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202003.25

상용화 꿈을 향한 일보전진 ‘KSTAR 1억℃ 플라즈마 8초 운전 성공’

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/kstar/1090

▶ KSTAR연구센터 연구진이 들려주는 2019 캠페인의 이모저모  

 

2019년에도 KSTAR는 ‘더 오래’, ‘더 뜨겁게’ 플라즈마를 달구었습니다. 2008년 첫 플라즈마의 불을 밝힌 이래 해마다 세계 핵융합 연구사에 새로운 기록을 만들어 온 한국의 인공태양 KSTAR. 특히 지난 2018년에는 핵융합 상용 발전의 핵심조건인 1억℃ 초고온 플라즈마 이온 온도 달성해 주목을 받았는데요. 이번 2019년 실험에서는 1억℃ 수준의 초고온 플라즈마 운전 8초의 기록을 발표하며 다시 새로운 한 걸음을 내딛었습니다.
 
그동안 세계 어느 핵융합장치로도 성공하지 못했던 1억℃ 플라즈마 5초 운전의 벽을 넘어선 우리 대한민국의 핵융합연구장치 KSTAR! KSTAR는 다시 한번 초고온 플라즈마 장시간 운전기술 개발에 있어 선도적인 역량을 보여주었습니다. KSTAR연구센터 고성능시나리오연구팀 정진일 팀장과 한상희 박사, 한현선 박사와 함께 2019 KSTAR 캠페인의 의미, 그리고 국제핵융합로 ITER를 넘어 핵융합 실증로 K-DEMO를 향한 KSTAR의 도전을 함께 이야기했습니다. 

 

2019 KSTAR 캠페인에서 초고온 플라즈마 장시간 운전을 이끈 KSTAR 연구진. (오른쪽부터 정진일 팀장, 한상희 박사, 한현선 박사) 2019 KSTAR 캠페인에서 초고온 플라즈마 장시간 운전을 이끈 KSTAR 연구진. (오른쪽부터 정진일 팀장, 한상희 박사, 한현선 박사)

 

 

“더 오래 더 뜨겁게! 상용화 열쇠 여는 한국의 인공태양”

 

Q. KSTAR가 세계 핵융합장치 최초로 달성한 1억℃ 초고온 플라즈마의 8초 연속운전의 의미는 무엇인가요??

 

정진일 : 핵융합 반응이 활발히 일어나도록 초고온 플라즈마를 오랫동안 안정적으로 유지하는 것이 핵융합 상용화를 위한 핵심 기술입니다. KSTAR의 성능을 평가하는 지표는 굉장히 다양해요. 그 중 핵융합 에너지 연구를 응원해 주시는 대중이 플라즈마 최고 온도와 최장 운전 시간에 주목하는 건 이 둘이 일상생활에서 가장 익숙한 물리량이기 때문인데요. 태양의 중심온도인 1,500만℃보다 약 7배나 더 뜨거운 1억℃ 상태의 플라즈마 연속 운전은 KSTAR가 플라즈마 온도, 밀도, 가둠 성능 등 다양한 성능지표를 종합적으로 발전시켜온 결실 중에 하나라고 설명할 수 있습니다. 무엇보다 1억℃ 8초 운전은 KSTAR의 한계가 아닌 가능성을 보여주는 성과입니다. KSTAR는 앞으로 더 긴 시간 운전할 수 있는 능력이 있고, 이는 ITER와 K-DEMO 성공의 토대가 될 것입니다. 

2019 KSTAR 캠페인 성과 관련 그래프 

Q. 플라즈마의 초고온 장시간 운전을 위해 고성능시나리오를 구성하는 다양한 요소가 있을 텐데요.

     세 분은 KSATR 캠페인에서 어떤 역할을 담당하시는지 독자들께 소개해주세요.

