“엄청난 내구성” 韓 인공태양 KSTAR…16년 연속운전에도 이상無

- 우리나라 초전도자석 제작 및 운영 기술 우수성 증명

초전도핵융합연구장치 KSTAR.[한국핵융합에너지연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 우리나라의 인공태양 KSTAR 초전도자석의 제작 및 운영 기술의 우수성이 실험적으로 입증됐다.

한국핵융합에너지연구원은 초전도핵융합연구장치 KSTAR의 장기간 운전이 초전도자석에 미치는 영향을 평가하기 위한 초전도자석 성능 검증 시험 결과, 최대 성능이 유지되는 것을 확인했다고 24일 밝혔다.

핵융합 장치에서 초전도자석은 핵융합 반응이 일어나는 초고온의 플라즈마를 가두고 제어하기 위한 강력한 자기장을 만들어내는 핵심 부품이다. 특히 KSTAR는 세계 최초로 나이오븀-틴(Nb3Sn, 나이오븀-주석) 소재의 초전도자석을 적용한 장치로, 국제핵융합실험로(ITER)를 비롯하여 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. 이에 연구진은 초전도자석의 성능저하 여부를 검사하기 위하여 매년 약 15kA 전류에서 교류 손실(AC loss)을 측정한다.

하지만 올해는 초전도자석의 성능을 직접적으로 평가하고자 펄스 방식(pulse mode)으로 운전하는 중심 솔레노이드 자석(Central Solenoid)에 15kA부터 정격 전류인 25kA까지 단계적으로 전류를 높이는 실험을 수행했다. 이때 초전도자석의 초전도 상태가 깨지거나 열부하가 커질 경우, 초전도자석의 성능이 저하된 것으로 판단한다.

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

KSTAR 초전도자석 실제 단면.[한국핵융합에너지연구원 제공]

KSTAR의 초전도자석이 16년간 약 3만 4천 회 이상의 반복적인 펄스 운전에도 안정적인 성능을 유지할 수 있었던 것은 우리나라의 초전도자석 제작 기술의 우수성 및 KSTAR 장치의 안정적인 운전 역량 덕분이다.

KSTAR의 초전도자석은 0.8mm의 초전도 선재 다발로 이루어져 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.

이현정 초전도시스템연구그룹장은 “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 전했다.

오영국 한국핵융합에너지연구원장은 “KSTAR 건설 당시 다른 나라에서는 시도하지 않았던 신소재 초전도자석을 채택했던 혁신적 도전이 현재 KSTAR의 차별성을 만들었다”며 “KSTAR의 데이터와 경험이라는 중요한 자산을 밑거름으로 핵융합에너지 실현을 위해 최선을 다하겠다”고 전했다.

nbgkoo@heraldcorp.com