한국의 인공태양 KSTAR, 1억도 300초 운전에 도전한다

초고온 플라즈마 장시간 운전 위한 텅스텐 디버터 설치 완료

한국의 인공태양 초전도핵융합연구장치 KSTAR [사진=핵융합연]

[아이뉴스24 최상국 기자] 지난 2021년 11월에 이온온도 1억도 이상의 초고온 고성능 플라즈마 30초 운전에 성공한 한국의 인공태양 KSTAR가 핵융합 에너지 상용화의 가늠자가 될 300초 운전 달성에 도전한다.

한국핵융합에너지연구원(원장 유석재)은 한국형초전도핵융합연구장치 KSTAR의 1억도 초고온 플라즈마 장시간 운전 기술 확보를 위한 장치 업그레이드를 성공적으로 마치고, 새로운 환경에서 실험을 시작한다고 13일 밝혔다.

약 2년간 진행된 이번 업그레이드 작업에서 핵융합연은 KSTAR의 핵심 장치 중 하나인 디버터를 텅스텐 소재로 개발해 설치를 완료했다.

디버터란 핵융합로 진공용기 하단에 위치한 플라즈마 대면장치로, 플라즈마 열속(heat flux: 단위면적 및 단위시간당 들어오는 열에너지의 양)이 직접 진공용기에 닿지 않도록 방패 역할을 하는 동시에 핵융합 과정에서 발생한 각종 불순물을 배출하는 통로가 되어 고성능의 플라즈마가 오래 유지될 수 있도록 돕는다.

기존 KSTAR에는 탄소 소재의 디버터가 설치돼 있었으나, 가열 장치의 성능향상과 1억도 이상 초고온 플라즈마 운전 시간 증가 등으로 탄소 디버터의 열속 한계치를 넘어서게 됐다.

이에 핵융합연구원은 열속 한계치가 높은 텅스텐 소재의 디버터로 교체하기로 결정, 2018년부터 개발을 시작해 2021년 첫 번째 시제품 제작에 성공했으며, 2022년 9월부터 약 1년간 기존 디버터의 해체와 새로 개발한 텅스텐 디버터의 설치를 진행했다. 새롭게 설치된 디버터는 텅스텐 소재의 모노 블록으로 만들어진 총 64개의 카세트가 모여 KSTAR 내부의 진공용기 하단부를 360도 두르는 형태로 이루어져 있다.

KSTAR 진공용기 내부모습[사진=핵융합연]

텅스텐은 높은 녹는점과 저항성, 낮은 방사화 등의 특성을 지닌 소재로 기존 탄소 디버터의 단점으로 여겨졌던 불순물 생성 및 냉각의 어려움 등을 보완할 수 있다. 또한, 열속 한계치도 10MW/㎡로 탄소 디버터와 비교해 성능이 약 2배 이상 향상됐다.

텅스텐 디버터 환경에서 이루어지는 KSTAR의 첫 플라즈마 실험은 오는 21일에 시작해 내년 2월 말까지 진행된다. 주요 목표는 텅스텐 디버터 환경에서 정상적인 장치 운전을 검증하고, 이를 바탕으로 기존에 KSTAR가 달성한 1억도 이상 초고온 고성능 플라즈마 운전 역량을 재현하는 것이다.

KSTAR 연구진은 달라진 디버터 구조에 맞추어 플라즈마 형상의 최적화 방안을 확보하는 등 새로운 디버터 환경의 특성을 빠르게 파악하고 적응하여 최적의 성능을 구현한다는 계획이다.

최종 목표는 2026년까지 300초 운전에 성공하는 것이다. 300초 연속운전은 핵융합 에너지 상용화로 가는 길에 가장 중요한 이정표다. 초고온 플라즈마를 연속운전할 수 있는지 가늠할 수 있는 모든 물리적 변수가 300초 안에 다 이루어지기 때문에 300초 연속운전이 가능해지면 24시간 연속운전이 가능해질 것으로 보고 있다. 연구진은 텅스텐 디버터 업그레이드 이후 50초, 100초를 단계적으로 달성하면 300초 운전까지는 급속도로 가능해 질 것으로 전망하고 있다.

유석재 핵융합연구원장은 “국제핵융합실험로(ITER)와 가장 유사한 장치로 손꼽히는 KSTAR 장치가 ITER와 동일한 텅스텐 소재의 디버터 환경을 갖추게 된 만큼, 향후 ITER의 플라즈마 실험 성공 가능성을 예측할 수 있는 KSTAR의 이번 플라즈마 실험에 전 세계의 관심이 집중되고 있다.”며 “새로운 도전에 나서는 KSTAR의 선도적 연구를 통해 향후 핵융합 실증로 운전을 위한 기술 확보에 앞장서겠다”고 밝혔다.

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)