 컨버터 제작을 수행한 다원시스는 창업 초기 1998KSTAR 전원공급장치 개발에 참여해 기술력을 인정받았고, 2011ITER 컨버터 공급업체로 선정되었습니다. 컨버터뿐만 아니라 ITER 초전도자석 전원장치 계통 전체를 통합 제어하는 마스터 컨트롤러를 공급하는 임무까지 맡고 있습니다 

 

VS1 초도품 출하현장에서 만난 ITER 한국사업단과 다원시스 관계자들의 표정은 에너지 문제를 해결할 인공태양제작에 함께한다는 자부심이 가득했습니다. 미래 에너지의 꿈을 실현하기 위해 ITER 한국사업단과 다원시스가 힘을 모았듯 ITER 7개 회원국의 기술과 자원도 속속 모이며 전 세계가 바라는 인류의 인공태양이 완성될 순간이 점차 가까워지고 있습니다

 

   

ITER로 떠나는 VS1 컨버터 초도품

 

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