"핵융합 발전 한걸음 앞으로" KSTAR 1억℃ 플라즈마 생성시간 기록 경신

텅스텐 디버터 교체 후 H-mode 102초 운전 성공

한국의 인공태양 KSTAR가 내벽 부품을 교체한 후 진행한 첫 플라즈마 실험에서 최고 기록을 경신했다.

한국핵융합에너지연구원(이하 핵융합연) KSTAR연구본부는 지난 3개월 간 진행한 KSTAR 플라즈마 실험에서 핵융합반응 핵심 조건인 이온온도 1억℃ 초고온 플라즈마 48초, 고성능 플라즈마 운전모드(H-mode)에서 102초 운전기록을 달성했다고 20일 밝혔다.

초전도핵융합장치 KSTAR. 한국핵융합에너지연구원

이번 실험으로 KSTAR 연구진은 지난해 교체 적용한 텅스텐 디버터의 성능을 검증하고, 가열, 진단, 제어장치 등 KSTAR 주요 구성요소들이 장시간 플라즈마 운전에 필요한 시스템 안정성을 갖췄음을 확인했다.

고성능 플라즈마 운전모드(H-mode) 상태인 KSTAR 내부. 한국핵융합에너지연구원

핵융합을 실현하려면 초고온·고밀도 플라즈마를 연속적으로 유지하는 것이 관건이다.

KSTAR는 플라즈마 장시간 운전기술 분야에서 2018년 세계 최초 이온온도 1억℃ 플라즈마 달성, 2021년 1억℃ 플라즈마 30초 유지 등 독보적인 기록을 갖고 있다.

연구진은 이번 실험에서 기존 초고온 플라즈마 운전기술 및 가열장치 성능 향상을 기반으로 이온온도 1억℃의 초고온 플라즈마 운전을 48초까지 연장했다.

이와 함께 고온·고밀도 플라즈마 상태를 유지하는 고성능 플라즈마 운전모드 102초 연속운전에도 성공했다.

이는 지난해 KSTAR 내부 플라즈마 대면장치 중 디버터를 텅스텐 소재로 교체, 장시간 플라즈마 운전에 따른 성능감소 현상을 완화했기 때문으로 분석된다.

텅스텐 디버터는 기존 탄소 디버터와 비교해 같은 열부하에도 표면 온도 증가는 1/4 수준이어서 초고온 플라즈마 장시간 운전에 유리하다. 

기존 탄소 디버터를 텅스텐 소재로 교체한 KSTAR 내부. 한국핵융합에너지연구원

하지만 플라즈마 접촉 시 생성되는 불순물에 의한 에너지 손실을 극복해야 하는 운전기술이 요구된다.

연구진은 이를 위해 KSTAR 내벽 전체를 텅스텐으로 교체하고 인공지능 기반 실시간 피드백 제어기술 확보 등 성능개선을 지속 실시해 2026년까지 1억℃ 초고온 플라즈마 운전 300초를 달성할 계획이다.

KSTAR 플라즈마 실험을 확인하는 연구진. 한국핵융합에너지연구원

윤시우 핵융합연 KSTAR연구본부장은 “연구팀의 철저한 준비로 텅스텐 디버터 환경에서 진행한 첫 실험에서 기존 성과를 뛰어넘는 결과를 단기간에 달성했다”며 “KSTAR 최종 운전목표 달성을 위해 가열 및 전류구동 장치 성능향상을 순차적으로 진행하고, 장시간 플라즈마 운전에 요구되는 핵심기술을 확보할 계획”이라고 설명했다.

또 유석재 핵융합연 원장은 “이번 성과로 핵융합 실증로 운전에 필요한 핵심기술 확보에 청신호가 켜졌다”며 “KSTAR의 안정적 운영을 바탕으로 국제핵융합실험로 ITER 실험 주도와 핵융합 실증로 건설 및 운전을 위한 핵심기술 확보를 위해 최선을 다하겠다”고 밝혔다. 

한편 핵융합연은 최근 미국 프린스턴 플라즈마 물리연구소(PPPL)와 공동연구로 KSTAR 외부 자기장을 이용한 오차 자기장 최적화 모델을 개발, 플라즈마 가장자리와 중심의 불안정성을 동시에 안정화시키는 방안을 실험으로 입증했다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com