 

정진일 : 저희 팀 미션은 고성능시나리오 개발입니다. 해마다 워킹그룹을 운영하며 전 세계 핵융합 연구진을 대상으로 KSTAR 실험주제를 지원받아요. 워킹그룹과 제안된 실험 안을 검토하며 어떻게 하면 보다 선도적인 실험을 진행할 수 있을지 고민하고 실험을 채택합니다.  또 KSTAR를 구성하는 다양한 장치가 어떤 순번, 어떤 출력으로 움직이느냐에 따라서도 운전 결과가 달라져요. 작년 성과를 기반으로 고성능플라즈마 시나리오도 만들고요. 저희 팀 그리고 실험을 제안해 주신 연구자들께서는 최종적으로 많은 장비들이 적당한 타이밍에 사전에 계획한 대로 실행되도록 조율하는 일을 한다고 설명할 수 있는데요. 그 과정에서 손발이 잘 맞아야 한 해 계획이 잘 진행될 수 있습니다.

 

한상희 : 저는 플라즈마 제어 시스템(plasma control system: PCS) 이라는 내부 장치의 총괄을 맡고 있습니다. 캠페인 기간 중 하루 8시간 KSTAR 운전한다고 가정하면, 하루 총 25~30샷의 플라즈마 실험이 진행돼요. 이때 플라즈마가 켜졌다 꺼지기까지 실험 전 미리 계획된 시나리오에 맞춰 어느 타이밍에 무엇을 조절할지 플라즈마 제어 시스템 및 다른 장치에 입력하면 운전 시퀀스에 맞춰 자동 운전을 합니다. 실험자의 요구에 맞춰 직접 실험을 진행해 주시는 내부 인력을 Physics operator (PO) 라고 하는데, 이 PO 직무교육을 주관하고 PCS에 문제가 발생하면 상황을 진단하는 현장 트러블슈팅(troubleshooting)의 역할도 했습니다.

 

한현선 : KSTAR 캠페인이 본격적으로 시작하기 전 KSTAR의 모든 장치가 제대로 성능을 내는지 검증했습니다. 연주회를 앞두고 조율사가 피아노를 최상의 상태로 조율하듯 플라즈마의 밀도, 형상, 길이 등을 조절하며 장치의 성능을 검증하고 최적의 장치 컨디션을 찾습니다. 실험내용과 시스템 운전이 계획된 실험제안서에 맞게 관련 워킹그룹의 스케줄 조율도 맡았죠.

 

Q. KSTAR를 구성하는 다양한 장치가 각각 최고의 기량을 확보하고 하나의 하모니를 완성하는 것이 오케스트라와 흡사합니다.

 

정진일 : 지난 10년 KSTAR 장치는 꾸준히 업그레이드됐고, 플라즈마 성능도 점점 좋아졌어요. 보통 해외 핵융합 장치들이 캠페인을 종료다고 다시 시작하려면 장치의 성능을 끌어올리는 준비기간이 1달~ 1달 반 소요돼요. 하지만 KSTAR는 불과 2주 만에 굉장히 함축적으로 진행합니다. 이는 그동안 KSTAR 운영의 모든 과정이 기록으로 잘 남겨져 있기 때문이기도 하고, 또 지난해 최고 성과가 어쩌다 한번 이뤄진 우연이 아니라 비슷한 결과가 여러 번 도출되며 재현성이 높다는 방증이에요. 그리고 우리나라 사람들이 잘하고요. (웃음)

 

 KSTAR를 구성하는 다양한 장치가 제 역할을 할 때 계획된 실험 결과를 얻을 수 있다. KSTAR를 구성하는 다양한 장치가 제 역할을 할 때 계획된 실험 결과를 얻을 수 있다.

 

 

“백발백중 150샷, 초고온 장시간 운전 능력 확인”

 

Q. 2018년 첫 1억℃, 1.5초 운전 후 1년 만에 운전시간이 5배 이상 늘었습니다. 이 같은 결실을 이끈 배경은 무엇인가요?

 

한상희 : 초고온의 플라즈마가 장시간 유지되려면 기본적으로 가열장치의 성능이 중요합니다. KSTAR는 이미 5년 전 핵심가열장치중 하나인 중성입자빔가열장치(NBI) 실험을 통해 100초 이상 연속운전이 가능함을 입증했고, 이미 연속운전 90초의 기록이 있습니다. 플라즈마는 비록 자기장 안에 갇혀 있지만 살아서 자기장 안팎을 드나드는 생명체와도 같아요. 특히 장시간 운전에는 플라즈마의 가장자리 입자 균형 유지가 중요하므로, 진공용기 내부 크라이오펌프(in-vessel cryopump:IVCP)의 효율을 높이는 것이 중요합니다. KSTAR는 2018년 IVCP를 상하 풀스펙으로 가동하면서 미국 등 다른 나라의 장치들과 비교 가능한 유의미한 결과를 도출하고 있습니다. 마지막으로 자기장을 콘트롤하며 플라즈마의 형상을 유지‧변화시켜 안정적으로 운전하는 기술이 필요해요. KSTAR는 이들 세 가지 주요 요건을 비롯해 다양한 장치적, 물리적 조건을 콘트롤할 수 있는 역량을 갖췄습니다. 

