‘1억℃ 48초’ 세계 최고기록 갈아치운 한국…2년뒤 ‘인공태양’ 뜬다

한국핵융합에너지연구원
세계 최장 기술 확보
2026년 300초 유지가 목표
핵융합 실증로 건설도 추진
“2050년 실제 전력 생산”

한국형초전도핵융합연구장치(KSTAR). [사진=한국핵융합연구원]

“한국형초전도핵융합연구장치(KSTAR)가 1억도의 초고온 플라스마를 48초간 유지하는 데 성공했습니다. 이는 세계 최고 기록으로 ‘인공태양’ 실현에 한발짝 더 다가섰다고 볼 수 있습니다.”

지난 21일 대전 한국핵융합연구원. 윤시우 KSTAR 연구본부장은 핵심부품 중 하나인 ‘디버터’를 교체한 KSTAR를 가리키며 이 같이 말했다. 윤 본부장은 “디버터는 강한 열을 버티는 내열장치로 플라스마로부터 내부 용기를 보호하는 한편 핵융합 과정에서 발생하는 각종 불순물을 배출하는 통로 역할을 한다”며 “새 디버터를 장착한 KSTAR가 새 기록을 세운 것은 핵융합 발전 실현에 있어 중요 마일스톤”이라고 말했다.

핵융합은 중수소와 삼중수소 같은 가벼운 원소의 원소핵들이 결합해 무거운 원자핵으로 변하면서 에너지를 내놓는 현상이다. 태양이 열을 내는 원리와 유사해 인공태양이라 불리며, 탄소를 발생시키지 않아 청정에너지로 주목받는다. 약 1kg의 핵융합 연료로 1000만kg의 화석 연료와 맞먹는 에너지 생산이 이론적으로 가능하다.

한국형초전도핵융합연구장치(KSTAR). [사진=한국핵융합연구원]

핵융합 반응이 일어나려면 1억도 이상 초고온 상태의 플라스마(원자핵과 전자가 분리된 이온 상태)가 필요하다. 태양은 자체 질량과 중력으로 초고온 플라스마 상태를 스스로 만들지만 지구에서는 1억도의 초고온 플라스마를 인위적으로 만들어야 한다.

KSTAR는 이런 플라스마를 만들어내는 핵융합 실험시설이다. 2007년 완공한 이후 괄목할 만한 성과를 내왔다. 2018년 첫 1억도 플라스마를 달성했고 매해 유지시간을 늘려왔다. 가장 최근인 지난달 48초를 유지하는데 성공했다. 세계 최고 기록이다. 기존 디버터와 비교해 표면 온도 증가가 4분의 1 수준에 불과한 새 디버터로 교체한 결과다. 새 디버터는 녹는 점이 3422도로 금속 중 가장 높은 텅스텐을 소재로 사용한다. 텅스텐은 기계적 강도와 인장 강도가 뛰어나고 열을 식히는데도 용이하다.

이날 KSTAR는 1억도 초고온을 언제 품었냐는 듯 조용했다. 높이 9.6m, 지름 9.4m 무게 1000t에 달하는 거대 은빛시설에 차가움까지 느껴졌다. 윤 본부장은 “KSTAR는 더 오래 뜨거움을 품기 위해 현재 재정비에 들어갔다”며 “가열 및 전류구동 장치의 성능 향상을 순차적으로 진행할 계획”이라고 말했다.

새 디버터를 설치한 한국형초전도핵융합연구장치(KSTAR) 내부 모습. [사진=한국핵융합연구원]

최종목표는 2026년까지 300초를 달성하는 것이다. 윤 본부장은 “이를 위해 KSTAR 연구진은 인공지능 기반의 실시간 피드백 제어 기술을 확보하는 등 관련 연구 및 장치 성능 개선에 집중할 계획”이라며 “300초를 달성한다는 것은 핵융합 발전소에 적용할 플라스마 기술이 실험실 검증을 마치게 된다는 것을 의미한다”고 말했다.

핵융합은 한국이 세계에서 가장 앞서 나가는 과학 분야 중 하나다. 정부는 핵융합 실증로 건설까지 고려하고 있다. 2026년까지 실증로 예비개념 설계, 2030년 개념 설계에 들어가 2035년까지 공학 설계를 진행할 계획이다. 윤 본부장은 “핵융합은 이제 꿈의 에너지가 아니다”며 “2030년대 중반 실증로를 거쳐 2050년대 상용 핵융합 발전소가 운영될 것”이라고 말했다.