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202006.10

지피지기백전불태, 플라즈마를 잘 알아야 하는 이유

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/kstar/1118

|진단장치로 진단하는 2020년 KSTAR 캠페인 목표

    이관철·조정민·김재현 박사 “진단은 핵융합의 시작”

 

‘한국의 인공태양’으로 불리는 핵융합연구장치 KSTAR가 6월 2일부터 2020년 플라즈마 실험을 위한 장치 운전을 시작했습니다. KSTAR는 지난 2008년 첫 플라즈마를 발생한 이후 매년 세계적 연구성과를 발표하며 핵융합 연구개발의 새로운 역사를 쓰고 있는데요. 2019년 캠페인에서는 전 세계 핵융합장치 최초로 플라즈마 이온 1억℃ 초고온 8초 연속운전에 성공하는 위업을 달성했습니다. 올해 KSTAR의 2020 캠페인은 2025년 최종 운전 목표인 ‘1억도 300초 운전 달성’을 위해 1억도 초고온 플라즈마의 유지시간을 20초까지 늘리는 것에 도전합니다. 또한, 고성능플라즈마 운전(H-모드) 시간 역시 100초까지 늘리는 실험을 통해 핵융합 상용화에 필수적인 장시간 플라즈마 운전 기술 확보에도 나섭니다.

  

이 과정에서 40여 개에 달하는 진단장치의 역할이 무엇보다 중요한데요. 어디로 튈지 모르는 플라즈마를 잘 가두고 제어하기 위해서는 플라즈마의 물리현상을 잘 파악하고 있어야 하기 때문입니다. 핵융합 발전 시 일어날 수 있는 다양한 물리적 변수들에 대해 사전에 대비하여, 더 오래 뜨겁게 핵융합에너지가 타오를 수 있게 해야 하니까요. 상대를 알고 나를 알면 백 번 싸워도 위태롭지 않다는 뜻의 ‘지피지기백전불태(知彼知己百戰不殆)’의 전략처럼 말이죠. 그 전략의 중심에 있는 국가핵융합연구소 KSTAR연구센터 연구진들과 함께 새롭게 KSTAR에 추가된 진단장치를 중심으로 2020년 플라즈마 실험의 의미와 새로운 도전 내용을 살펴봤습니다.

 

 (왼쪽부터) 국가핵융합연구소 KSTAR연구센터 이관철 박사, 김재현 박사, 조정민 박사세 명의 전문가와 함께 한국의 인공태양 ‘KSTAR’의 새로운 진단장치에 대해 이야기를 나누어보았다.

(왼쪽부터) 국가핵융합연구소 KSTAR연구센터 김재현 박사, 조정민 박사, 이관철 박사

  

 

| 병원에 가면 진단부터, 핵융합도 진단부터

  

지난 6월 2일 KSTAR는 모든 장치 점검과 업드레이드 작업을 마치고, 운전을 시작하기 위해 진공용기의 문이 다시 닫혔습니다. 앞으로 2개월 동안 장치 내부의 진공 배기 작업과 초전도 자석 냉각 등의 과정을 거치고, 오는 8월 3일부터 플라즈마 실험을 시작합니다. KSTAR는 캠페인이라 불리는 장치 가동 기간 동안 매년 약 2,000회 정도의 플라즈마 실험을 수행하고, 점검과 정비, 업그레이드 등을 위해 장치 가동을 중단하는 과정을 해마다 반복하고 있는데요. 이러한 KSTAR 캠페인은 지난 2008년 처음 시작해 올해로 13번째를 맞습니다.

 

KSTAR 캠페인을 더 알고 싶다면?

