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201909.25

‘아름다운 구속’, 1억도 태양 가두는 그물의 정체는?

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/kstar/994

 

“이젠 바다로 떠날 거예요~(더 자유롭게!) 거미로 그물 쳐서 물고기 잡으러!” ♬ 어디서 많이 들어본 노래이지 않나요? 흥을 띄우는 타이밍에 모두가 일어서서 떼창을 부르던 그때 그 노래, 가수 체리필터의 ‘낭만고양이’죠. 이 노래 가사처럼 ‘그물’이라고 하면 어부들이 물고기를 낚는데 사용하는 도구가 우리의 머릿속에서 가장 먼저 떠오릅니다. 촘촘히 이어진 그물의 구조를 이용해 물고기를 가둬버리는 것이죠. 거미 역시 그물 형식의 거미줄을 쳐서 날아가는 벌레들을 가두고 포박해서 먹잇감을 잡습니다. 뿐만 아니라, 그물이란 단어는 꽁꽁 ‘얽히고설켜 특정한 무언가를 가두는 것’을 지칭하는 대명사처럼 사용되는데요.

 

그런데 조금 특별한 ‘그물’이 있습니다. 1억 도로 뜨겁게 달아오르는 인공태양을 단단히 가둘 수 있는 그물인데요. 1억도라는 상상할 수 없는 초고온의 태양을 가둔다니 무엇으로 만든 그물인지 무척 궁금하실 텐데요. 인공태양을 가두는 그물은 우리가 흔히 생각하는 어떤 소재로 만들어진 눈에 보이는 그물이 아닙니다. 바로 초전도자석으로 만들어내는 ‘자기장’으로 만들어지는 그물인데요. 이 눈에 보이지 않는 자기장 그물은 어떻게 핵융합 반응이 일어나는 초고온의 플라즈마를 가두는 데 활용될 수 있을까요?

 

눈에 보이지 않는 자기장 그물에 갇힌 초고온 플라즈마

 

태양과 같은 상태인 초고온의 플라즈마, 즉 물질의 4번째 상태로 불리는 이온화된 기체는 자기장의 영향을 받는 특성이 있습니다. 강력한 자기장을 걸어주면 마치 기찻길을 벗어나지 않고 움직이는 기차처럼 자기장을 따라 움직이는 것입니다. 즉 자기장을 이용한 그물을 만들 수 있다면 이리저리 마음대로 움직이는 플라즈마를 묶어둘 수 있게 되는 것이죠. 그럼 어떤 원리로 초전도 자석이 플라즈마를 가둘 수 있는 자기장 그물을 만들게 되는지 보다 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

|세 종류의 초전도자석 품은 핵융합장치, ‘아름다운 구속’의 비결

 

우리나라의 핵융합장치인 KSTAR로 대표되는 초전도 핵융합 장치는 총 세 종류의 초전도자석으로 구성되어 있습니다. 세 종류의 자석들이 만들어내는 자기장들은 마치 그물처럼 태양처럼 뜨거운 초고온의 플라즈마를 감싸고 움직임을 제어하는 역할을 합니다. 플라즈마를 구속하기 위한 토로이달 자석(Toroidal Field, TF), 플라즈마의 위치와 형상 제어를 위한 폴로이달 자석(Poloidal Field, PF), 플라즈마를 발생시키고 유지하기 위한 중앙 솔레노이드 자석(Central Solenoid, CS) 자석이 바로 플라즈마를 가두기 위한 자기장 그물을 만드는 역할을 수행하고 있는 것이죠.

 

 

 

각각의 초전도 자석의 역할은 이렇습니다. 먼저 토로이달 초전도자석은 플라즈마를 진공용기 내에 가두기 위해 진공용기 둘레에 설치된 D자형 자석을 일컫습니다. 이 초전도자석은 핵융합 장치 내부의 진공용기에서 토로이달 자기장을 형성시켜 플라즈마가 발생할 수 있는 환경을 만들고, 플라즈마가 발생했을 때 자기장을 통해 고온의 플라즈마를 가두는 역할을 수행합니다. 토로이달 초전도 자석은 도넛 모양의 물체의 원통을 따라 코일을 감았을 때 자기장의 형태를 형성합니다. 만약 바닥에 놓인 도넛에 코일을 감는다면 코일은 바닥과 수직 형태로 감기게 되고, 자기장의 방향은 바닥과 수평으로 형성되죠. 여기서 바로 앙페르의 오른손 법칙이 적용되는데요. 앙페르의 법칙은 전선에 전류가 흐를 때 전류의 방향과 자기장의 방향에 대한 관계를 설명한 법칙입니다. 손으로 엄지손가락을 들어 ‘좋아요’ 모양을 만들면, 전류가 흐르는 방향인 엄지손가락을 제외한 나머지 손가락은 도선 주변에 흐르는 자기장의 방향과 일치한다는 것이죠.

 

하지만 또 다른 초전도 자석인 폴로이달 초전도자석은 토로이달 자석과는 정반대의 형태를 띠고 있습니다. 바닥에 놓인 도넛에 전선을 감을 때, 바닥과 수평 형태로 전선을 감고 자기장의 방향은 바닥과 수직으로 형성됩니다. 토로이달 자석은 플라즈마를 가두는 역할을 주로 수행했다면, 폴로이달 초전도자석의 자기장은 플라즈마의 위치 및 형상을 제어하는 역할을 하며 다양한 플라즈마 발생 시나리오를 구현할 수 있도록 도와줍니다. 폴로이달 초전도 자석의 일부는 토로이달 초전도 자석의 외부에 설치되고, 일부는 토카막 중심부에 설치가 되어 솔레노이드 초전도 자석이라는 새 이름으로 탄생하게 됩니다. 이렇게 토로이달과 폴로이달, 솔레노이드 초전도 자석이 함께 수평과 수직을 넘나들며 자기장을 발생시켰을 때, 초고온의 플라즈마가 도넛 모양의 진공용기 내에 원만히 가둬질 수 있는 그물이 만들어지는 것입니다.

 

 

|초전도 자석으로 자기장 그물을 만들기 위한 준비

 

이러한 핵융합장치를 구성하는 초전도 자석은 전류를 흘려줄 때만 자기장이 형성되는 전자석입니다. 많은 전류를 흘려줄수록 더 강한 자기장을 만들 수 있지요. 하지만 일반 전자석의 경우 큰 전류를 한 번에 흘리게 되면, 옴의 법칙에 의해 저항이 생겨납니다. 이 저항으로 인해 오믹히팅(Ohmic heating)이라는 열이 발생하는데, 이 열은 일반 자석을 쉽게 깨뜨리고 맙니다. 반면에 초전도 자석은 임계온도 이하로 내려가면 도체 내에 흐르는 전류의 저항이 사라지는 초전도 상태가 되어, 일반 자석보다 강한 전류를 오랫동안 흘릴 수 있습니다. 즉 초전도 자석으로 만들어진 핵융합 장치는 마음껏 전류를 흘려보내 강력한 자기장을 생성하고 더 오랫동안 플라즈마를 가둘 수 있게 되는 것이죠.

 

본격적인 플라즈마 캠페인 시작 전, 마지막 관문 초전도자석 전원 운전을 거칠 KSTAR 

 

KSTAR 장치처럼 초전도 자석을 사용하는 핵융합장치는 플라즈마를 가둘 수 있는 강력한 자기장을 만드는 전류를 흘리기 전에 사전 준비가 필요합니다. 앞서 이야기한 것처럼 저항이 사라지는 초전도 상태로 만들기 위해 자석을 –268℃의 극저온으로 냉각하는 것이지요. 약 한 달에 걸친 초전도 자석의 온도를 낮추는 냉각 단계가 무사히 완료되면 본격적으로 자석에 전류를 흘려주는 전원 운전을 시작하기 전, 초전도 자석이 초전도성을 제대로 띠는지 확인하는 특성시험이 진행됩니다. 극저온으로 냉각된 자석의 저항을 측정하여 제대로 초전도성을 발휘해 정상적인 실험이 이루어질 수 있는지를 확인하는 것이죠. 초전도자석의 초전도성의 정상 범위임을 확인한 후에는 실제 플라즈마 발생 실험과 동일한 고전류를 초전도 자석에 흘려주는 전원 운전에 돌입합니다. 플라즈마를 발생시키고 진공용기에 가두는 역할을 하는 토로이달 초전도자석이 실제 실험과 같은 최대 35kA의 전류를 흘려보내 자석이 제대로 작동하는지 확인하는 것입니다.

 

반면 폴로이달 초전도자석은 다양한 파형으로 최대 약 15kA의 전류를 흘려보내며 각각의 폴로이달 코일이 제대로 작동하는지 확인하는 개별 성능시험을 거치고, 전체 폴로이달 코일을 동시에 작동시키는 종합시운전을 진행합니다. 플라즈마의 위치 및 형상, 전류를 제어하는 섬세한 역할을 수행하는 폴로이달 초전도자석은 개별적인 자석의 성능과 각 자석 간의 간섭 효과를 철저히 검증할 필요가 있기 때문이죠. 이렇게 초전도자석의 상태를 시험하는 과정은 플라즈마 발생 실험 도입 전 최종 단계이자, 플라즈마 실험 기간 동안에도 초전도자석의 상태와 진단 장치의 이상 유무를 모니터링하기 위해 매일 아침 진행되는 관례이기도 합니다. 이 밖에도 전원 운전 단계에서는 플라즈마 발생 실험 시 플라즈마 상태를 진단하기 위한 진단장치나 연료를 주입하는 연료주입계, KSTAR 장치에 이상 상황이 생겼을 때 자동으로 운전 수행 과정을 정지시키는 인터록 시스템 등을 최종적으로 점검하며 본격적인 플라즈마 실험 준비를 마치게 됩니다.

 

이제 KSTAR는 장치 내부를 우주와 같은 진공상태로 만드는 진공배기 단계와 영하 268도로 초전도 자석의 냉각, 그리고 마지막으로 초전도 자석 전원 운전을 통해 2019년 플라즈마 실험 준비를 마무리하고 있습니다. 지난해 처음으로 1억도 초고온 플라즈마를 달성하는데 성공했던 KSTAR가 오는 10월부터 다시 뜨겁게 달아오를 준비가 된 것입니다. 올해 실험에서는 어떤 성과로 또 세상을 깜짝 놀라게 만들지, 인류의 오랜 꿈인 핵융합 에너지에 한 발짝 더 다가가기 위한 2019 KSTAR 플라즈마 캠페인에도 많은 관심과 응원 부탁드립니다.

 

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