한국 '인공태양' 초전도자석, 16년 장기 운전에도 최대 성능

한국형초전도핵융합연구장치(KSTAR). 한국핵융합에너지연구원 제공

한국형초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 초전도자석이 16년 동안의 장기간 운전에도 최대 성능을 유지하고 있는 것으로 나타났다.

한국핵융합에너지연구원(이하 핵융합연)은 KSTAR의 장기간 운전이 초전도자석에 미치는 영향을 평가하고 이같은 성능 검증 시험 결과를 24일 밝혔다. 

초전도자석은 핵융합 장치에서 핵융합 반응이 일어나는 초고온의 플라즈마를 가두고 제어하기 위한 강력한 자기장을 만들어내는 핵심 부품이다. KSTAR는 세계 최초로 나이오븀-틴(Nb3Sn‧나이오븀-주석) 소재의 초전도자석을 적용한 장치로 국제핵융합실험로(ITER)를 비롯해 핵융합 실증로의 초전도자석도 동일한 소재로 설계가 진행되고 있다.

KSTAR의 초전도자석은 0.8밀리미터(mm)의 초전도 선재 다발로 이뤄졌다. 각각의 선재는 2마이크로미터(㎛) 두께의 크롬 코팅이 돼 있어 서로 절연 상태를 유지하고 있다. 그러나 반복적인 고자기장 운전에 따라 이 크롬 절연층의 품질 저하가 발생하면 교류 손실이 커지고 운전에 따른 초전도자석의 온도 상승이 발생해 운전의 제약이 발생한다. 

KSTAR의 초전도자석은 2008년 KSTAR 장치가 운전을 시작한 후부터 매년 대전류와 고자장 등 극한 핵융합 환경에 반복적으로 노출됐다. 지금까지 3만4000회 이상의 운전을 수행했다.

앞서 핵융합에너지연은 초전도자석의 성능저하 여부를 검사하기 위해 매년 약 15킬로암페어(kA) 전류에서 교류 손실(AC loss)을 측정하고 있다. 

올해는 초전도자석의 성능을 직접적으로 평가하기 위해 펄스 방식(일정 시간 멈췄다 다시 가동하는 운전 방법)으로 운전하는 중심 솔레노이드 자석에 15kA부터 정격 전류인 25kA까지 단계적으로 전류를 높이는 실험을 수행했다. 초전도자석의 초전도 상태가 깨지거나 열부하가 커질 경우 초전도자석의 성능이 저하된 것으로 판단했다.

실험 결과 25kA 전류가 흘렀을 때도 초전도자석의 상태를 나타내는 데이터가 모두 안정적인 수치를 기록했다. 교류 손실로 인한 총 발생 열량은 과거보다 더욱 줄어들어 자석이 더욱 안정됐다는 사실을 실험적으로 검증했다.

이번 검증 실험을 담당한 이현정 핵융합연 초전도시스템연구그룹 그룹장은 “KSTAR는 전 세계에서 유일하게 나이오븀틴으로 초전도자석을 제작한 핵융합 장치”라며 “운전 과정에서 확보하는 초전도자석 데이터는 향후 ITER 초전도자석 운전 및 핵융합 실증로 초전도자석 제작을 위한 중요 자산이 될 것”이라고 전했다. 

이번 실험 결과는 24일부터 5일간 서울 올림픽 파크텔에서 개최되는 국제 핵융합 및 플라즈마 컨퍼런스(iFPC 2024)에서도 발표된다. 

[박정연 기자 hesse@donga.com]