인공태양 KSTAR, 텅스텐 디버터 설치 완료…더 오래 뜨거워진다

초고온 플라즈마 장시간 운전 위한 텅스텐 디버터 설치
2026년까지 1억도 초고온 플라즈마 300초 달성 목표

한국의 인공태양 KSTAR 장치. 사진=한국핵융합에너지연구원 제공

한국의 인공태양 'KSTAR'가 1억도 초고온 플라즈마 장시간 운전 기술을 확보하기 위한 열배출기 업그레이드를 마치고, 새로운 환경에서 실험을 시작한다.

한국핵융합에너지연구원은 우리 기술로 완성한 세계 최고 수준의 '초전도 핵융합연구장치'인 KSTAR의 내부 대면 장치 중 하나인 디버터를 텅스턴 소재로 신규 개발해 교체를 완료, 첫 번째 플라즈마 실험을 시작한다고 13일 밝혔다.

디버터는 핵융합로 내부에서 발생하는 플라즈마의 강한 열속이 집중되는 진공용기 하단에 위치한 플라즈마 대면장치다. 플라즈마 열속이 직접 진공용기에 닿지 않도록 방패 역할을 해 진공용기를 보호하는 동시에 핵융합 과정에서 발생한 각종 불순물을 배출하는 통로가 돼 고성능의 플라즈마가 오래 유지될 수 있도록 돕는다.

장시간 초고온 플라즈마를 유지하기 위해선 운전 시간과 비례해 증가하는 열에너지를 잘 견딜 수 있는 우수한 내열 성능을 갖춘 디버터를 확보하는 것이 매우 중요하다.

태양보다 중력이 훨씬 작은 지구에서 핵융합에너지를 얻기 위해서는 태양의 중심온도보다 약 7배 뜨거운 1억도 이상의 고온·고밀도 플라스마를 장시간 유지해야만 한다. 기존에는 탄소 소재의 디버터가 설치돼 있었으나 열 장치의 성능향상 및 1억도 이상 초고온 플라즈마 운전 시간 증가 등으로 탄소 디버터의 열속 한계치를 넘어서게 돼 열속 한계치가 높은 텅스텐 소재 디버터로 교체하기로 결정하고 지난 2018년 개발에 착수했다.

그러나 텅스텐은 금속임에도 쉽게 깨지는 성질이 있어, 복잡한 형상의 KSTAR 장치에 맞는 디버터를 개발하는 데 어려움이 있었다. 특히 텅스텐과 냉각수가 흐르는 구리소재의 냉각관의 접합이 난관으로 여겨졌다.

연구원은 국내 산업체와의 협력을 통해 고온·고압을 이용하여 두 가지 재료를 접합하는 새로운 방식을 고안해 디버터 개발을 추진, 지난 2021년 첫 번째 시제품 제작에 성공하고 지난해 9월부터 약 1년간 기존 디버터의 해체와 새로 개발한 텅스텐 디버터의 설치를 진행했다.

인공태양 KSTAR에서 1억도 초고온 플라즈마가 발생하는 진공용기 내부. 사진=한국핵융합에너지연구원 제공

새롭게 설치된 디버터는 텅스텐 소재의 모노 블록으로 만들어진 총 64개의 카세트가 모여 KSTAR 내부의 진공용기 하단부를 360도 두르는 형태로 이뤄졌다.

텅스텐은 높은 녹는 점과 저항성, 낮은 방사화 등의 특성을 지닌 소재로 기존 탄소 디버터의 단점으로 여겨졌던 불순물 생성 및 냉각의 어려움 등을 보완할 수 있다. 또, 열속 한계치도 10MW/m2로 탄소 디버터보다 성능이 약 2배 이상 향상됐다.

텅스텐 디버터 환경에서 이루어지는 KSTAR의 첫 플라즈마 실험은 오는 21일에 시작해 내년 2월 말까지 진행된다.

목표는 텅스텐 디버터 환경에서 정상적인 장치 운전을 검증하고, 이를 바탕으로 기존에 KSTAR가 달성한 1억도 이상 초고온 고성능 플라즈마 운전 역량 재현이다.

유석재 원장은 "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 ITER 및 향후 핵융합 실증로 운전을 위한 기술 확보에 앞장서겠다"고 말했다.

KSTAR는 2020년 세계 최장기록인 20초를 달성하며 핵융합 연구의 새 역사를 기록했으며, 이후 이를 30초까지 연장하는 데 성공했다. 현재 핵융합연의 목표는 2026년까지 초고온 플라스마를 300초간 달성이다.