 

Q. 가열장치의 중요성을 말씀하셨는데요. 엔진이 클수록 강력한 추진력을 얻는 로켓과 비슷한 것 같아요.

 

정진일 : 초고온 플라즈마 상태에 도달하기까지 가열장치가 가장 핵심적인 역할을 합니다. 하지만 높은 온도를 지속적으로 유지하기 위해서는 안정적인 운전모드 개발도 중요해요. KSTAR는 고성능 플라즈마 운전을 위한 H-모드를 비롯해 차세대 플라즈마 운전모드인 내부수송장벽(internal transport barrier: ITB) 개발 등을 통해 플라즈마 형상과 밀도를 제어하며 초고온 장시간 운전 기술을 터득했습니다. 2019 캠페인 기간 중 초고온 플라즈마 장시간 운전에 할당된 실험일수는 총 4.5일이었어요. 이 기간에 약 150샷의 실험이 진행됐는데요. 150번 발사해서 딱 한 번만 1억℃, 8초 운전에 성공한 게 아녜요. 비슷한 결과를 얻은 많은 샷 중에 가장 잘 된 것을 고른 것이고, 잘 할 수 있는 방법을 찾았다는 것이 중요하지요. 이제 다음번 더 잘하기 위해 제일 잘 된 샷이 왜 더 잘 됐는지를 분석할 차례입니다.

 

Q. 반면, 실험이 계획대로 진행 안 될 경우도 있나요?

 

정진일 : 핵융합 장치를 구성하는 요소는 굉장히 다양하고 복잡합니다. 실험 계획을 세울 때 모든 장치가 최고 성능으로 작동되리라는 기대가 있어요. 하지만 실제 실험 현장에서는 여러 요인으로 인해 각 장치가 자기 역량의 60%밖에 발휘를 못 하는 경우가 많습니다. 이번 캠페인에서 성과도 우리가 기대했던 장치 성능은 아니었어요. 그 상태에서 목표를 달성하려면 효율과 가열장치의 파워 대비 플라즈마가 가져간 효율을 적절하게 유지하는 게 중요합니다. 우리 연구진은 2018년 실험결과, 그리고 이론적 깊이와 실전 노하우가 쌓였습니다. 여기에 하드웨어가 뒷받침해주면 또 다른 기회가 있을 것이란 희망도 생겼습니다. 

 

Q. 1억℃ 8초 운전 외에 기억에 남는 성과도 많으실 것 같아요.

 

한상희 : 올해는 KSTAR 미션 차원에서 플라즈마 전류 크기를 얼마까지 도달할 수 있을지를 별도로 전담해 실험했는데요, 여러 제약에도 불구하고 플라즈마 전류 1.1 MA (Mega-ampere) 10초를 달성했습니다. 10년을 꾸준히 연구했던 주제가 이 주제에 깊이 관련이 되어 있는데, 손에 잡힐 듯 잡히지 않고 결론이 모자란 채로 내년을 기약해야 했던 연구의 결실을 본 것 같아 좋습니다. 지난 1000샷이 실패했어도 마지막 성공을 통해 맛보는 희열은 말로 다 표현 할 수 없어요. 핵융합연구자로서 믿어온 물리 이론이 실험 결과로 입증될 때가 가장 기쁘죠.

 

2008년 첫 플라즈마를 밝힌 KSTAR는 12번의 캠페인을 통해 지속적으로 세계적인 연구 성과를 만들어 가고 있다. 

2008년 첫 플라즈마를 밝힌 KSTAR는 12번의 캠페인을 통해 지속적으로 세계적인 연구 성과를 만들어 가고 있다.

