한국 인공태양 'KSTAR' 1억도 플라즈마 운전 30초에서 48초로 신기록

한국핵융합에너지연구원

KSTAR 주장치 및 주요 부대장치 현황. 한국핵융합에너지연구원 제공

한국형초전도핵융합연구장치(KSTAR)가 내벽 부품을 교체한 후 진행한 첫 번째 플라즈마 실험에서 기존 기록을 경신했다. 이온온도 1억도 초고온 환경에서 48초 운전에 성공하면서 세계 최고 수준의 운전 기록을 달성했다.

한국핵융합에너지연구원 KSTAR 연구본부는 지난해 12월부터 올해 2월까지 진행한 ‘2023년도 KSTAR 플라즈마 실험’을 통해 이온온도 1억도 환경에서 초고온 플라즈마 48초 운전 및 고성능 플라즈마 운전모드(H-mode) 102초 운전 기록을 달성했다고 20일 밝혔다.

핵융합에너지의 실현을 위해서는 핵융합 반응이 활발히 일어나는 초고온·고밀도 플라즈마를 장시간 유지할 수 있는 기술을 확보해야 한다. 국내 기술로 개발된 초전도핵융합장치인 KSTAR는 그간 핵융합 플라즈마 장시간 운전 기술 분야에서 앞선 연구 성과를 달성해 왔다. 2018년 최초로 이온온도 1억도 플라즈마 달성 이후 2021년 1억도 플라즈마를 30초 유지하며 세계 기록을 수립했다. 

이번 실험에서는 기존 확보한 초고온 플라즈마 운전 기술 및 가열장치 성능 향상 등을 기반으로 이온온도 1억도 초고온 플라즈마 운전을 48초까지 연장하는 데 성공했다. 고온·고밀도 플라즈마 상태를 유지하는 가장 대표적인 핵융합 운전모드인 고성능 플라즈마 운전모드를 102초간 연속 운전하는 데에도 성공했다.

KSTAR 연구진은 "지난해 KSTAR 내부의 플라즈마 대면 장치 중 하나인 디버터를 텅스텐 소재로 교체하면서 장시간 플라즈마 운전에 따른 성능 감소 현상을 완화하게 됐다"고 설명했다. 텅스텐 디버터는 기존의 탄소 디버터와 비교했을 때 동일 열부하에 대해 표면 온도 증가가 약 4분의 1 수준에 불과해 초고온 플라즈마의 장시간 운전에 유리하다.

KSTAR의 최종 목표는 2026년까지 1억도 초고온 플라즈마 운전 300초를 달성하는 것이다. KSTAR 연구진은 이를 위해 KSTAR 내벽 부품 전체를 텅스텐으로 교체하고 인공지능(AI) 기반의 실시간 피드백 제어 기술을 확보하는 등 관련 연구 및 장치 성능 개선에 집중할 계획이다. 

윤시우 핵융합에너지연 KSTAR연구본부장은“KSTAR 최종 운전 목표 달성을 위해 가열 및 전류구동 장치의 성능향상을 순차적으로 진행하고 장시간 플라즈마 운전에 요구되는 핵심기술을 확보할 것”이라고 전했다. 

유석재 핵융합에너지연 원장은 “이번 성과로 핵융합 실증로 운전에 필요한 핵심기술 확보에도 청신호가 켜졌다”며 “KSTAR 장치의 안정적 운영을 바탕으로 국제핵융합실험로(ITER) 실험 주도와 핵융합 실증로 건설 및 운전을 위한 핵심기술 확보를 위하여 최선을 다하겠다”고 밝혔다. 

KSTAR 연구진은 이번 플라즈마 실험 성과 외에도 최근 미국 프린스턴 플라즈마 물리연구소(PPPL)와 공동연구를 통해 KSTAR의 외부 자기장을 이용한 오차 자기장 최적화 모델을 개발했다. 플라즈마 가장자리와 중심 부분의 불안정성을 동시에 안정화시킬 수 있는 방안을 실험으로 입증하는 데 성공한 바 있다. 이같은 성과는 지난달 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 게재됐다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]