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201908.21

1억도 인공태양을 만드는데 영하 268℃ 극저온이 필요하다?

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/kstar/980

|우주 속 빛나는 태양의 ‘핵융합’, 지구에서 재현하는 ‘인공태양의 원리’


우리는 나날이 태양으로부터 살아가는 데 필요한 에너지를 얻으며 살아갑니다. 태양의 빛을 받아 광합성 한 식물의 산물을 먹고 살고, 태양의 열로 이뤄진 적정한 온도 덕에 생명을 유지할 수 있죠. 이처럼 태양이 매 순간 빛을 내며 에너지를 뿜어낼 수 있는 건, 바로 ‘핵융합’ 반응 덕분입니다. 핵융합 반응은 수소와 같은 가벼운 원자가 서로 결합하여 무거운 원자로 변하는 과정에서 에너지가 발생하는 것을 뜻하는데요. 태양 내부에서는 핵융합 반응이 끊임없이 이뤄지고 있기에, 계속 에너지를 분출할 수 있는 것입니다.

 

태양 중심의 온도는 1,500만°C에 달하며, 압력은 1,000억 기압 정도를 유지하고 있는데요. 이러한 조건 덕에 태양 내부에서는 1초 동안 6억 5,700만 톤의 수소가 합쳐져, 6억 5,300만 톤에 달하는 어마어마한 양의 헬륨이 생성되고 있습니다. 초고온 상태에 놓여있는 가벼운 상태의 수소가, 무거운 헬륨으로 바뀌는 과정에서 에너지가 방출되는 것이죠. 이처럼 핵융합 반응을 이용하면, 무한한 고효율 에너지를 얻을 수 있다는 장점이 있습니다.

 

 

하지만 지구에서 태양과 같은 핵융합 반응을 재현한다는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다. 태양 내부와 유사한 초고온·초고압의 환경을 구현한다는 것은 실질적으로 어려운 데다, 수소 원자들을 1억°C 이상의 초고온 플라즈마 상태로 만들어야 하기 때문이죠. 하지만 과학자들은 이 한계를 극복하고 태양처럼 핵융합에너지를 만들 수 있는 ‘인공태양’ 장치를 개발했습니다. 강력한 자기장으로 1억도의 초고온 플라즈마를 가둘 수 있는 토카막이라 불리는 핵융합장치이지요. 우리나라에도 ‘KSTAR’라는 초전도핵융합장치가 있습니다. KSTAR는 초전도 토카막 장치로는 세계 최초로 태양 중심 온도보다 7배나 뜨거은 1억도의 초고온 플라즈마를 달성하는 성과를 거두기도 했는데요. KSTAR가 1억°C가 넘는 초고온의 플라즈마를 가두기 위해 반드시 거쳐야 하는 과정이 있습니다. 바로 KSTAR를 -268℃의 극저온의 상태로 냉각시키는 것입니다.

 

|세상에서 가장 뜨거운 물질을 담는 가장 차가운 그릇, 토카막


먼저 KSTAR 안에는 진공용기를 둘러싼 D자형 자석 16개, 중심부에 위치한 원통형 자석 8개, 진공용기 위아래에 위치한 6개의 고리형 자석 등 총 30개의 초전도자석이 존재합니다. ‘초전도’란 온도가 매우 낮아졌을 때, 도체 내에 흐르는 전류의 저항이 사라지는 현상을 일컫는데요. 초전도 상태에서는 도체에 많은 전류가 흘러도 저항에 의한 온도 상승이 거의 없을 뿐만 아니라, 이로 인한 전력 손실도 매우 적습니다. 이 때문에 강한 자기장이 필요한, KSTAR와 같은 핵융합 장치에는 초전도자석을 활용하고 있습니다.

 

초전도자석을 이용해 저항없이 강력한 자기장을 형성하기 위해서는, 초전도 자석의 극저온 냉각은 빼놓을 수 없는 필수 조건입니다. 물질이 초전도 상태가 되는 온도를 ‘임계온도’라고 하는데요. 초전도자석이 임계온도 이상으로 온도가 올라가면 초전도성을 잃으면, 전기 저항이 생겨 열이 발생하고 맙니다. 이렇게 되면 핵융합 반응을 위한 적합한 조건을 갖출 수 없을뿐더러, 초전도자석이 부서져 버릴 수도 있죠. 따라서 초전도자석을 임계온도 이하로 냉각하고 유지하는 것은 핵융합장치 운전에 있어 아주 중요한 작업입니다. KSTAR 초전도 자석의 임계온도는 무려 –268도나 됩니다. 절대 온도에 가까운 극저온이지만 이를 달성하는데 문제는 없습니다. 국내 기술력으로, 안정적으로 초전도자석을 냉각시키는 법을 터득했기 때문이죠.

 

 

 

KSTAR는 초전도자석을 안정적으로 냉각시키기 위해 초임계 헬륨을 활용합니다. ‘초임계’란,높은 압력을 가했을 때 액체와 밀도는 같지만 액체보다 점도가 낮아 액체가 기체처럼 퍼져나가는 물질의 상태입니다. 이러한 초임계 상태는 초전도자석을 구석구석 고르게 냉각할 수 있도록 도와주죠. 따라서 초저온의 액체 헬륨을 생산하여 초전도 자석에 흘려주면, 자석 전체를 고르게 냉각할 수 있습니다. 이 액체헬륨을 이용해 상온 상태의 KSTAR의 초전도 자석을 -268°C까지 낮추는 데는 보통 보름에서 한 달이라는, 긴 시간이 소요됩니다. 온도가 급격히 변화하면 초전도 자석이나 냉각 용기, 진공 용기의 부피가 변화해 손상을 입을 수 있는 우려가 있기 때문에, 평균 하루에 약 15°C씩 천천히 냉각을 진행하는 것을 목표로 하고 있습니다. 실험이 끝난 뒤 다시 상온으로 온도를 높이는 데에도 비슷한 속도로 온도를 올립니다.

 

이렇게 KSTAR 장치의 냉각시스템은 30개의 대형 초전도 자석을 냉각시켜야 하는 만큼 그 몸집도 제법 큰 편인데요. 이 냉각시스템은 크게 저온헬륨냉동장치와 냉각수 설비로 구분됩니다. 저온헬륨 냉동장치는 액체헬륨을 장기간 안정적으로 분배하는 장치로, 시간당 무려 3,000L의 액체 헬륨을 생산해낼 수 있죠.
하루에 약 65,000L의 액체헬륨을 생산할 수 있는 헬륨장치는 4.5K에서 9.5kW의 냉각성능을 갖고 있습니다. 이때 소모되는 전력은 무려 3.6MW로, 실내스키장 세 곳을 운영하는데 소요되는 부하와 맞먹는 수치입니다. 장치가 KSTAR장치 중 냉각 상태로 운전되는 냉각체는 총 300톤에 달하는 중량이니 만큼 냉각장치의 스케일도 남다르죠.

 

 

 

|2019 KSTAR 캠페인의 두 번째 발걸음, ‘극저온 냉각’의 시작


지난 8월 1일 KSTAR 장치는 2019년 핵융합에너지를 향한 새로운 도전을 위해 플라즈마 캠페인을 시작했습니다. 그 첫 번째 단계로 ‘진공 배기’를 통해 KSTAR를 완전한 진공상태로 만들어 플라즈마 실험을 위한 환경을 조성했습니다. 이제 두 번째 단계인 초전도 자석의 냉각에 들어갔습니다. 초고온의 플라즈마를 가둘 차가운 그릇을 만들기 위한 준비를 하고 있는 것이죠.

 

세상을 바꾸는 동력은, 뜨거운 열정이라고들 합니다. 하지만 더 나은 세상을 만들고자 하는 그 뜨거운 열정은 냉철한 이성이 함께할 때 더욱 강렬해질 것입니다. 뜨거운 여름, 극저온을 향하여 달려가고 있는 KSTAR의 모습 또한 마찬가지입니다. 인류의 미래에너지를 향한 1억도 뜨거운 플라즈마를 품기 위해 KSTAR는 영하 268℃라는 극저온를 필요로 합니다. 올해도 어김없이 KSTAR는 보름에서 한 달간의 극저온 냉각을 거친 후, 본격적인 플라즈마 실험 전 마지막 단계인 초전도 자석 운전을 시작하게 됩니다. 차디찬 이성과 뜨거운 열정으로 무장한 KSTAR와 함께, 2019 플라즈마 캠페인의 여정은 앞으로도 계속됩니다.

 

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