'핵융합에도 나이스 샷이 필요하다? '자세히 보기

 

플라즈마 발생 실험이 시작된 후에도 그렇지만, KSTAR의 진공용기 문이 닫히기 전에도 연구진은 캠페인 준비로 눈코 뜰 새 없이 분주한데요. 그중 새롭게 KSTAR에 설치되어 2020년 실험에 적용되는 진단장치들을 담당하고 있는 연구자들은 더욱 바쁜 시간이었습니다. KSTAR에서 발생하는 플라즈마는 눈으로 볼 수 없기에, KSTAR 내·외부에 장착된 약 40여 개의 진단징치를 통해 진공용기 내부 상태나 플라즈마 발생 과정, 실험 결과 등을 확인할 수 있습니다.

 

각종 운전장치와 진단장치가 장착되어 있는 한국형 초전도핵융합연구장치 KSTAR 각종 운전장치와 진단장치가 장착되어 있는 한국형 초전도핵융합연구장치 KSTAR

 

 

KSTAR연구센터 플라즈마진단연구팀의 이관철 박사는 진단의 중요성을 병원 치료에 비유했습니다. “병원에서 치료를 받으려면 우선 진단부터 하지 않습니까? 우리가 하는 일도 본격적인 치료에 앞서 병원에서 몸 상태를 진단하는 것과 비슷합니다. 먼저 플라즈마를 만들고 플라즈마의 모든 매개 변수를 측정하고 진단하죠. 핵융합 상용화로 가기 위해서는 아직 넘어야 할 산이 많고, 무엇보다 우리는 아직 플라즈마를 100% 알지 못합니다. 플라즈마를 만들고 현상을 분석하고 제어하기 위해서는 진단이 시작이죠.”

  

MHD안정화연구팀의 김재현 박사도 “플라즈마 내부에서 갑자기 비정상적인 상황이 발생하면 에너지가 급격히 빠져나가 장치에 치명적인 손상을 줄 수 있는데 이를 막기 위해서는 진단을 통해 데이터를 확인해야 한다”라며 진단장치의 중요성을 언급했습니다. 플라즈마진단연구팀 조정민 박사는 “핵융합 연구의 목표 중 하나는 핵융합을 통한 에너지의 생산인데, 특정 플라즈마 상황에서 핵융합으로 에너지를 얼마나 생산하고 있는지 알려 주는 것도 진단을 통해서다.”라며 진단의 중요성을 강조했습니다.

  

  

| 세계 핵융합장치에 가장 높은 밀도를 잴 수 있는 가장 짧은 파장대의 분산간섭계

  

KSTAR에서 발생하는 플라즈마의 온도가 높아지고 시간이 길어질수록 더 정밀한 측정과 분석이 이루어져야 합니다. 수천만℃의 플라즈마가 1억℃에 육박하면 이때 발생하는 현상과 해결해야 할 문제도 더 복잡해질 수밖에 없습니다. 그래서 KSTAR도 해마다 캠페인을 반복하면서 진단장치를 업그레이드하고 있는데요. KSTAR가 세계적인 성과를 내는 것은 무엇보다 플라즈마를 발생시키는 장치 자체가 우수하기 때문이지만, 진단장치와 관련 기술이 우수하다는 점도 빼놓을 수 없습니다.

  

특히 올해 KSTAR 캠페인 과정에서 활약상이 기대되는 진단장치는 분산간섭계, SPI(산탄 입자주입장치) 관련 초고속 카메라, 중성자 측정장치 등인데요. 초고온 플라즈마를 장시간 발생시키기 위한 도전에 반드시 필요한 진단장치입니다. 이 가운데 올해 업그레이드된 분산간섭계(Dispersion Interferometer)는 플라즈마 핵융합 반응을 일으키는 입자의 밀도를 측정하는 진단장치입니다. KSTAR에서 발생하는 플라즈마가 점점 고온·고밀도·고성능 플라즈마로 발전하면서 그에 맞춰 시간분해능을 향상시킨 최첨단 분산간섭계로 업그레이드했는데요. 이번에 KSTAR에 장착한 분산간섭계는 시간분해능이 MHz(메가헤르츠) 수준으로 1초에 100만 번 이상의 포인트를 찍을 수 있습니다.

