KSTAR, 16년간 3만4000번 작동해도 성능 그대로

초전도자석 제작기술과 KSTAR 운전역량 우수 입증

한국의 인공태양인 초전도핵융합연구장치 'KSTAR'. 핵융합에너지연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국의 인공태양인 초전도핵융합연구장치 'KSTAR'가 16년간 핵융합 연구를 위해 3만4000번 이상 작동했음에도 최대 성능을 유지하고 있는 것으로 밝혀졌다. 이는 우리나라 기업들의 우리나라의 초전도자석 제작 기술의 우수성과 연구진들의 우수한 운전 역량의 결과다.한국핵융합에너지연구원은 24일 열린 국제 핵융합 및 플라즈마 컨퍼런스(iFPC 2024)에서 KSTAR의 초전도자석 성능 검증 시험을 통해 최대 성능이 유지되고 있다는 것을 발표했다. 핵융합에너지연구원 측은 "우리나라의 인공태양 KSTAR 초전도자석의 제작 및 운영 기술의 우수성이 실험적으로 검증돼, 핵융합에너지 실현을 위한 혁신 기술 확보의 기반이 마련됐다"고 설명했다.

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

KSTAR의 초전도자석은 2008년 KSTAR 장치가 운전을 시작한 후부터 매년 대전류와 고자장 등 극한 핵융합 환경에 반복적으로 노출돼 왔다. 연구진은 초전도자석의 성능저하 여부를 검사하기 위해 매년 약 15kA 전류에서 장비나 회로에서 발생하는 에너지 손실 여부를 측정한다.

올해는 초전도자석의 성능을 직접적으로 평가하기 위해 장치를 일정시간 동안 가동한 후 멈추었다가 다시 가동하는 방식으로 실험했다. 이때, 초전도자석의 초전도 상태가 깨지거나 열부하가 커질 경우, 초전도자석의 성능이 저하된 것으로 판단한다.

실험 결과, 25kA 전류를 흘려도 초전도자석의 상태를 나타내는 데이터가 모두 안정적인 수치를 기록했으며, 교류 손실로 인한 총 발생 열량은 과거보다 더욱 줄어들어 자석이 더욱 안정된 것을 실험적으로 검증했다.

KSTAR의 초전도자석은 0.8㎜의 초전도 선재 다발로 이뤄져 있으며, 각각의 선재는 2마이크로미터(㎛) 두께의 크롬 코팅이 되어 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 발생하여 운전의 제약이 발생한다.

하지만 KSTAR는 초전도자석의 운전 성능이 유지되었을 뿐만 아니라, 교류 손실이 저감 되어 초전도자석의 상태가 더욱 안정된 것을 확인했다. 이는 향후 KSTAR 운전에도 긍정적인 신호로 여겨진다.

더불어 KSTAR 초전도자석의 특성에 대한 이해를 바탕으로 명확한 운전 기준을 수립하고 이를 준수한 결과, 초전도자석의 성능에 영향을 미치는 문제 발생을 최소화해 장기적 안정성을 확보할 수 있었다.

이번 검증 실험의 담당 연구자인 초전도시스템연구그룹 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.
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monarch@fnnews.com 김만기 기자