핵융합에너지 실현, 플라즈마 연구 중추

한국핵융합에너지연구원, 청정에너지 확보 주력
2026년 초고온 플라스마 300초 달성 목표

KSTAR. 사진=한국핵융합에너지연구원 제공

새로운 청정에너지를 확보하는 것은 인류 생존에 필수적인 요소다. 동시에 탄소중립을 달성하는 해결책이기도 하다. 이에 인류는 태양이 에너지를 내는 원리인 핵융합 반응을 통해 태양처럼 무한하고 청정한 에너지를 만들기 위해 주력하고 있다.

한국핵융합에너지연구원은 국내 유일의 핵융합 전문 연구기관이다. 미래 에너지로 각광받고 있는 핵융합에너지를 실현하기 위해 관련 기술 개발을 주도하고 있다. 핵융합연은 한국의 인공태양이라 불리는 세계 최고 수준의 초전도핵융합연구장치 'KSTAR'를 건설하고 2008년부터 현재까지 핵융합에너지 난제 해결을 위해 앞장서왔다.

지난해에는 플라즈마의 고속이온과 관련한 성과를 냈다.

플라즈마는 고체-액체-기체에 이어 원자핵과 전자가 서로 분리돼 있는 물질의 네 번째 상태를 말한다. 지구에서 핵융합 반응을 활발히 일으키기 위해서는 태양 중심의 온도보다 약 7-8배 뜨거운 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 장시간 가둘 수 있어야 한다.

핵융합로 내에서 플라즈마를 발생시킬 때에는 플라즈마를 구성하는 이온 중 일반적인 플라즈마 보다 수 배의 운동에너지를 가지는 이온이 있는데, 이를 고속이온이라고 부른다. 고속이온은 초고온 달성을 용이하게 하기 때문에, 이를 안정적으로 가두는 것은 플라즈마 성능 향상에 매우 중요하다.

핵융합연은 지난해 핵융합 플라즈마에서 나타나는 대표적 불안정 현상 중 하나인 'TAE 불안정 현상'을 해석하고 예측할 수 있는 '고속이온 시뮬레이션 코드'를 개발했다.

TAE 불안정 현상이란 핵융합 플라즈마의 고속이온과 플라즈마가 자기장에 의해 만드는 일정한 파형의 상호작용 과정에서 생기는 것으로, 플라즈마 내부의 고속이온을 이탈시켜 가둠을 방해한다.

새롭게 개발된 시뮬레이션 코드는 해외 개발 코드와 교차 검증을 통해 우수한 계산 능력을 인정받았다. 고속이온의 가둠 성능 최적화에 활용돼 플라즈마 성능 향상 기술을 확보하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

KSTAR 진공용기 내부. 사진=한국핵융합에너지연구원 제공

핵융합연은 새로운 핵융합 플라즈마 운전모드인 'FIRE 모드'도 발견했다. 플라즈마의 대표적 불안정 현상 중 하나인 ELM(Edge Localized Mode)이 발생하지 않는다는 게 특징이다.

연구진은 KSTAR의 플라즈마가 FIRE 모드로 운전될 때 고속이온의 가둠 성능이 높게 나타나고, 성능이 향상된다는 사실에 주목했다. 이에 KSTAR 실험 분석·시뮬레이션을 통해 고속이온의 높은 분포가 플라즈마의 불안정성을 낮추고 성능을 향상시킨다는 것을 검증했다. 이 연구 성과는 세계적 학술지 '네이처(Nature)'에도 게재됐다.

핵융합연 관계자는 "FIRE 모드와 고속이온에 대한 연구는 앞으로도 계속될 예정"이라며 "KSTAR 초고온 플라즈마 장시간 운전 성과를 달성하는 중요한 실마리가 될 것"이라고 말했다.

KSTAR는 진공용기 내부의 플라즈마 대면재 일부인 '디버터'를 탄소 소재에서 열에 더욱 강한 텅스텐 소재로 교체하는 작업을 하고 있다. 디버터는 핵융합 환경에 노출돼 불순물과 헬륨을 제어하는 장치다. 플라즈마의 오염을 최소화하고 열부하로부터 내벽을 보호한다.

핵융합연은 디버터를 업그레이드해 초고온 플라즈마 장시간 운전 환경을 조성하고, 2026년까지 300초 운전을 달성할 계획이다. 또 텅스텐 소재의 디버터를 적용해 향후 국제핵융합실험로(ITER)에 적용할 수 있는 운전기술 개발에도 기여할 전망이다.

유석재 한국핵융합에너지연구원 원장은 "올해 플라즈마 실험은 업그레이드 작업이 완료된 뒤 준비 기간을 거쳐 11월부터 진행될 예정"이라며 " 핵융합에너지 시대를 열 수 있도록 최선을 다하겠다"고 말했다.

한국핵융합에너지연구원 전경. 사진=한국핵융합에너지연구원 제공