  

이관철 박사의 설명을 들어보겠습니다. “플라즈마 붕괴가 가져오는 피해를 막기 위해서는 상당히 짧은 시간 안에 평소보다 20배 정도 높은 밀도로 끌어올려야 되는데요. 이것은 일반 간섭계로는 도저히 측정할 수 없는 영역이죠. 이러한 상황에 특화해 개발한 것이 바로 분산간섭계입니다. 이 진단장치의 핵심은 파장인데요. 밀도가 20배 정도 높아지면 그만큼 더 짧은 파장을 써야 하죠. 이번에 KSTAR에 장착하는 분산간섭계의 파장은 1µm(마이크로미터)로, 기존에 사용하던 이색간섭계 파장(10µm)의 10분의 1 수준에 불과합니다. 이런 짧은 파장대의 분산간섭계를 사용하는 핵융합 장치는 전 세계에서 KSTAR가 처음입니다.”

  

김재현 박사의 설명을 더 들어볼까요. “핵융합 플라즈마 안에 상당히 큰 에너지를 가둬야 핵융합 반응이 일어날 수 있는데 에너지가 크다는 것은 온도와 밀도가 높다는 것을 의미합니다. 기본적으로 토카막 내부에서 상당히 높은 에너지가 들어 있다가 가끔 비정상적인 상황 때문에 한꺼번에 빠져나오는데, 이때 안전하게 빠져나오는 게 관건입니다. 다시 말해 잘못된 쪽으로 에너지가 흘러가는 경로를 끊어주는 것이 중요한데요. 이때 밀도를 20배 정도 올려야 하는데 밀도가 잘 올라갔는지 여부를 측정하고 진단하는 장치가 바로 분산간섭계입니다.”

 

초고속 카메라로 촬영한 JET 장치의 진공용기 내부.초고속 카메라로 촬영한 JET 장치의 진공용기 내부.

 

 

| 초고속 카메라 통해 플라즈마 붕괴 정밀 분석 

  

이처럼 KSTAR에 최첨단 진단장치를 장착해 실험하는 것은 ITER(국제핵융합실험로)와 관련이 깊습니다. ITER의 플라즈마 붕괴 시험을 미리 KSTAR를 통해 제대로 해보자는 취지입니다. 분산간섭계와 함께 핵융합 상용화의 가장 큰 걸림돌인 플라즈마 붕괴 등 불안정성 문제를 연구하기 위한 진단장치가 또 하나 KSTAR에 장착됩니다. 바로 초고속 카메라인데요. 사실 KSTAR와 같은 핵융합장치는 초고속카메라와 같은 정밀 전자장치가 제대로 작동하기 어려운 극한 환경입니다. 핵융합장치에서 발생하는 중성자나 X-ray 등이 카메라에 치명적인 손상을 주기 때문이죠. 그래서 KSTAR의 초고속 카메라는 잠망경 같은 렌즈 세트와 내시경과 같은 광섬유 다발을 연결해 멀리 떨어진 안전한 곳에서 플라즈마 내부 정보를 얻을 수 있도록 설치되었습니다.

  

“초고속 카메라는 KSTAR 장치에 설치된 2개의 산탄 입자주입장치(SPI)를 활용해 ITER 장치 운영 단계에서 계획하고 있는 플라즈마 붕괴 완화 기술의 실제 효과를 검증하기 위한 진단장치입니다. 작년에는 이 장치가 없어서 SPI가 언제, 어떻게 플라즈마를 터뜨렸는지 확인하지 못하고 타이밍만 포착하는 수준이었습니다. 올해는 초당 1만 프레임으로 플라즈마 내부를 촬영해 어느 순간에 터치하고, 어떻게 뚫고 지나갔는지를 모두 확인할 수 있게 된 것이죠. 플라즈마가 엄청 뜨거우면 내부까지 뚫고 지나가기 전에 녹아버리고, 또 온도나 밀도가 너무 낮으면 플라즈마 속을 그냥 지나쳐 가버리게 됩니다. 초고속 카메라를 통해 이러한 현상을 확실하게 확인하고 실험할 수 있게 된 것이죠.”

 

SPI에 대해 더 알고 싶다면 ☞ 자세히 보기
플라즈마 붕괴 완화 기술 관련 영상 ☞ 바로가기

 

이러한 김재현 박사의 설명처럼 KSTAR는 핵융합로의 손상을 막고 안정적인 운영을 가능하게 하는 플라즈마 붕괴 완화 기술을 ITER 장치와 같은 형태에서 세계 최초로 검증했는데요. 이때 사용한 장치가 SPI( Shattered Pellet Injector)로 불리는 대칭형 산탄 입자주입장치입니다. ITER 장치에서는 아이스 펠릿이라고 불리는 미세한 얼음 입자를 고속으로 주입할 수 있는 SPI 장치 수십 개를 장착해 플라즈마 에너지를 분산하고 핵융합로 손상을 최소화할 계획인데요.

 

문제는 이러한 방식이 과연 효과가 있는지 그동안 실험적으로 검증하지 못했다는 점입니다. 그런데 KSTAR를 통해 두 대의 SPI를 동시에 사용하면 플라즈마 붕괴를 효과적으로 완화할 수 있다는 사실을 입증했습니다. KSTAR 연구진은 오는 2021년까지 SPI 장치를 활용해 다양한 플라즈마 붕괴 상황에 대응할 수 있는 기술을 개발할 예정인데요. KSTAR에 장착되어 올해 캠페인 과정에서 각종 시험을 수행할 초고속 카메라를 통해 더 진전된 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

 

KSTAR에 장착된 산탄 입자주입장치(SPI) 

KSTAR에 장착된 산탄 입자주입장치(SPI)

 

 

| 핵융합 플라즈마의 에너지 생산 효율을 알 수 있는 중성자 진단장치

 

올해 KSTAR 캠페인에서 활약이 기대되는 또 하나의 진단장치는 중성자 진단장치입니다. 핵융합 반응을 통해 에너지가 얼마나 효율적으로 생산되고 있는지 확인할 수 있는 장치인데요. 중성자를 측정해 핵융합 반응을 통한 에너지 발생량을 측정하는 것입니다. 조정민 박사의 설명부터 들어볼까요?

 

“중수소끼리의 핵융합 반응의 경우 핵융합 반응 두 번당 한 개의 중성자가, 중수소-삼중수소 핵융합 반응의 경우는 핵융합 반응 한 번당 한 개의 중성자가 발생하게 됩니다. 따라서 중성자 진단을 이용해 특정 플라즈마 상황에서 핵융합 중성자가 몇 개나 발생하였는가를 측정하면 몇 번의 핵융합 반응이 일어났는지를 알 수 있고, 이에 한 번의 핵융합 반응당 생성되는 에너지량을 곱해주게 되면 해당 플라즈마에서 핵융합 반응을 통해 얼만큼의 에너지가 생산되었는지 알 수 있습니다.” 다시 말해 핵융합의 결과로 발생하는 중성자의 양을 측정하면, 플라즈마를 가열하기 위해 투입된 에너지와 중성자 진단으로 측정한 핵융합을 통한 에너지 발생량을 비교할 수 있어, 에너지 생산 측면에서의 플라즈마의 효율이 얼마나 되는지 알 수 있는 것입니다.

 

이와 더불어 중성자 진단은, 플라즈마 가열의 측면에서 중요한 역할을 담당하는 고속이온의 가둠 특성에 대한 정보도 함께 제공할 수 있습니다. 고속이온이란, 열평형을 이루고 있는 주변 플라즈마보다 훨씬 높은 에너지를 갖고 있는 이온으로, 자신의 에너지를 주변 플라즈마에 전달하여 플라즈마를 뜨겁게 가열하는 역할을 합니다. 만약 고속이온의 가둠 특성이 불안정하면 플라즈마 가열 효율이 떨어지게 됩니다. KSTAR를 비롯한 현재의 핵융합 장치들에서 중성자의 발생은 많은 부분 고속이온에 기인하기 때문에, 중성자 측정을 통해서 고속이온의 가둠 특성에 대한 정보도 함께 얻을 수 있습니다.

 

“현재 KSTAR에는 외부 가열에 의해 발생한 고속이온과 핵융합 반응을 통해 발생한 고속이온의 가둠 특성 정보를 각각 확인할 수 있는 두 종류의 중성자 진단이 운용되고 있습니다. 올해 추가로 설치하는 실리콘 반도체 기반의 중성자 검출기는 핵융합 반응을 통해 발생한 고속이온의 가둠 특성 정보를 더 향상된 시간분해능으로 측정할 수 있습니다.” 조정민 박사는 기존의 중성자 진단과 함께 활용하면 이전보다 더 빠르고 정확한 중성자 진단이 가능해질 것으로 기대할 수 있다고 설명했습니다.

 

중성자 진단장치에 대해 설명 중인 조정민 박사의 모습 

 

| 핵융합에너지 상용화 향해 올해도 “나이스 샷”

 

이처럼 업그레이드된 진단장치를 장착한 올해 KSTAR의 캠페인에는 국내뿐 아니라 전 세계 핵융합 연구진의 관심도 어느 때보다 높습니다. 핵융합 발전 가능성을 공학적으로 검증하기 위해 국제공동으로 건설 중인 국제핵융합실험로 ITER가 KSTAR와 같은 초전도 토카막 구조로 이루어져 있어, KSTAR의 성과는 곧 ITER의 성과와 직결되기 때문인데요. 이처럼 KSTAR에서 수행하는 다양한 진단과 시험, 분석이 핵융합에너지 상용화를 위해 반드시 해결해야 할 난제 극복과 밀접한 연관이 있습니다. 그렇기 때문에 KSTAR 캠페인에 임하는 연구진의 각오도 남다를 수밖에 없겠죠.

 

이관철 박사는 “진단장치의 자동화나 원격제어에 한계가 있기 때문에 캠페인 기간 동안 장치에 따라서는 오전에 장치를 켜고 종일 지켜보다가 오후에 장치를 끄는 과정을 매일 반복하기도 한다”고 설명합니다. 조정민 박사 역시 “진단장치가 망가지지 않고 데이터가 잘 나와야 하는데 올해 진단 분야는 새로운 콘셉트에 장치도 업그레이드되어 여러 어려움이 예상된다”라며 캠페인 과정의 어려움을 토로했습니다. 김재현 박사는 “종전까지 다른 연구를 하다가 2019년부터 진단을 병행하고 있는데, 지인들에게 ‘지금까지 내가 편하게 일했던 것 같다’라고 말할 정도다. 진단 분야에서 일하는 연구자들은 정말 대단하다는 생각이 든다”고 말하기도 했습니다.

 

그만큼 진단이 어렵고 중요하다는 얘기겠죠? 정확한 측정과 진단, 분석을 통해 핵융합 플라즈마 발생 과정에서의 난제의 실마리를 찾고 핵융합에너지 상용화의 초석을 닦을 수 있는 2020 KSTAR 캠페인이 되기를 기대합니다. 3명의 연구진은 “모든 게 계획한 대로 잘 되었으면 좋겠다”는 말로 이런 바람과 소망을 대신했습니다. KSTAR 연구진이 함께 외치는 “나이스 샷(shot, 플라즈마 발생 실험 단위)!”이 벌써 들리는 듯합니다.

 

KSTAR 연구진이 함께 외치는 “나이스 샷(shot, 플라즈마 발생 실험 단위)!”이 벌써 들리는 듯합니다. 

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