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202007.08

핵융합로, 도넛과 꽈배기 중 뭐가 더 좋을까?

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/1135

꽈배기와 도넛의 사진 

시장 입구에서 배배 꼬아놓은 모양으로 온몸에 설탕을 뿌려 우리를 유혹하는 존재가 있습니다. 위의 사진처럼 군침 돌게 하는 ‘꽈배기’입니다. 그리고 이 꽈배기의 대항마가 있죠. 동그란 링 모양으로 가운데 구멍이 뻥 뚫려 있는 ‘도넛’인데요. 도넛 위에 올라가는 다양한 토핑들은 우리의 시선을 매료시킵니다. 그런데 이 꽈배기와 도넛을 똑 닮은 두 태양이 있다는 사실 알고 계신가요? 배배 꼬인 태양과 도넛처럼 가운데가 뚫린 태양이 있다는 게 조금 낯설게 다가오는데요. 다름 아닌 지구 위에 만든 인공태양들의 모습입니다. 생긴 모양이 꽈배기와 도넛을 닮았다고 이 둘을 구분할 때 그렇게 부르곤 하죠. 각기 다른 모양새처럼 이 둘의 차이가 있다고 하는데요. 과연 그 차이점은 무엇인지 낱낱이 파헤쳐볼까요?

 

 

|배배 꼬인 코일을 따라 형성되는 플라즈마, 스텔러레이터

 

지구에 작은 태양을 가져오는 에너지, 핵융합 반응을 얻기 위해서는 초고온의 플라즈마가 필요합니다. 플라즈마 상태를 얼마나 안정적으로 오래 유지하느냐에 따라 핵융합로의 효율이 결정되는 거죠. 그리고 이 플라즈마 상태를 유지할 수 있는 방의 구조에 따라 핵융합로의 종류가 결정됩니다. 바로 토카막과 스텔러레이터 방식으로 말이죠.

 

이 둘의 가장 큰 차이는 플라즈마를 안정적으로 유지하기 위해서 꼭 필요한 나선형 자기장을 어떻게 만드느냐에 있습니다. 스텔러레이터는 플라즈마를 감싸고 있는 자기장 코일을 말 그대로 기계적으로 꼬아서 나선형 자기장을 만드는 데에 반해 토카막은 플라즈마를 감싸고 있는 단순한 형태의 장기장 코일과 플라즈마 내부에 흐르는 전류를 활용하여 나선형 자기장을 만들어 주는 방식을 활용합니다.

 

Wendelstein7-x-fusion-reactor ⓒMax Planck Institute for Plasma PhysicsWendelstein7-x-fusion-reactor ⓒMax Planck Institute for Plasma Physics

 

먼저 스텔러레이터에 대해 좀 더 알아봅시다. 흔히 뫼비우스형, 혹은 꽈배기 방식이라고 부르는데요. 이름처럼 스텔러레이터의 생긴 모양을 보면 배배 꼬여 있어요. 코일 자체를 뫼비우스의 띠처럼 여러 번 꼬아놓았죠. 플라즈마가 이 코일에 있는 자기장을 따라가면서 균일하게 형성됩니다. 1951년 프리스턴 플라즈마 물리 연구소의 라이먼 스피처에 의해 이론이 정립되었어요. 스텔러레이터 방식은 장시간 플라즈마를 안정적으로 유지할 수 있다는 장점이 있지만, 정교하게 휘어진 코일을 제작하기 어렵고, 비용도 비싸서 실현이 쉽지 않은 연구장치로 여겨졌습니다. 하지만 2000년대, 컴퓨터 계산능력의 발전, 소재 기술의 혁신, 초정밀 엔지니어링의 등장으로 인해 스텔러레이터 개발에도 바람이 불기 시작했죠.

 

이 방식을 적극적으로 연구하고 있는 곳은 일본과 독일입니다. 일본은 1998년. 스텔러레이터 핵융합 장치인 거대 나선장치(LHD)를 선보인 바 있고, 독일의 막스플라크 플라즈마물리학연구소는 2015년에 세계 최대 규모의 스텔러레이터 벤델슈타인7-X(W7-X)라는 핵융합장치를 완공하여 실험을 하고 있습니다. 특히 독일의 벤델슈타인 7-X는 2017년, 플라즈마를 100초 이상 유지하는데 성공하여 업계의 관심을 한 몸에 받은 바 있습니다. 최근에는 내부에 수냉식 내부 클래딩을 설치하여 기술력을 한층 업그레이드하고 있죠.

 

Wendelstein7-X 의 실제 모습 ⓒMax Planck Institute for Plasma Physics Wendelstein7-X 의 실제 모습 ⓒMax Planck Institute for Plasma Physics

 

 

|커다란 도넛 모양의 진공 자기장, 토카막

 

 세계 최초 토카막 연구장치 Russian T1 Tokamak ⓒITER.org 세계 최초 토카막 연구장치 Russian T1 Tokamak ⓒITER.org

 

토카막 방식은 이른바 도넛 방식이라 불리는 기술입니다. 소련의 이고르 탐과 안드레이 사하로프가 1952년 개발한 기술로 이름부터가 ‘도넛 형상의 자기 코일 방’을 의미한다고 해요. 토카막은 개발 초기에는 주목을 받지 못했지만, 1968년, 소련에서 토카막 장치인 T-3가 세계 최초로 플라즈마 온도를 1,000만℃까지 달성하면서 단숨에 주류로 떠올랐습니다. 토카막은 스텔러레이터에 비해 구조가 단순해서 비용이나 제작 시간 측면에서 유리한 점이 있습니다. 하지만 스텔러레이터에 비해 플라즈마에 흐르는 전류를 장시간 안정적이고 정밀하게 제어하는데 매우 정교한 제어 기술이 필요하다는 단점이 있습니다. 그러나, 토카막은 스텔러레이터에 비해 ‘H-모드’와 같은 고성능 플라즈마 운전 모드 등을 다양하게 활용하여 현저하게 뛰어난 성능의 플라즈마를 획득할 수 있는 장치로 여겨지고 있습니다.

 

유럽의 핵융합연구장치 JET의 모습 ⓒCCFE 유럽의 핵융합연구장치 JET의 모습 ⓒCCFE

 

토카막은 현존하는 핵융합 장치 중 가장 상용화 가능성이 높은 방식으로 꼽히고 있습니다. 이에 현재 핵융합을 연구하고 있는 많은 나라에서는 토카막 장치의 개발과 운영을 추진하고 있으며, 핵융합상용화를 위해 핵융합 선도국들이 힘을 모은 국제협력 프로젝트 국제핵융합실험로(ITER) 역시 토카막 방식으로 진행되고 있습니다. 독일의 벤델슈타인 7-X와 같은 최신 스텔러레이터 장치가 최근 활발한 연구 성과를 내놓고 있지만, 현재 가동되고 있는 핵융합장치의 수나 발표되는 연구성과 내용을 볼 때 여전히 핵융합연구의 주류는 토카막 방식이라고 할 수 있는 것이죠. 그러면 우리나라의 핵융합장치인 KSTAR은 어떤 방식을 쓰고 있고, 그 수준은 어느 정도일까요?

 

 

|세계 최고 기록을 가진 토카막 방식, KSTAR

 

한국의 인공태양 KSTAR의 토카막 모습 

 

KSTAR는 1995년부터 약 12년에 걸쳐 만들어진 토카막 방식의 초전도 핵융합연구장치입니다. 2008년에 첫 번째 운전을 시작했으니, 이제 12살이 되었죠. KSTAR는 기존 다른 핵융합 선진국의 장치와는 다른 특별한 토카막입니다. 바로 초전도자석을 이용한 토카막장치인데요. 초전도자석을 이용한 토카막장치는 플라즈마를 가둘 수 있는 더 강력한 자기장을 만들고 오랫동안 가동할 수 있어 장시간 안정적인 플라즈마 유지가 가능하다는 장점이 있습니다. 그래서 우리나라가 선진국들에 비해 뒤늦게 본격적인 핵융합연구를 시작했지만, 빠른 시간 안에 세계 최고 수준의 연구성과를 낼 수 있었던 것입니다. 실제로 KSTAR는 기존의 토카막 장치에서는 달성하기 힘들었던 플라즈마 경계면 불안정성 현상의 장시간 제어 성과를 얻었을 뿐만 아니라 플라즈마 경계면 불안정성 현상의 발생 및 제어 기작 규명에 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 특히 핵융합 핵심 조건으로 꼽히는 1억도 이상 초고온 플라즈마를 장시간 유지하는 부문에서 세계 최고 기록도 갖고 있죠. 이러한 성과들은 현재 건설되고 있는 국제핵융합실험로ITER의 운영에도 적용되어, 핵융합에너지 상용화를 앞당기는 토대가 될 것으로 기대하고 있습니다.

 

자, 이 정도면 도넛과 꽈배기의 차이를 이해하셨겠죠? 실제 도넛과 꽈배기 역시 모양은 완전히 다르지만 달콤한 맛으로 우리에게 든든한 간식이 되어주는 공통점이 있듯, 핵융합에너지 역시 어느 한 방식으로만 이루어지는 것이 아니라 다양한 연구를 통해 완성될 수 있습니다. 토카막과 스텔러레이터도 핵융합에너지 상용화를 향한 경쟁자가 아닌, 서로 연구성과를 보완해줄 수 있는 좋은 협력자가 되는 것이지요. 그러면 토카막과 스텔러레이터의 연구성과로 완성될 핵융합에너지 시대를 기대해 볼까요?  

 


 

 

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