 

 

“실패는 성공의 어머니다”

 

Q. 2019 캠페인은 KSTAR 장치 점검으로 계획보다 기간이 연장됐는데요. 이로 인해 어렵거나 아쉬웠던 점은 없었나요?

 

정진일 : 2019년 캠페인은 8월 시작해 12월에 마칠 예정이었지만, 중간에 휴지기간이 발생해 2월 중순까지 연장됐어요. 휴지기간을 제하면 실제 시험일자는 당초 계획과 비슷했습니다. KSTAR는 종합장치에요. 가열장치를 비롯해 진공, 냉각, 고전압장치에 이르기까지 큰 구성품만 따져도 30~40개의 장치가 모두 제 성능을 발휘해야 계획된 실험을 진행할 수 있어요. 특히 KSTAR는 매 샷이 -270℃ 초전도 냉각. 1억℃에 달하는 초고온 플라즈마, 이를 발생시키기 위한 초대전력 등 극한의 환경에서 실험이 진행돼 장치가 입는 충격은 상상을 초월해요. 극한으로 치달은 장치가 멈추면 다시 안정화되기까지 계획에 없던 시간이 필요한데요. 이 또한 핵융합 연구의 과정이기에 아쉬움보다 이를 통한 배움이 더 크다고 생각합니다. 다만 한 번의 실험을 위해 오랜 사전 준비와 많은 예산, 그리고 사람들의 열정이 필요합니다. 실패가 자산이 될 수 있도록 후속 노력도 중요함을 잊어서는 안 됩니다. 

 

Q. 실패와 성공, KSTAR의 모든 실험은 핵융합 상용화를 위한 데이터가 되는군요.

 

한현선 : 자동차도 10년 넘게 운전하면 노후로 연비가 떨어지고 소모품을 교체해야 하는 것처럼 KSTAR는 더 체계적인 관리가 필요합니다. KSTAR의 고장 원인도 하나의 중요한 데이터가 돼요. 이렇게 하면 성공한다는 몰라도 이렇게 하면 실패한다는 걸 알게 된 건 굉장히 중요한 수확이에요. 가만히 있다가 고장 나는 게 아니라 어떤 물리 환경, 어떤 운전 조건에서 고장이 나는지, 어떻게 운전을 해야 하는지 이 모든 게 향후 ITER와 K-DEMO 건설과 운영의 반면교사로 삼을 수 있습니다.

 

Q. 실험 중 다양한 돌발 상황을 콘트롤 하는 데에 어려움은 없으셨어요?

 

한상희 : 장치는 언제든 고장나거나 문제가 생길 수 있습니다. 담당 장치에 문제가 생겼을 때, 상황을 판단해 실험을 잠시 중단하고 문제를 살펴봐야 하는지 결정해야 하는 중요한 순간이 종종 있어요. 70명 이상의 연구진, 150개의 눈이 저를 쳐다보는 것이 느껴져 엄청난 부담감도 있는데요. 제가 담당하는 장치의 문제는 길어야 서너 시간의 지연이지만, KSTAR의 다른 장치들은 한번 멈추면 다시 원상회복하는데 길게는 며칠씩 걸리기도 해요. 단 하루 할당된 KSTAR 캠페인을 위해 멀리서 찾아온 해외연구자도 있는데 장치 문제로 실험이 불발되면 다음을 기약하기가 쉽지 않기에 아쉬움이 더 클 거예요. 그럼에도 실험에 임하는 모든 사람들이 전문가이기 때문에, 상황적인 아쉬움은 있지만 장치적으로는 필연적임을 모두 이해하고 있어요. 이 또한 핵융합 연구가 발전해 나가는 과정임을 말이죠. 경험으로부터 시행착오를 직접 겪어 보지 않는다면, 정말 중요한 문제가 뭔지 모르니까요.

