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201908.02

우주의 진공상태, 지구에서도 만들 수 있을까?

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/kstar/970

사람이 떠다닐 수 있는 진공상태의 우주 공간 

 

오색찬란 빛나는 별이 가득 들어찬, 아름다운 우주를 그린 SF 영화를 한번 살펴봅시다. 영화 속 우주복을 입고 둥둥 떠다니는 사람의 모습은, 빼놓을 수 없는 단골 장면이죠. 이렇게 우주를 배경으로 한 영화에 우주복을 입은 사람이 매번 등장하는 이유는, 우주는 ‘진공’ 상태이기 때문입니다. 진공이란, 어떠한 물질도 존재하지 않는 비어있는 공간을 일컫는데요. 따라서 우주는 공기 또한 희박한 상태로, 인간의 생명을 부지하기 위해서는 우주복과 같은 장비가 필요하기 마련입니다. 우주를 유영하는 동안 인간이 입은 우주복은, 태양 광선 및 운석으로부터 인체를 보호하는 역할을 해줄뿐더러 산소를 공급해주기 때문이죠. 이처럼 우주에서는 진공이란, 아주 보편적이고 당연한 상태입니다. 지구와 달 사이에도 진공이, 지구와 태양 사이 역시 진공이라는 ‘무(無)’가 가득 들어차 있죠.

 

‘무(無)’에 가까운 우주의 비밀, ‘진공’


물론, 지구에서도 진공 상태는 존재합니다. 특히 각종 연구를 위해 인공적인 환경을 필요로 하는 실험실의 경우, 떠다니는 기체를 인위적으로 제거함으로써 진공 상태를 조성할 수 있죠. 하지만 사실상 100% 완전한 진공 상태를 만드는 것은 이론적으로 불가능한 일입니다. 양자역학 연구자들은, 실험을 통해 완전한 진공을 만들어도 그 안에서 수많은 입자가 끊임없이 생겨난다는 사실을 확인했습니다. 따라서 지구에서 진공 상태를 만든다는 것은, 사실상 공기가 희박한 상태의 공간을 만들기 위해 노력하는 것에 지나지 않습니다. 심지어 공기가 거의 없는 우주조차도, 1m3 당 약간씩의 수소 원자를 포함하고 있죠. 더욱이 먼지나 가스, 입자까지 떠다니고 있어 완전한 진공상태라고 확언하기는 어렵습니다. 하지만 완전한 진공상태가 아니라고 해도, 거의 무에 가까운 상태를 유지하고 있는 것은 우주가 유일하다는 사실만은 분명합니다.

 

 무(無)에 가까운 상태를 유지하는 우주

 

‘핵융합’ 위한 진공상태의 구현, KSTAR가 해낸다

 

하지만, 지구에서도 작은 우주처럼 무에 가까운 진공상태를 만들 수 있는 곳이 있습니다. 바로 우리나라의 ‘인공태양’이라 불리는 초전도핵융합장치, KSTAR인데요. KSTAR 장치 내부는 인공위성이 떠있는 우주의 진공상태를 구현하고 있습니다. 태양을 비롯해 우주의 수많은 별에서 일어나는 핵융합 반응을 핵융합장치에서 만들기 위해서는, 먼저 그 내부를 우주와 비슷한 수준의 초고진공 상태를 만드는 것이 필요합니다. 그 이유는 바로 KSTAR 장치가 핵융합 반응이 일어나는 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 견디기 위해서입니다.

 

  

 

예를 들어, 섭씨 100℃에 가까운 팔팔 끓는 물에 손을 집어넣는다고 가정해봅시다. 아마 물에 손을 넣자마자 금방 화상을 입고 말 테죠. 하지만, 100℃에 가까운 열기로 가득 찬 사우나에 들어가도 화상을 입지 않는 이유는 바로, 수증기 때문입니다. 수증기는 뜨거운 물과 달리, 잠깐이지만 만질 수도 있습니다. 이는 온도가 같아도 같은 부피 안의 고온의 입자 수가 적으면 열전달률이 낮아지기 때문이죠. 이와 마찬가지로 KSTAR 장치에서 플라즈마 실험을 할 때, 진공 용기 내부에 있는 고온의 입자 수는 일반적인 대기의 10만분의 1밖에 되지 않습니다. 즉 KSTAR 내부가 이러한 높은 진공상태를 유지하고 있기에, 1억℃ 나 되는 초고온의 플라즈마를 견딜 수 있는 것이죠.

 

또 초고온의 플라즈마 상태를 쉽게 만들기 위해서는, 가열해야 하는 총 입자 수를 줄이는 것이 관건입니다. 필요한 연료 외의 불순물 함량을 최대한 낮춰, 핵융합 반응의 효율을 높일 수 있기 때문이죠. 더욱이, 실험 과정 중 핵융합장치 진공 용기 내부에 불순물이 존재하면 열 손실이 발생하고, 핵융합 반응에 필요한 온도에 이를 수 없게 됩니다.

 

 한국의 '인공태양' 초전도핵융합장치 KSTAR의 토카막 내부 모습

 

 따라서 초고온의 플라즈마를 만들려면, KSTAR는 진공 용기 내부를 10‐⁹ mbar 정도의 진공상태로 유지하는 것이 핵심입니다. 이는 대기압의 10억 분의 1 수준으로, 우주와 거의 비슷한 환경이죠. 실제로 이는 우리나라 최초의 위성인 우리별 1호가 위치하는 상공 1,300km의 위성 궤도의 진공도에 해당하는 값입니다. 하지만 앞서 말했듯, KSTAR와 같은 대형 장치를 우주와 비슷한 진공상태를 만드는 것은 쉽지 않은 일입니다. KSTAR를 진공상태로 만들기 위해서는 다양한 장치를 이용하여 내부의 기체를 밖으로 빼내야 합니다. KSTAR가 플라즈마 실험을 앞두고 진공 배기 단계에 들어가면, 총 12대의 펌프가 가동되어 초당 4만 리터의 공기를 빼내기 시작합니다. 이는, 가정용 진공청소기 1,300대를 동시에 가동하는 것과 비슷한 성능이죠.

 

2016년, 더 효율적으로 진공상태를 조성하기 위해 새로운 장치가 등장했습니다. 바로, 액체 헬륨을 이용해 극저온 상태에서 기체를 뽑아내는 ‘극저온 진공펌프’인데요. 이 펌프를 사용하면 기존의 진공상태보다 두 배가량 더 효과적으로 진공 용기 내부의 기체를 포집할 수 있죠. 이러한 과정을 모두 거치고 나면, 진공 용기 내의 압력은 대기압의 10억 분의 1 정도로 낮아져 본격적인 실험을 시작할 준비를 마치게 됩니다. 이제야 비로소, KSTAR 안에 플라즈마 실험을 위한 연료를 주입할 수 있게 되는 것이죠.

 

|2019 플라즈마 캠페인의 첫 단추, 진공 배기


2019년 8월 1일, 드디어 KSTAR는 올해 플라즈마 캠페인의 시작을 알렸습니다. 국가핵융합연구소의 연구자들은 매년 핵융합 연구를 위해 KSTAR에서 플라즈마 발생 실험을 진행할 수 있도록 장치를 가동하는 캠페인 기간을 갖는데요. 올해 캠페인은 8월에 시작하여 12월 말까지 이어질 예정입니다. 이제 막 플라즈마 실험 준비에 들어간 KSTAR는 9월 말이면 모든 준비를 마치고 본격적인 플라즈마 실험을 수행하게 됩니다. 인류의 미래를 밝힐 핵융합에너지를 실현할 수 있는 실마리를 찾기 위한 다양한 시도가 이어지는 것이지요.

 

늘 KSTAR 가동을 위한 첫 번째 단계는 진공 배기입니다. 앞으로 차곡차곡 채워나갈 성과를 위해서, 잠시 비워두는 무(無)의 미학을 실현하는 과정이라고나 할까요. 다 비우고 나서야 미래 에너지의 열쇠를 찾을 수 있는 KSTAR. 올여름도 어김없이, 국가핵융합연구소의 인공 태양은 더욱더 뜨겁게 달아오를 것입니다.

 

 

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