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201808.08

상용화 향한 100초 운전 시동 건다. '2018 KSTAR 캠페인'

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/kstar/835

상용화 향한 100초 운전 시동 건다 ‘2018 KSTAR 캠페인’ 
NBI-2·ECH 등 장치 업그레이드 마치고 6개월·2000샷 대장정 돌입

 

 2018년은 한국의 인공태양 KSTAR가 첫 번째 플라즈마 실험을 성공한지 10년째 되는 해입니다. 해마다 세계 최고, 최장 시간 운전 기록을 세워온 KSTAR가 2018년, 11번째 KSTAR 플라즈마 실험에서 써내려갈 핵융합 역사는 어떤 모습일까요?  금년 목표는 플라즈마 고성능 운전모드 100초 돌파! KSTAR가 2008년 첫 캠페인에서 최초 플라즈마 성공의 쾌거를 이룬 지 10년이 되는 해 선언한 야심찬 목표이자 핵융합 상용화의 변곡점을 넘어설 대장정의 시작입니다.  KSTAR연구센터 윤시우 센터장과 함께 2018 KSTAR 캠페인의 주요 내용을 짚어보았습니다.

 

 

 샷 넘버 1020. 2008년 6월 30일 KSTAR가 첫 플라즈마 발생 성공한지 만 10년, 2018년 KSTAR는 핵융합 변곡점을 넘어설 도전을 시작합니다.

 


100초 운전의 의미…1만 초로 가는 시발점이자 상용화로 가는 변곡점

 

 “고성능 플라즈마 운전모드(H-모드) 100초 돌파는 플라즈마 운전에서 중요한 대부분의 물리현상을 모두 확인하고 안정하게 제어할 수 있는 기술을 확보한다는 데 의미가 있습니다. 100초 성공은 곧 300초, 1000초, 연속운전으로 가는 시발점이자 핵융합 상용화로 가는 변곡점이 될 것입니다.” 

 

 윤시우 센터장은 “고성능과 장시간 운전의 동시 달성은 핵융합 장치의 성능과 이론, 실험 모든 면에서 철저한 준비가 뒷받침될 때 달성 가능한 목표”라고 설명합니다. “만반의 준비를 했기에 만약이란 가정은 있을 수 없다”라고 말하는 그의 다부진 표정에서 굳은 결기가 느껴집니다. 지난해 달성한 고성능 운전모드 70초 운전 기록이 제3차 핵융합에너지기본계획 목표인 2021년 300초 달성을 향한 5부 능선에 해당했다면, 금년 플라즈마 실험에서 100초 돌파 시 7부 능선을 넘게 됩니다.

 

 KSTAR는 ‘더 오래’, ‘더 뜨겁게’를 목표로 지난 10년 캠페인을 진행하며 핵융합계의 기린아로 성장했습니다. 특히 지난해 ITER 초기 운전에 필요한 4가지 조건인 플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM: Edge Localized Mode) 제어와 장시간 플라즈마 유지시간, 플라즈마 모양과 성능을 모두 충족하며 ITER 기준 운전 시나리오(ITER Baseline Scenario) 핵심 기술을 확보하는 등 명실상부한 핵융합 선진연구의 중심지로 자리 잡았습니다. 윤 센터장이 밝힌 KSTAR 캠페인의 궁극적인 목표는 “ITER 운전을 넘어, K-DEMO로 가는 것”입니다.

 

6월 27일 KSTAR 연구진은 2018 KSTAR 캠페인의 대장정을 시작했습니다.

 

 

KSTAR가 진화했다…100초 기록 견인할 신예 장치들

 

 2018년 도전을 시작하며 눈여겨볼 대목은 장치 업그레이드입니다. 먼저 KSTAR의 플라즈마 온도를 1억℃로 끌어올리기 위한 새로운 가열장치 NBI-2(중성입자빔 가열장치)가 올해 처음 등판합니다. 지난해 고성능 운전모드 70초 기록은 KSTAR의 가열파워가 충분치 않은 상황에서 달성한 만큼 NBI-2 추가로 100초 운전과 고차원의 핵융합 연구가 가능하리란 기대입니다.

 

 핵융합로는 일정 온도를 넘으면 플라즈마 불안정 현상으로 지속 운전이 어려워지는데요. KSTAR는 2010년 처음 플라즈마 내 전류구동을 효율적으로 제공하는 가열장치인 중성입자빔 NBI(Neutra Beam Injection)-1을 2MW 규모로 장착하여 플라즈마 온도를 7,000만℃로 끌어올렸습니다. 그리고 올해 가열장치 NBI-2를 추가하며 가열용량을 2MW 더했습니다. NBI-2 업그레이드 작업은 2016년 시작해 2019년까지 순차적으로 최대 6MW 출력을 추가합니다. NBI-2는 올해 캠페인 성공은 물론 앞으로 2025년 KSTAR의 가열파워를 30MW로 향상시키고 플라즈마 온도를 1억℃로 끌어올리는 일등공신으로 활약할 전망입니다.

 

 윤 센터장은 특히 NBI-2가 단순히 온도만 높이는 가열장치가 아니라는 점에서 더 큰 의의가 있다고 설명합니다. NBI-1과 달리 플라즈마의 위와 아래 두 곳에서도 중성입자빔을 주입하도록 설계돼 가장자리에서 필요한 전류구동과 가열을 효율적으로 제공합니다. 플라즈마의 온도를 높이는 동시에 플라즈마의 안정성을 보다 효율적으로 제어할 가능성도 함께 열렸습니다. 

 

 또 하나 주목할 장치는 올해 2MW 용량이 증설된 전자공명가열장치 ECH(Electron Cyclotron Heating)입니다. 고온으로 운전하는 플라즈마 내부에 불안정성이 발생하면 플라즈마 전류분포를 바꾸어 가면서 억제방법을 찾는데요. ECH 장치는 다양한 대역의 초고주파로 아주 좁은 특정 부분만 집중적으로 전류구동함으로써 전류분포를 효율적으로 제어하고 또한 국부 가열로 플라즈마 중심부의 불순물을 선택적으로 제거하는 등 고성능 플라즈마의 성능확보에 필수적인 역할을 수행합니다.

 

 진단장치의 변화도 눈에 띕니다. 아주 짧은 파장의 난류를 측정할 수 있는 톰슨산란진단계가 추가 도입되었고, 밀도 분포를 보다 자세하게 볼 수 있는 간섭계 채널도 보강돼 보다 정확하고 자세한 실험 데이터를 얻게 됐습니다. 이들 진단장치를 통해 매 실험 시 플라즈마의 밀도 분포를 정확하게 측정하고 미세영역에서의 난류현상을 해석하여 관련 물리현상을 더 깊게 이해하게 될 전망입니다.

 

왼쪽은 KSTAR의 주요 장치 설명, 오른쪽은 주 연구동 옆에 들어선 NBI-2 건물의 모습

 


세계가 주목하는 KSTAR 캠페인 도전적 목표

 

 캠페인 기간 KSTAR에 쏠린 세계의 관심도 뜨겁습니다. 한국의 인공태양 KSTAR는 영국의 JET나 독일의 W7-X에 비교하여 상대적으로 작은 규모임에도 불구하고 3차원 자장코일을 이용하는 초전도 토카막장치 특성상 가열효율이 높고, 자기장 오차가 현저히 적어 유의미한 결과를 도출해왔습니다. 특히 KSTAR는 ‘플라즈마 경계면 불안정 현상(ELM)’ 제어 분야에서 세계 최고를 자랑하기에 많은 해외 연구진들이 KSTAR를 이용한 공동연구를 희망하고 있습니다.

 

 올해 캠페인은 ITER와 K-DEMO에서 활용할 운전 시나리오를 개발을 위해 약 120개 실험주제를 2000샷*의 선도적인 실험으로 진행할 계획입니다. 그중 40%는 핵융합(연) 연구진이, 30%는 국내공동연구진과 함께, 30%는 해외공동연구진과 함께 진행합니다. 
*샷(shot) : 의미 있는 찰나의 시간을 표현하는 단어로 핵융합 캠페인에서는‘플라즈마 발생실험’ 단위를 뜻한다.

 

 특히 올해는 미국 프린스턴플라즈마물리연구소(PPPL)의 많은 연구진들이 KSTAR 방문을 준비하고 있습니다. PPPL은 지난 몇 년간 꾸준히 KSTAR 캠페인에 참여하며 ELM 억제와 고성능운전시나리오 개발 공동연구의 발판을 다졌는데요. 올해는 별도의 PPPL 세션을 마련하고, 10명에 달하는 대규모 연구진이 참석해 보다 적극적인 성과 도출을 이끌 계획입니다.

 

2015년 한국을 방문한 베르나 비고 ITER 사무총장과 국가핵융합연구소 연구진

 

 
핵융합의 새 역사…2018 KSTAR 캠페인과 함께 시작된다

 

 지난 6월 28일 장치 가동을 시작한 KSTAR는 7월 말까지 약 한 달 간 토카막 내부의 불순물을 제거하고 우주의 기압 수준인 0기압의 초고진공상태를 유지합니다. 진공상태가 완성되면 높은 자기장을 얻기 위해 7월 말에 8월 초 약 2주간 초전도 자석을 상온에서 –268℃까지 점진적으로 냉각하여 초전도상태를 유지하게 됩니다.

 

 장치 준비가 마무리되면 고성능 플라즈마 실험을 8월말에서 12월까지 약 4개월간 지속하게 됩니다. 공휴일을 제외하면 실제 실험 가능한 날짜는 약 80일, 이 기간 KSTAR와 핵융합(연) 구성원들은 하루 30샷, 대략 2000샷의 실험을 통해 자신과 약속한 도전을 이어갈 계획입니다. 해마다 세계 최장, 세계 최고의 결과를 도출했기에 연구진들의 얼굴에선 더 큰 긴장과 기대감이 교차합니다.

 

 “KSTAR를 10년 이상 운전하며 노하우를 쌓아 온 만큼 장치에 대한 신뢰는 높아졌지만, 여전히 새로운 도전을 준비하는 부담감은 큽니다. 올해 업그레이드 한 장치가 기존 장치들과 조화를 이뤄야 고성능 플라즈마 운전 100초 돌파, 상용화를 위한 1억℃ 달성이 가능하기에 단 일 분 일 초도  긴장의 끈을 놓지 않고 있습니다. 안전한 실험은 최우선 수칙이고요.”

 

 8월 말 시작하게 되는 2018년 플라즈마 실험에서는 2014년 달성한 1만 번째 플라즈마 샷(실험 단위)에 이어 2만 번째 플라즈마 샷을 달성할 것으로 예상하고 있습니다. 

 

 “샷 하나 하나의 번호에 의미를 부여하기보다 우리가 최선을 다해 그 과정을 지나고 있다는 사실이 더 중요합니다. 2만 샷 역시 지난 10년의 노력과 경험이 쌓인 의미 있는 결실을 향한 과정이 되리라 믿습니다.”

 

 KSTAR는 지난 10년 캠페인을 통해 핵융합의 상용화를 앞당길 의미 있는 도전과 결실을 이뤄냈습니다. 2018 KSTAR 캠페인을 준비하는 윤 센터장과 KSTAR 연구진들의 다부진 얼굴은 미래 10년을 향한 핵융합 연구의 밝은 내일을 약속하는 징표입니다.

 

2018 KSTAR 캠페인을 준비하는 핵융합(연) 전경
 

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