'더 오래, 더 뜨겁게' KSTAR, 텅스텐 디버터 설치로 장시간 운전 초석 마련

한국핵융합에너지연구원은 KSTAR 핵심 장치 '디버터'를 텅스텐 소재로 교체했다.

한국의 인공태양 KSTAR가 1억도(℃) 초고온 플라즈마 장시간 운전기술 확보를 위한 장치 업그레이드를 마쳤다.

한국핵융합에너지연구원(원장 유석재)은 한국형초전도핵융합연구장치 KSTAR 핵심 장치인 디버터를 텅스텐 소재로 교체하고, 이를 활용한 첫번째 플라즈마 실험을 시작한다고 13일 밝혔다.

디버터는 핵융합로 진공용기 하단에 위치한 플라즈마 대면장치다. 플라즈마 열속(단위면적·시간당 열에너지 양)이 직접 용기에 닿지 않도록 방패 역할을 한다. 핵융합 중 발생한 각종 불순물을 배출하는 통로도 된다.

이에 우수한 내열 성능의 디버터 확보가 중요하다. 기존 KSTAR에는 탄소소재 디버터가 설치됐다.

2018년 텅스텐 디버터 개발에 착수했는데, 텅스텐은 충격에 쉽게 깨져 복잡한 형상 KSTAR 장치 형상에 맞는 디버터를 개발하는 데 어려움이 있었다.

특히 텅스텐과 냉각수가 흐르는 구리소재 냉각관의 접합이 난관으로 여겨졌으나, 핵융합연은 국내 산업체와 협력해 두 재료를 고온·고압을 이용해 접합하는 새로운 방식을 고안해 문제를 해결했다.

2021년 첫 번째 시제품 제작에 성공했으며, 지난해 9월부터 약 1년간 텅스텐 디버터 설치를 진행했다.

텅스텐 디버터는 기존 탄소 디버터의 단점이던 불순물 생성과 냉각의 어려움 등을 보완할 수 있다. 또 열속 한계치도 1㎡ 당 10메가와트(㎿)로 탄소 디버터 대비 약 2배 향상됐다.

텅스텐 디버터 환경 첫 플라즈마 실험은 오는 21일 시작해 내년 2월 말까지 진행된다.

주요 목표는 정상적인 장치 운전 검증, 기존 KSTAR가 달성한 1억℃ 이상 초고온 고성능 플라즈마 운전 역량 재현이다.

유석재 원장은 “국제핵융합실험로(ITER)와 가장 유사한 장치로 꼽히는 KSTAR가 ITER와 동일한 텅스텐 소재 디버터 환경을 갖춘 만큼, 향후 ITER 성공 가능성을 예측할 수 있는 이번 플라즈마 실험에도 전 세계 관심이 집중되고 있다”며 “KSTAR 선도 연구를 통해 ITER 및 향후 핵융합 실증로 운전을 위한 기술 확보에 앞장서겠다”고 밝혔다.

한편 KSTAR는 이온온도 1억℃ 이상 초고온 고성능 플라즈마 30초 운전에 성공해 세계 최장기록을 보유하고 있다. 2026년까지 300초 운전 달성에 도전한다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com