KSTAR 초전도자석 16년간 3만4천회 가동 "이상무"…40년 유지가 목표

핵융합연, 28일까지 열리는 국제 핵융합 및 플라즈마 컨퍼런스서 공개

(지디넷코리아=박희범 기자)우리나라 인공태양 KSTAR의 초전도자석 성능 검증 결과 16년 동안 안정화 상태를 지속 유지하고 있는 것으로 나타났다.

핵융합 연구계에서는 이 결과가 향후 40년 이상 가동 계획으로 돼 있는 핵융합로의 핵심부품 사용연수를 일부 확인한 것으로 보고 있다.

한국핵융합에너지연구원(핵융합연, 원장 오영국)은 초전도핵융합연구장치 KSTAR의 장기간 운전이 초전도자석에 미치는 영향을 평가하기 위해 초전도자석 성능 검증 시험을 수행한 결과, 최대 성능이 유지되는 것을 확인했다고 24일 밝혔다.

핵융합연 KSTAR의 초전도자석 단면과 다발(오른쪽).

초전도자석은 핵융합 반응이 일어나는 핵융합로에서 초고온 플라즈마를 가두고 제어할 자기장을 생성하는 핵심 부품이다. KSTAR는 세계 최초로 나이오븀-틴(Nb3Sn, 나이오븀-주석) 소재의 초전도자석을 적용했다.

이현정 토카막운전기술본부 초전도시스템연구그룹장은 "초전도라고 해서 상온에서 열이 전혀 없는 것은 아니다"며 "가동시 열량이 100에서 현재 50상태를 유지하는 것으로 이해하면 된다"고 말했다.

이 그룹장은 "현재 지속적으로 열량이 줄며 안정화 상태를 보이고 있다"며 "지금까지 16년 간 아무 문제없이 초전도 자석을 지속 사용한 전례도 없다"고 설명했다.

KSTAR의 초전도자석은 지난 2008년 운전을 시작한 후부터 매년 대전류와 고자장 등 극한 핵융합 환경에 반복적으로 노출되어 왔다.

연구진은 초전도자석의 성능저하 여부를 검사하기 위하여 매년 약 15kA 전류에서 교류 손실(AC loss)을 측정한다.

핵융합연 KSTAR 전경.(사진=핵융합연)

올해는 특별히 초전도자석의 성능을 직접 평가하고자 펄스 방식(pulse mode)으로 운전하는 중심 솔레노이드 자석(Central Solenoid)에 15kA부터 정격 전류인 25kA까지 단계적으로 전류를 높이는 실험을 수행했다.

펄스방식 운전은 장치를 일정 시간 동안 가동한 후 멈췄다 다시 가동하는 주기적인 운전 방법이다.

이때 초전도자석의 초전도 상태가 깨지거나 열부하가 커질 경우, 초전도자석의 성능이 저하된 것으로 판단한다.

이 실험 결과, 25kA 전류 인가 시에도 초전도자석의 상태를 나타내는 데이터가 모두 안정적인 수치를 기록했다고 연구진은 설명했다.

초전도 선재 240다발. 구리선재 120다발 반복 시험

핵융합연은 KSTAR의 초전도자석을 16년간 약 3만 4천 회 이상 펄스방식으로 반복 운전해 왔다.

이 초전도자석은 0.8㎜짜리 초전도 선재 240다발, 구리선재 120다발로 이루어져 있다., 각각의 선재는 2㎛ 두께로 크롬 코팅돼 있다.

이현정 그룹장은 “KSTAR는 전 세계에서 유일하게 나이오븀틴으로 초전도자석을 제작한 핵융합 장치”라며, “KSTAR 운전 과정에서 확보하는 초전도자석 데이터는 향후 ITER 초전도자석 운전 및 핵융합 실증로 초전도자석 제작을 위한 중요 자산이 될 것”이라고 말했다.

이번 실험 결과는 오는 28일까지 서울 올림픽 파크텔에서 열리는 국제 핵융합 및 플라즈마 컨퍼런스(iFPC 2024)에서 공개한다.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)