 

 캠페인 기간 동안 연구자들의 희노애락이 펼쳐지는 KSTAR 주제어실 캠페인 기간 동안 연구자들의 희노애락이 펼쳐지는 KSTAR 주제어실

 


“KSTAR 비수기는 방학 NO! 농한기 잘 보내야 풍년든다”

 

Q. KSTAR연구센터에는 비수기와 성수기가 있다고 들었어요. 지난 2월 캠페인이 끝난 지금 어떤 일을 진행하세요?

 

한현선 : 캠페인 기간은 KSTAR가 실제 운전하며 실험을 진행하기에 보다 다이나믹해 보여요.  지금처럼 캠페인이 끝난 시간은 눈에 보이지 않지만 다음 캠페인을 준비하며 KSTAR가 더 뜨겁게, 더 오래 운전할 수 있도록 준비하는 기간이라 할 수 있어요. 우선 2019년 운전 조건과 결과를 통계적으로 분석하고 이들 데이터가 얼마나 신뢰성 있는지도 과학적으로 증명하여 내부합의는 물론 국제 학회에서 외국 전문가의 공감대를 얻어야 진짜 성과가 됩니다. 그리고 지난 6개월간 초고온 초저온의 극강의 극한환경에서 운전을 마친 KSTAR 장치를 점검하고, 업그레이드하는 중요한 기간이라고 할 수 있습니다.

 

Q. KSTAR와 함께 고성능플라즈마를 연구해 오신 세 분에게 지난 10년은 어떤 의미였나요?

 

정진일 : 왜 10년 전부터 하던 게 아직도 안됐냐고 물어보시는 분도 있겠지만 10년 전 H-모드 1초 운전에 성공했다면, 지금은 90초 운전이 가능해요. 플라즈마 이온온도도 1000만℃에서 1억℃로 양적 질적 성능을 이뤄냈습니다. 각 파라미터 마다 작게는 5~6배. 크게는 100배가 넘는 진전이 있었어요. 사람으로 말하면 KSTAR도 이제 어른이 됐습니다. 1990년대 설계된 KSTAR는 이러 이러한 성능의 장치로 최종 개발해 이런 실험을 하겠다는 청사진이 있었어요. 그 당시 계획한 여러 목표 중 이미 최종 목표를 완수한 실험들도 있어요. 그리고 당시 계획보다 더 강력하고 도전적인 실험도 진행되고 있고요. 지난 10년 스스로 움직이고 걷는 법을 배웠다면 이제 더 잘 달릴 수 있다는 확신이 있어요.

 

Q. 캠페인 종료는 끝이 아닌 새로운 출발인데요. 지난 소회와 앞으로의 기대를 전한다면요?  

 
한상희 : 앞서 말씀드린 것처럼 캠페인을 마칠 때 대부분 무언가 하나 마음이 허전한 채로 끝나곤 해요. 올해도 100% 될 줄 알았는데 95% 고지에서 멈추었습니다. 그 아쉬움과 가능성이 공존하기에 다음 캠페인은 더욱 도전적인 목표로 다시 시작할 수 있는 것 같아요.

 

한현선 : 2020 캠페인 역시 전 세계 핵융합 연구자들과 함께 약 100개의 도전적 실험을 추진할 계획입니다. 캠페인 일정이 약 50이기에, 하루 2개의 실험이 진행되는 벅찬 일정인데요. 작년에 이루지 못한 성과, 또 올해 도전해야 할 선도적인 실험을 위해 더 완벽하게 준비하겠습니다.

 

Q. 올여름 새롭게 도전할 2020 KSTAR 캠페인의 목표는 무엇인가요?

 

정진일 : KSTAR가 건설됐을 때 정해진 장치의 크기, 주변 장치의 성능 등 태생적 한계가 있습니다. 그 한계에 도달해야 그다음의 단계를 시작할 수 있습니다. 온도, 밀도, 가둠과 같은 고성능플라즈마의 다양한 성능지표 총합이 국제적으로도 인정될 수 있을 만큼 좋은 성능을 계속 키워나가는 것이 목표입니다.

 

 2019 캠페인을 마친 KSTAR는 2020 캠페인을 준비하며 다시 한번 전열을 가다듬고 있다. 2019 캠페인을 마친 KSTAR는 2020 캠페인을 준비하며 다시 한번 전열을 가다듬고 있다.

 

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댓글 1

  • Min-Woo Choi facebook
  • 2020-03-29 15:19
  • 무한한 에너지가 만들어지기만 하면 우리의 삶은 그야말로 눈부시게 발전하겠지요. 인류 발전을 위해 공헌하시는 모습 응원합니다. 

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