초전도자석, 3만4000회 운전 끄떡없다

핵융합연, 나이오븀-틴 소재 초전도자석 영향 평가
반복 운전에도 성능 유지..우수한 제작기술 입증

한국핵융합에너지연구원 내 구축된 한국형 초전도 핵융합연구장치(KSTAR)의 핵심 부품인 초전도 자석이 지난 16년 동안 약 3만4000회 반복 운전에도 성능을 안정적으로 유지하고 있는 것으로 나타났다. 사진은 KSTAR 모습. 핵융합연 제공

KSTAR 초전도자석 실제 단면(CICC) 모습. 핵융합연 제공

국내 기술로 개발·구축된 한국형 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 핵심 부품인 초전도 자석이 지난 16년 동안 3만4000회 이상의 반복 운전에도 안정적인 성능을 유지한 것으로 나타났다. 세계에서 유일하게 나이오븀틴으로 제작한 초전도 자석의 우수한 기술력을 실험적으로 검증받은 것이다.

한국핵융합에너지연구원은 KSTAR의 장기간 운전이 초전도 자석에 미치는 영향을 평가하기 위해 수행한 초전도 자석 성능검증 시험에서 최대 성능이 유지되는 것을 확인했다고 24일 밝혔다.

핵융합장치에서 초전도 자석은 핵융합 반응이 일어나는 초고온의 플라즈마를 가두고 제어하기 위해 강력한 자기장을 만들어 낸다. KSTAR는 세계 최초로 나이오븀-틴(나이오븀-주석) 소재의 초전도 자석을 적용한 장치로, 0.8㎜의 초전도 선재 다발로 이뤄져 있다. 각각의 선재는 2마이크로미터 두께의 크롬 코팅으로 돼 있어 서로 절연 상태를 유지하고 있다. 현재 국제핵융합실험로(ITER)를 비롯한 핵융합 실증로의 초전도 자석도 동일한 소재로 설계가 진행되고 있다.

KSTAR의 초전도 자석은 2008년 KSTAR 장치 운전 시작 이후부터 매년 대전류와 고자장 등 극한 핵융합 환경에 반복 노출돼 왔다. 연구팀은 초전도 자석의 성능 저하 여부를 검증하기 위해 매년 약 15㎄(킬로암페어) 전류에서 교류 손실을 측정했는데, 올해는 25㎄까지 단계적으로 전류를 높이는 실험을 수행했다.

그 결과, 25㎄ 전류 인가 시에도 초전도 자석의 상태를 나타내는 데이터가 모두 안정적인 수치를 보였고, 교류 손실로 인한 총 발생 열량은 과거보다 더 줄어 줄어 자석이 더욱 안정된 것을 실험적으로 확인했다.

연구팀은 16년 동안 약 3만4000회 이상의 반복적인 펄스 운전에도 안정적인 성능을 유지할 수 있었던 것은 우리나라의 초전도 자석 제작 기술의 우수성과 KSTAR의 안정적인 운전 역량 덕분이라고 설명했다. 통상적으로 초전도 자석은 반복적인 고자기장 운전에 따라 얇게 코팅된 크롬 절연층의 품질이 저하돼 교류 손실이 커지고, 초전도 자석의 온도 상승으로 운전에 제약을 준다.

오영국 핵융합연 원장은 "KSTAR 건설 당시 다른 나라에서 시도하지 않았던 신소재 초전도 자석을 채택했던 혁신적 도전이 현재 KSTAR의 차별성을 만들었다"며 "KSTAR 운전 과정에서 확보하는 초전도 자석 데이터는 향후 ITER 초전도 자석 운전과 핵융합 실증로 초전도 자석 제작을 위한 중요한 자산이 될 것"이라고 말했다.

한편 이번 실험 결과는 24일부터 28일까지 서울 송파구 올림픽 파크텔에서 열리는 '국제 핵융합 및 플라즈마 콘퍼런스(iFPC) 2024'에서 발표된다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr