한국 인공태양 'KSTAR', 핵융합 실증로 운전 시나리오 개발 나선다

핵융합연, 내년 2월까지 고온·고밀도·고전류 플라즈마 운전조건 달성 실험 추진

[유창재 기자]

▲ 한국핵융합에너지연구원에 위치한 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 모습. ⓒ 한국핵융합에너지연구원

한국의 인공태양 'KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)'가 핵융합 실증로 운전에 필요한 고성능 플라즈마 운전 시나리오를 조기 개발하기 위해 본격적인 실험을 시작했다. 이번 'KSTAR 플라즈마 실험'은 내년 2월까지 진행될 예정이다.

한국핵융합에너지연구원(원장 오영국, 아래 핵융합(연))은 11일 "텅스텐 디버터 환경에서 고온·고밀도·고전류 플라즈마 운전 기술 확보를 위한 플라즈마 실험을 시작했다"고 밝혔다.

KSTAR는 1995년부터 2007년까지 12년에 걸쳐 국내 기술로 개발된 우리나라의 초전도 핵융합연구장치로, 2008년 최초 플라즈마 발생에 성공했다. 주요 선진국들이 공동으로 개발하고 있는 국제핵융합실험로(ITER : International Thermonuclear Experimental Reactor) 장치와 동일한 초전도 재료로 제작된 세계 최초의 장치로 국제 핵융합 공동 연구장치의 핵심으로 주목받고 있으며, 매년 핵융합 기술 개발을 위한 플라즈마 실험을 수행하고 있다.

국제핵융합실험로(ITER)는 핵융합 선진 7개국(한국, 미국, EU, 러시아, 인도, 중국, 일본)이 초대형 국제협력 연구개발(R&D) 프로젝트를 통해 공동으로 개발·건설 중인 국제핵융합실험로이며, 대용량 핵융합에너지 생산의 가능성을 실증하는 것을 목표로 하고 있다.

이어 핵융합(연)은 이번 실험의 배경에 대해 "최근 전 세계는 기후변화 대응 및 인공지능(AI) 등 최첨단 기술 활용에 필요한 대용량 에너지원 확보를 위하여 핵융합에너지 실현을 앞당기는데 박차를 가하고 있다"면서 "우리나라도 지난 7월 핵융합에너지 가속화 전략(안)을 발표하고 핵융합에너지 조기 실현을 위한 행보를 시작했다"고 설명했다.

그러면서 "이에, 실제 핵융합 전기 생산을 실현할 핵융합 실증로 운영에 필요한 플라즈마 운전 시나리오의 개발이 시급한 과제로 대두되고 있다"고 부연했다.

▲ 한국핵융합에너지연구원에 위치한 초전도핵융합연구장치(KSTAR)의 모습. ⓒ 한국핵융합에너지연구원

특히 핵융합(연)은 "KSTAR는 지난해(2023년) 텅스텐 디버터의 성공적인 교체 및 초전도자석의 안정적인 성능 검증을 바탕으로 장치의 우수성을 입증했다"며 "이를 바탕으로 세계 최고 수준의 고성능 플라즈마 장시간 운전 성과를 발표하는 등 핵융합 실증로용 운전 기술 확보를 위한 기반을 갖춘 장치로 인정받고 있다"고 강조했다.

이에 KSTAR는 올해 이번 실험을 기점으로 본격적인 핵융합 실증로용 플라즈마 운전 시나리오 확보를 위한 플라즈마 물리 실험에 돌입한다는 것. 이를 통해 고온·고밀도·고전류 조건에서 높은 가둠 성능을 달성할 수 있는 고성능 시나리오 연구 및 고성능 플라즈마 환경을 방해하는 각종 불안정 현상을 억제할 기술 연구가 더욱 확대될 것으로 전망하고 있다.

무엇보다 이번 KSTAR의 플라즈마 실험에서는 '텅스텐 디버터(Divertor)'의 성능 점검 및 내벽 연구 강화를 통해 실증로 환경에 적용할 수 있는 텅스텐 불순물 제어 연구가 중점적으로 이루어질 예정이다.

참고로, 디버터(Divertor)란 핵융합로에서 초고온 플라즈마를 운전할 시에 발생하는 강한 열속으로부터 진공용기를 보호하기 위해 장치 하단부에 설치된 핵심 장치다. 핵융합로 내부에서 플라즈마와 유일하게 맞닿는 장치로 플라즈마의 형상 조절 및 플라즈마 연소로 발생한 내부 불순물을 외부로 배출시키는 통로 역할도 담당한다고 한다.

또한 핵융합(연)은 '텅스텐'의 경우 열에 강한 특성 덕분에 핵융합로 내벽 소재로 적합하지만, 운전 과정에서 발생하는 텅스텐 불순물이 플라즈마의 성능 및 안정성을 저하시키는 단점이 있다고 소개했다.

그러면서 "동일한 텅스텐 소재를 활용할 예정인 국제핵융합실험로(ITER) 및 핵융합 실증로의 운전을 위해서 텅스텐 불순물 처리는 가장 중요한 연구 주제로 손꼽힌다"며 "이에 텅스텐 불순물 발생 억제, 자기장 제어를 통한 텅스텐 불순물 방어, 가열장치를 이용한 불순물 배출 등 다양한 방법을 검증하기 위한 실험이 진행된다"고 부연했다.

효과적인 실험 진행을 위해 시나리오, MHD(magnetohydrodynamics, 자기유체역학) 안정화 연구, 경계면 페데스탈 연구 등 주요 연구 주제별로 6개의 워킹 그룹을 구성하고, 국내외 연구 기관과의 협력 연구도 적극적으로 추진된다.

이와 함께 미국 DIII-D(1980년대부터 미국 General Atomics(GA)에서 운영해 온 핵융합 연구용 토카막 장치) 장치 연구팀, 프랑스 WEST(W Envionment in Steady-state Tokamak : CEA(프랑스 원자력청)에서 운영하는 연구용 토카막 장치) 장치 연구팀을 비롯하여 일본, 중국 등과 함께 핵융합 난제 해결에 기여할 40여 개 주제의 공동 실험을 추진하며, 이러한 국제 협력 연구는 향후 영국, 체코 등으로 더욱 확대해 나갈 예정이다.

남용운 핵융합(연) KSTAR 연구본부장은 "KSTAR는 우리나라뿐 아니라 전 세계 연구자들에게 안정적인 연구 환경을 제공하여 핵융합에너지 난제 해결에 기여하고 있다"면서 "올해 실험을 통해 텅스텐 디버터 환경에 대한 이해도를 높이고 우수한 플라즈마 운전 기술을 확보할 수 있도록 최선을 다하겠다"고 각오를 다졌다.

오영국 핵융합(연) 원장은 "핵융합 실증로 운전 시나리오를 조기 확보하기 위하여 KSTAR의 역할은 앞으로 더욱 중요해질 것"이라며 "텅스텐 환경의 기술적 과제를 해결해 나가고, 더 나아가 추가적인 장치 업그레이드를 통해 더욱 선도적인 연구를 수행할 수 있는 환경을 갖추어 갈 예정"이라고 전했다.