고성능 플라즈마 운전실험 돌입… 핵융합 상용화 앞당긴다

핵융합연, 텅스텐 디버터 환경서 운전기술 확보 나서
텅스텐 불순물 배출 및 억제 등 제어 관련 연구 추진

한국핵융합에너지연구원 내 구축된 초전도핵융합연구장치(KSTAR) 모습. 핵융합연 제공

KSTAR 내부 모습.

'한국의 인공태양' 초전도핵융합연구장치(KSTAR)가 새로운 장치를 달고 핵융합 실증로 운전에 필요한 고성능 플라즈마 운전 기술 확보에 나선다. 핵융합을 통해 실제 전기를 생산할 핵융합 실증로 운영을 위한 플라즈마 운전 시나리오를 개발하는 게 목표다. 핵융합 상용화 시대를 열기 위한 중요한 과정이다.

한국핵융합에너지연구원은 새롭게 교체한 텅스턴 디비터 환경에서 고온·고밀도·고전류 플라즈마 운전 기술 확보를 위한 플라즈마 실험을 이달부터 내년 2월까지 진행한다고 11일 밝혔다.

최근 미국, 영국, 중국 등 주요 국들은 핵융합에너지 상용화를 앞당기기 위해 핵융합 실증로에서 전기를 생산하기 위한 플라즈마 운전 기술 확보에 R&D 역량을 집중하고 있다. 핵융합연은 지난해 KSTAR의 고성능 플라즈마 운전을 위한 핵심 장치인 디버터 소재를 기존 탄소에서 텅스텐으로 교체하고, 초전도자석의 안정적인 성능을 검증했다. 이를 토대로 지난해 1억도 초고온 플라즈마를 48초까지 연장 운전하고, 고성능 플라즈마 운전모드(H-모드)를 102초 운전하는 데 성공했다. 핵심 부품인 초전도 자석은 지난 16년 동안 3만4000회 이상 반복 운전에도 성능을 안정적으로 유지했다.

KSTAR는 이번 실험을 계기로 핵융합 실증로용 플라즈마 운전 시나리오 확보를 위한 플라즈마 물리 실험에 돌입한다. 고온·고밀도·고전류 조건에서 높은 가둠 성능을 달성할 수 있는 고성능 플라즈마 운전과, 이를 방해하는 각종 불안정 현상 등을 해소하기 위한 연구를 펼친다. 특히 텅스텐 디버터의 성능 점검과 내벽 연구 강화를 통해 핵융합 실증로 환경에 적용할 수 있는 텅스텐 불순물 제어 연구도 한다.

텅스텐은 열에 강해 초고온 플라즈마를 가두는 핵융합로 내벽 소재로 적합하지만, 운전 과정에서 발생하는 텅스텐 불순물이 플라즈마 성능과 안전성을 저하시키는 단점이 있다. 7개국이 프랑스에 건설하고 있는 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트에서도 텅스텐 불순물 처리가 가장 중요한 연구 주제로 손꼽힌다.

핵융합연은 텅스텐 불순물 발생 억제를 비롯해 자기장 제어를 통한 텅스텐 불순물 방어, 가열장치를 이용한 불순물 배출 등 다양한 방법을 실험을 통해 검증할 계획이다. 이를 위해 주요 연구주제별 6개 워킹그룹을 구성하고, 미국, 프랑스, 일본, 중국 등 해외 연구기관과 핵융합 난제 해결에 기여할 40여 개 주제에 대해 공동실험을 추진할 방침이다.

남용운 핵융합연 KSTAR연구본부장은 "이번 실험을 통해 텅스텐 디버터 환경에 대한 이해도를 높이고, 우수한 플라즈마 운전 기술을 확보하는 데 최선을 다하겠다"고 말했다.

오영국 핵융합연 원장은 "핵융합 실증로 운전 시나리오를 조기에 확보하기 위해 KSTAR의 역할은 앞으로 더욱 중요해질 것"이라며 "텅스텐 환경의 기술적 과제를 해결하고, 추가적인 장치 업그레이드를 통해 더욱 선도적인 연구 환경을 갖춰 나가겠다"고 밝혔다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr