본문 바로가기 주메뉴 바로가기

KSTAR

  • Fusion Story
  • KSTAR
KSTAR의 다른 글

201901.31

[인터뷰] MSE로 자기장 진단‧해석하는 고진석 책임연구원

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/kstar/889

플라즈마 진단의 마지막 성배 ‘MSE’

[인터뷰] MSE로 자기장 진단‧해석하는 고진석 책임연구원

MSE 설계부터 운용까지 2년 과정 담은 논문…NFRI 우수논문상 수상

................................................................................

 국가핵융합연구소 핵융합연구동 143호. 거대한 핵융합연구장치 KSTAR와 연결된 25개의 광섬유 다발을 따라 도착한 이곳은 플라즈마 자기장 정보를 진단‧분석하는 응용플라즈마물리학자 고진석 박사의 연구실입니다.

 고 박사의 MIT 논문 지도교수였던 이언 허친슨은 평소 “토카막 플라즈마의 4대 진단계 중 온도, 밀도, 운동 진단은 기술 개발이 끝났다. 마지막 내부자기장 진단은 토카막에서 성배를 찾는 일이다”라고 말하곤 했다고 합니다. 플라즈마 진단장치 중 내부에 자기장을 측정하는 MSE(Motional Stark Effect)장치는 개발은 물론 운용에도 기술과 경험이 필요해 세계적인 핵융합 연구그룹들조차 어려워한 도전과제입니다.

 하지만 고 박사와 KSTAR 연구진은 MSE 장치 개발을 단 2년 만에 완수하고, KSTAR 자기장 전류 측정에 성공했습니다. 설계에서 제작, 구축, 운용에 이르는 전 과정을 담은 논문은 2016년 핵융합전문학술지 ‘Fusion engineering and design’에 ‘Diagnostic development for current density profile control at KSTAR’란 제목으로 발표됐는데요. MSE 진단장치에 대한 세계 핵융합계의 높은 관심만큼 많은 연구자가 인용했고, 그 결과 지난 4년간 핵융합(연)에서 발표된 논문 중 CI(인용) 지수가 가장 높은 우수 논문으로 선정됐습니다.

 진단장치의 성배라 불리는 MSE를 찾아 143호의 문을 두드렸습니다.


143호 연구실을 안내 할 응용플라즈마물리학자 고진석 박사

 

 

KSTAR 토카막은 1m 굵기의 전선, 안정적 전류분포 중요

 

 핵융합은 지난 50여 년간 상용화를 목표로 연구가 진행됐지만, 여전히 밝혀지지 않은 물리현상들이 많이 남아있습니다. 이러한 핵융합 물리현상을 이해하기 위해서는 먼저 핵융합장치에서 만들어진 플라즈마의 온도, 밀도, 운동, 자기장 같은 물성 정보를 알아야합니다. 이때 필요한 것이 바로 플라즈마 진단장치입니다. 플라즈마 진단장치들은 핵융합장치 내부의 플라즈마의 움직임과 성질, 상태 등을 파악할 수 있도록 자기장이나 빛 등을 측정합니다. 이중 플라즈마의 자기장을 진단하는 MSE 장치는 KSTAR와 미국의 DⅢ-D, 영국의 MAST 등 총 3곳의 토카막에서만 정상운용되고 있습니다.

 고 박사는 MSE 장치가 중요한 이유에 대해 이렇게 설명합니다. “지름 1㎜의 얇은 전선은 중심점에서 바깥쪽 끝까지 전류 분포차가 거의 없어요. 하지만 지름이 1m에 달하는 전선이라면 이야기가 달라집니다. KSTAR 토카막은 1m 굵기의 전선과 같아요. 토카막 속 플라즈마는 나선형으로 동그랗게 말린 자기장에 의해 도넛모양을 유지하는데, 이때 자기장이 고르게 분포해 나선형 모양이 정밀하게 유지되면 플라즈마가 오랜 시간 안정적으로 지속됩니다. 즉, 자기장의 세기를 안다는 것은 전선의 전류 분포를 확실히 알게 되는 것과 같습니다.”

 KSTAR 토카막에는 총 475가닥의 광섬유가 2~3㎝ 간격으로 촘촘하게 내부 자기장을 측정하도록 설치되어 있습니다. 플라즈마가 켜져 있는 동안 광검출기를 통해 0.01초 빠르기로 플라즈마의 빛의 세기를 측정하여 광섬유를 따라 전달하는데요. 19가닥의 광섬유들은 1다발로 묶여 143호실 중앙 테이블 위에 놓인 25개의 모듈 박스와 연결됩니다.

KSTAR 자기장 정보는 광케이블을 따라 가로14㎝‧세로35㎝‧높이11㎝ 크기의 광검출기 모듈에 모인다.

 고 박사가 모듈박스 뚜껑을 열고 내부를 소개합니다. 광섬유를 따라 모듈까지 당도한 아날로그 신호들은 디지털 정보 변환장치를 거쳐 컴퓨터에 저장되고, 자기장이 플라즈마의 중심부에서 바깥쪽까지 어떤 식으로 분포돼 있는지 그래프 형식으로 보여줍니다. 이 정보는 플라즈마를 어떻게 점화시키고 전류를 1m짜리 도선에 얼마나 빨리 어디까지 흘려야 하는지, 어느 시점에서 어느 정도의 보조가열을 할지 등 보다 선진적인 운전시나리오를 작성하고 플라즈마 안정성과 비유도 전류 등을 연구하는 기반이 됩니다.

 

핵융합(연)과  참여 기업의 진정성, KSTAR의 MSE 2년 만에 완성

 

“2007년 완공 당시 KSTAR는 온도와 밀도 진단장치만 채택했어요. 이후 KSTAR 국제자문위원회는 더욱 정밀한 물성진단을 위해 MSE 진단장치를 추가할 것을 계속 요구했어요.”

 시기가 절묘했습니다. KSTAR에 추가 진단장치의 필요성이 대두되던 시기 고 박사는 미국에서 MIT 박사과정과 위스콘신대 박사후연구원을 거치며 MSE 전문가로 성장하고 있었습니다. 학위를 마칠 무렵 여러 선택지가 있었지만 자신이 있어야 할 곳은 KSTAR임을 알았습니다. 그리고 2012년 국가핵융합연구소에 입사한 고 박사는 앞서 MSE 개발 준비를 시작해 온 정진일 박사, 위한민 기술원과 함께 2013년 본격적으로 MSE 진단장치 개발에 뛰어들었습니다.

“미국에서 두 개의 MSE 장치를 연구했지만 KSTAR는 달랐습니다. 미국에서는 이미 개발된 장치의 문제 원인을 찾고 개선했다면, 한국에서는 무에서 유를 창조하는 과정이었으니까요.”

 특히 초전도 자석을 채택한 KSTAR는 일반 토카막보다 MSE 설치가 어렵습니다. 앞서 MSE를 개발한 연구그룹이 겪었던 난제들에 더해 다수의 빔라인이 사용되는 중성입자빔의 진행방향을 고려해야 하는 어려움, 그리고 협소한 진단 카세트 내부에서 특성이 다른 진단장치들과 수광부를 공유해야 하는 숙제까지 함께 풀어야 했습니다.


KSTAR는 향후 토카막 내벽을 금속 재질로 업그레이드할 경우 노이즈 측정에 유리한 MIT의 MSE를 2017년과 2018년 2년에 걸쳐 설치했다.

 여기에 산업체와 호흡도 중요했습니다. “제너럴옵틱스(구 한국전광)는 광학시스템 설계를, 화이버옵틱코리아는 광섬유를, 윤슬은 광학계와 광섬유를 지지해주는 지지체를 제작했습니다. 서로 이해관계가 다른 세 곳의 회사가 모였음에도 각자의 이익을 생각하지 않고 우리나라 핵융합 발전에 헌신한다는 진정성으로 임했기에 프로젝트가 성공할 수 있었습니다.”

 2015년 봄, KSTAR 토카막에 설치한 MSE 장치는 첫 테스트에서 정상 작동하며 플라즈마 자기장 정보를 전송했습니다. 탄탄한 팀워크로 미션이 완성된 순간, KSTAR연구진과 기업 관계자들은 비로소 안도의 숨을 내쉴 수 있었습니다. MSE까지 4대 진단장치를 모두 장착한 KSTAR는 정확한 물성측정을 바탕으로 선진 운전 시나리오를 개발하며 세계 최고의 핵융합 장치로 자리매김 해왔습니다.

 

 

우주를 가득 채운 플라즈마, 핵융합 과학자의 길을 비추다

 

 자타공인 MSE 대표 연구자 고 박사와 MSE의 인연은 어떻게 시작됐을까요?

“MIT에는 미국의 3대 토카막 중 하나인 ‘Alcator C-Mod’가 있는데요. MSE 진단장치를 설치했지만 5년째 작동이 안되고 있었죠. 2003년 박사 면접에서 이 문제를 파보지 않겠냐는 제안을 받았고 ‘해보겠다’고 답했어요. 자연스럽게 박사학위 주제가 결정된 순간이었습니다.”

 고 박사는 꼬박 6년을 매달려 원인을 찾았습니다. 문제는 1억℃에 가까운 플라즈마와 영하 200℃의 냉각제에 의한 온도차에 있었습니다. 빛을 받는 부분을 금으로 도금해 복사열 교환을 최소화하자 MSE 장치는 기다렸다는 듯이 자기장 진단신호를 보내왔습니다.

 박사후연구원을 보낸 위스콘신대학 역시 MSE 장치가 작동하지 않는 상황이었고, 고 박사는 이번에는 3년을 매달려 MSE 장치를 정상 작동시켰습니다. 미국에서의 산경험은 KSTAR의 MSE 개발을 2년 만에 완성하는 힘이 됐습니다.

“실제 핵융합으로 전기를 생산하려면 지금처럼 필요할 때만 토카막에 유도전류를 주입하는 변압기 방식이 아닌 외부에서 365일 24시간 직접 전류가 공급되는 비유도 전류 방식을 택하게 됩니다. 자기장을 측정한다는 것은 결국 전류 값을 측정하는 것이기에 앞으로 실제 발전에 가까워 질수록 MSE 장치의 중요성은 더 커질 전망입니다.”

 핵융합 상용화로 가기 위해 그는 두 가지 계획을 실천하려 합니다. 그 중 하나는 자기장의 실시간 측정과 정보제공입니다. 지금은 하나의 샷이 진행되는 약 10~20초 동안 플라즈마의 정보를 수집‧저장한 후 데이터를 그래프로 제공하지만, 앞으로 KSTAR가 100초, 300초 이상 장시간 운전할 것에 대비해 실시간으로 자기장 진단‧분석하여 운전 중인 플라즈마의 실시간 제어에 활용할 수 있도록 하드웨어와 소프트웨어 모두 업그레이드할 계획입니다. 다른 하나는 아직 콘셉트가 마련되지 않은 ITER장치의 MSE개발에 KSTAR의 경험을 나누는 것입니다.

 어린 시절 우주과학 천문에 관심이 많았던 학생은 플라즈마물리연구자로 성장한 뒤에야 온 우주가 플라즈마로 이루어져 있음을 알았습니다. 그는 자신에게 주어진 길을 걸어온 시간만큼 앞으로 걷게 될 그 길도 핵융합을 향한 열정과 도전정신으로 가슴 뛰는 삶을 살게 될 것 같다며 환하게 웃었습니다.

고 박사는 앞으로 실시간 진단과 분석이 가능한 MSE 장치 개발 및 ITER의 MSE 개발에 KSTAR의 경험을 나누고 싶다는 바람과 함께 자신의 측정한 물성을 바탕으로 플라즈마 물리현상을 연구하고 싶다는 포부를 밝혔다.

  •  좋아요 bg
    1
    좋아요 bg
  •  카카오스토리 공유 bg
    24
    카카오스토리 공유 bg
  •  카카오톡 공유 bg
    24
    카카오톡 공유 bg

댓글 1

  • Moon SunWoo facebook
  • 2019-02-13 22:03
  • 좋은 내용 감사합니다.

정보에 대해 만족하십니까?

TOP