韓인공태양 `1억℃ 300초 운전` 도전… 핵융합 새 이정표 만든다

핵심장비 '디버터' 성능 개선
21일~2월말 첫 플라즈마 실험
2026년까지 연속 운전 목표

한국핵융합연구원은 KSTAR의 핵심 장치 중 하나인 디버터를 텅스턴 소재로 새로 개발·설치하고, 2026년까지 1억도 초고온 고성능 플라즈마 300초 운전을 목표로 첫 실험에 들어간다. 사진은 텅스텐 디버터로 교체된 플라즈마 내부 모습. 핵융합연 제공

텅스텐 소재의 모노 블록으로 만들어진 카세트로, KSTAR 내부의 진공용기 하단부를 360도로 두른다. 핵융합연 제공

'한국의 인공태양' 한국형초전도핵융합연구장치(KSTAR)가 오는 2026년까지 1억도 초고온 플라즈마 300초 연속 운전을 목표로 새로운 도전에 나선다. 만약 300초 운전에 성공하면 24시간 운전이 가능함이 확인되는 것인 만큼 향후 핵융합 실증로 건설과 함께 2050년 핵융합 발전 상용화의 이정표가 마련될 것으로 기대된다.

한국핵융합연구원은 KSTAR의 핵심 장치 중 하나인 디버터(진공용기 보호장치)를 텅스텐 소재로 새로 개발해 설치를 마치고, 첫 번째 플라즈마 실험을 시작한다고 13일 밝혔다.

디버터는 핵융합로 내부에서 발생하는 플라즈마의 강한 열속(단위면적과 단위시간당 들어오는 열에너지 양)이 집중되는 진공용기 아래 부분에 있는 플라즈마 대면장치를 일컫는다. 플라즈마 열속이 직접 진공용기에 닿지 않도록 일종의 방패 역할을 해 진공용기를 보호함과 동시에, 핵융합 과정에서 발생한 각종 불순물을 배출하는 통로가 돼 고성능 플라즈마의 장시간 유지를 돕는다.

장시간 초고온 플라즈마를 유지하기 위해선 우수한 내열 성능을 갖춘 디버터 확보가 필수적이다. 기존 탄소 소재의 디버터는 가열장치 성능 향상과 1억도 이상 초고온 플라즈마 운전 시간 증가 등으로 열속 한계치를 넘어섰다.

이에 핵융합연은 2018년부터 열속 한계치가 탄소 소재보다 높은 텅스텐 소재의 디버터 개발에 착수했다. 텅스텐은 금속임에도 충격에 쉽게 깨져 복잡한 형상의 KSTAR 장치에 맞는 디버터를 개발하는 데 어려움이 있었다. 특히 텅스텐과 냉각수가 흐르는 구리 소재의 냉각관 접합이 난관이었으나, 핵융합연은 국내 산업체와 협력해 고온·고압을 이용해 두 가지 재료를 접합하는 새로운 방식으로 디버터를 개발, 2021년 첫 시제품 제작에 성공했다.

지난해 9월부터 약 1년 동안 탄소 디버터 해체와 텅스텐 디버터 설치를 진행했다. 새로 설치된 디버터는 총 64개의 카세트가 모여 KSTAR 내부의 진공용기 하단부를 360도 두르는 형태로 설치됐다.

핵융합연 관계자는 "텅스텐은 높은 녹는점과 저항성, 낮은 방사화 등의 특성으로 탄소 소재가 지닌 불순물 생성과 냉각의 어려움을 보완할 수 있다"며 "열속 한계치도 탄소 디버터와 비교해 성능이 2배 이상 향상됐다"고 설명했다. 텅스텐 디버터 환경에서 KSTAR의 첫 플라즈마 실험은 오는 21일 시작해 내년 2월 말까지 진행된다. 첫 실험은 텅스텐 디버터의 정상적인 운전 검증과, 1억도 이상 초고온 고성능 플라즈마 운전 역량 재현에 초점을 맞춰 이뤄진다.

앞서 핵융합연은 2021년 11월 1억도 이상의 초고온 고성능 플라즈마 30초 운전에 성공해 세계 최장 기록을 보유한 바 있다.

유석재 핵융합연 원장은 "국제핵융합실험로(ITER)와 가장 유사한 장치로 평가받는 KSTAR가 ITER와 동일한 텅스텐 소재의 디버터 환경을 갖추게 된 만큼 향후 ITER의 플라즈마 실험 성공 가능성을 예측할 수 있는 이번 실험에 전 세계의 관심이 집중돼 있다"면서 "새로운 도전에 나서는 KSTAR의 선도적 연구를 통해 ITER와 핵융합 실증로 운전을 위한 기술 확보에 나서겠다"고 말했다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr