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202006.16

한국의 인공태양 KSTAR에게 쌍둥이 동생이 생긴다고?

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/kstar/1124

| 디지털트윈과 함께 만드는 핵융합의 미래

 

 <아이언맨>의 주인공 토니 스타크가 심장에 아크 원자로가 박힌 아이언맨 나노슈트를 제작하는 모습

<이미지 출처: 네이버 영화>

 

사진은 <아이언맨>의 주인공 토니 스타크가 심장에 아크 원자로(Arc reactor)가 박힌 아이언맨 나노슈트를 제작하는 모습입니다. 이렇다 할 재료도 도구도 없이 단지 눈 앞에 펼쳐진 홀로그램 슈트의 기능을 조절하는 것만으로 제트기보다 빠르고 타노스의 펀치도 견딜 수 있는 최강 나노슈트를 완성합니다. 슈트를 디자인하고 시제품을 제작한 후 직접 착용하여 사이즈를 점검하고 성능을 테스트하는 일련의 과정이 사라졌는데요. 바로 디지털 트윈(digital twin) 덕분입니다. 이처럼 현실의 기계나 시스템, 환경 등을 컴퓨터 속 가상공간에 구현하고 소재와 시간, 온도, 압력 등 동원 가능한 변수들을 실시간 반영해 시제품 제작, 모니터링, 시뮬레이션, 최적화 등에 활용하는 기술을 ‘디지털 트윈’이라 합니다. 현실의 물리세계와 디지털 가상세계가 완벽하게 결합한 디지털 트윈이 핵융합 연구에서도 활용된다면 어떤 변화가 생길까요?

 

 

|디지털 트윈, 제조업 경쟁력 강화에서 우주, 국방, 도시계획도 척척

 

디지털 기술 기반의 스마트 팩토리를 구현한 독일기업 지멘스. <사진 출처 = Siemens>디지털 기술 기반의 스마트 팩토리를 구현한 독일기업 지멘스. <사진 출처 = Siemens>

 

‘디지털 트윈’은 이름 그대로 가상세계에 존재하는 디지털 쌍둥이를 뜻합니다. 미국 가전회사인 제너럴 일렉트릭(GE)이 주창한 개념인데요. 컴퓨터 속 쌍둥이와 현실의 쌍둥이가 데이터를 기반으로 상호작용하는 것이 가장 큰 특징입니다. 현실을 반영한 다양한 상황을 실험하고 결과를 예측할 수 있어 기술개발 비용을 절감하고, 산업현장의 효율을 높일 수 있었습니다.

 

2000년대 제조업계를 중심으로 확산됐지만, 지금은 우주항공, 국방, 건설, 에너지, 도시설계 등 광범위한 영역에서 문제 해결사로 활약하고 있습니다. 일례로 싱가포르는 국가 차원의 디지털 트윈 플랫폼 ‘스마트 네이션 프로젝트’를 추진했습니다. 글로벌 기업들과 협업해 디지털 쌍둥이 도시를 만들고, 도시의 인구 분포를 비롯해 교통, 환경, 상권 등 각종 도시행정의 시험 무대로 사용했습니다. 결과는 물론 성공적인 도시 건설로 이어졌습니다.

 

우리나라에서도 도시 계획에 디지털 트윈을 접목한 다양한 시도가 전개되고 있습니다. 먼저 세종시는 2022년까지 스마트시티 디지털 트윈 플랫폼을 완성한다는 포부입니다. 전주시도 지난해 디지털 트윈 기반의 ‘버추얼 전주 실험사업’ 청사진을 발표했고요. 새만금개발청도 최근 스마트 수변도시에 디지털 트윈 플랫폼 구축 계획을 세웠습니다. 디지털 트윈을 통해 현실 도시에서 발생할 수 있는 문제를 미리 예측하고 개선점을 모색한다는 전략입니다.

 

사실 디지털 트윈은 21세기에 새롭게 등장한 개념은 아닙니다. NASA는 달 착륙선을 우주로 보내기 전 쌍둥이 모형을 재현해 우주 공간에서 발생할 수 있는 문제점을 미리 시험했는데요. 우주 개척의 역사를 함께한 CAD나 시뮬레이션기술 역시 물리 모델을 활용한 초보적 디지털 트윈입니다. 여기에 비약적으로 발전한 컴퓨터 성능, 다양한 정보를 데이터화하는 인공지능과 빅데이터 기술, 디지털 세상을 현실처럼 보여주는 증강현실과 가상현실 기술이 더해져 지금과 같은 디지털 트윈이 완성됐습니다.

 

 

|극한 핵융합과 첨단 디지털 트윈의 만남

 

ITER VR룸은 ITER 건설에 꼭 필요한 핵심도구이다. <사진출처=ITER>ITER VR룸은 ITER 건설에 꼭 필요한 핵심도구이다. <사진출처=ITER>


핵융합 분야에서도 다양한 디지털 트윈이 활약하고 있습니다. 디지털 트윈은 국제핵융합실험로 ITER와 같은 대형 건설 프로젝트를 성공으로 이끄는 핵심도구인데요. ITER국제기구는 시뮬레이션에 3D 시각화 기술을 더한 VR룸(Virtual Reality Room)을 운영하고 있습니다. ITER는 수십만 개에 달하는 장치들이 톱니바퀴처럼 완벽하게 맞물려 돌아가야 하기에 조립 및 제작과정에서 작은 오차도 허용할 수 없습니다. 때문에 ITER 전문가들은 VR룸에서 최적의 조립 방법과 조립순서를 찾고 있습니다. 2.5 x 4m에 달하는 대형 스크린은 핵융합 장치의 냉각수 배관, 용기 지지대 및 기타 플랜트 시스템 또는 구성 요소를 생생한 3D 영상으로 보여줘 ITER의 장치별 전문가들이 함께 모여 최적의 인터페이스를 논의할 수 있는 장이 됩니다. 또 이들은 소프트웨어를 통해 ITER CAD 데이터베이스와 직접 3D데이터를 주고받을 수도 있습니다.

 

로봇팔로 핵융합로 내부의 로봇을 원격조정하는 JET 연구진.<사진출처=JET>로봇팔로 핵융합로 내부의 로봇을 원격조정하는 JET 연구진.<사진출처=JET>


디지털 트윈은 핵융합의 극한환경을 극복하는 효과적인 도구이기도 합니다. 1억℃ 초고온 플라즈마와 초전도 자기장이 만나는 핵융합로 내부는 인간이 접근하기 어려운 극한 환경인데요. 유럽공동핵융합장치 JET는 핵융합로 외부에 만든 컨트롤 룸에서 원격으로 로봇을 원격조종(Remote handling)해 핵융합로를 관리합니다. 이처럼 사람의 움직임을 그대로 로봇팔에 전달하는 원격조정 기술도 디지털 트윈의 일종입니다. 이 밖에도 프랑스의 핵융합장치 토레수프라(Tore Supra), 중국의 핵융합장치 이스트(EAST) 등이 핵융합로 원격 유지보수를 위해 디지털 트윈을 도입했습니다.

 

디지털 트윈으로 제어하는 JET 핵융합 내부의 로봇. <사진출처=JET>디지털 트윈으로 제어하는 JET 핵융합 내부의 로봇. <사진출처=JET>

 

 

|싱크로율(synchro率) 100%, KSTAR의 쌍둥이 탄생 예고

 

한국의 인공태양 KSTAR도 앞으로 2년 후 디지털 쌍둥이를 만날 수 있습니다. 국가핵융합연구소는 지난 5월 정보통신산업진흥원이 지원하는 ‘디지털트윈 기반의 핵융합에너지 시설 운용’ 프로젝트의 닻을 올렸습니다. 그 길을 디지털 트윈 전문기업 SF테크놀로지와 VR미디어, 상명대학교가 함께 합니다. 국가핵융합연구소는 참여기업의 SW전문가들이 핵융합시스템을 쉽게 이해할 수 있도록 안내하고, 참여 기업은 3차원 공간에 디지털 KSTAR의 시각화를 중점적으로 추진하게 됩니다.

 

KSTAR의 디지털 쌍둥이는 앞으로 어떤 역할을 할까요? 이번 프로젝트를 이끄는 국가핵융합연구소 권재민 박사의 기대를 들어보았습니다.

 

“디지털 트윈에 KSTAR를 구성하는 모든 장치 특성과 플라즈마의 온도와 압력, 자기장의 세기와 같은 모든 운전 요소를 반영함으로써 KSTAR의 성능을 극대화할 수 있습니다. 초고온 플라즈마의 붕괴 방지와 초전도 자기장 제어는 핵융합계가 오랫동안 도전해온 과제인데요. 각각의 변수들을 실험하고 최적화 방안을 도출하면 보다 도전적이고 신뢰성 높은 핵융합 연구가 가능하리란 기대입니다.”

 

가상현실 ITER <사진출처 = Octarina> 가상현실 ITER <사진출처 = Octarina>

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기대처럼 디지털 트윈이 기량을 갖추려면 KSTAR가 플라즈마의 움직임까지 실제와 동일하게 구현해야 합니다. 이때 필요한 것이 실제 KSTAR에서 확보한 양질의 데이터입니다. 더불어 주어진 컴퓨터의 성능을 최대치로 활용하는 것입니다. 국가핵융합연구소는 그동안 다양한 시뮬레이션 이론과 물리모델을 개발해 왔습니다. 특히 올해는 물리엔진과 시뮬레이션을 개발하는 두뇌에 해당하는 슈퍼컴퓨터를 도입하는 등 연구기반도 강화되었습니다.

 

이번 디지털 트윈 과제의 목표는 쌍둥이 KSTAR를 구현하여 플라즈마가 그 안에서 어떻게 발생하는지, 가열장치를 나간 빔이 어떻게 플라즈마를 만나고 핫스팟을 만드는지 등 다양한 핵융합 이슈들을 모의 실험하여 최적 안을 도출하는 1단계 개발입니다. 향후 2차, 3차 사업을 통해 궁극적으로는 디지털 KSTAR로 실제 KSTAR를 원격제어하는 단계에 이르고자 합니다.

 

디지털 쌍둥이는 KSTAR를 더 잘 이해하고 활용할 수 있는 최상의 도구입니다. 나노슈트를 입은 아이언맨이 눈 앞에 펼쳐진 3D 영상을 보며 각종 정보를 분석하고 전략을 세우듯, 핵융합 연구자들도 머지않은 미래에 디지털 KSTAR를 통해 실제 KSTAR를 활용할 것입니다. 디지털 트윈은 국가핵융합연구소가 핵융합실증로 건설을 위해 준비하고 있는 버추얼 데모(DEMO)와도 맞닿아 있습니다. 전통의 시뮬레이션과 핵융합 실증로 시대를 준비하는 버츄얼데모, 그리고 KSTAR 디지털 쌍둥이가 만나면 핵융합에너지 상용화로 가는 시간은 그만큼 단축되겠죠? 국가핵융합연구소와 산업체가 의기투합한 이번 도전이 핵융합 발전의 이정표가 되기를 기대합니다.

 

핵융합 버추얼 데모가 궁금하다면?

'핵융합도 게임처럼? 가상핵융합장치로...' 자세히 보기

 

디지털 KSTAR와 현실 KSTAR가 함께 만들어갈 핵융합 시대가 열린다.
디지털 KSTAR와 현실 KSTAR가 함께 만들어갈 핵융합 시대가 열린다.

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