韓美 공동연구팀, '인공태양' 핵융합로 내부 불순물 억제기술 확보

초전도핵융합연구장치(KSTAR) 내부 모습. 핵융합연 제공

한국과 미국 공동연구팀이 미래 에너지 생산 장치로 꼽히는 핵융합로 내부 불순물 발생을 줄이고 운전 안정성을 높이는 데 성공했다. 초전도핵융합연구장치(KSTAR)와 국제협력을 통해 핵융합에너지 상용화의 핵심 기술을 확보했다는 평가다.

과학기술정보통신부는 한국핵융합에너지연구원과 미국 프린스턴플라즈마물리연구소가 KSTAR를 활용한 공동 연구를 통해 핵융합로 내벽에서 나오는 텅스텐 불순물 생성량을 줄이는 데 성공했다고 6일 밝혔다. 연구결과는 지난달 25일(현지시간) 핵융합 분야 국제학술지 '뉴클리어 퓨전'에 공개됐다.

핵융합발전은 태양 같은 별의 내부에서 일어나는 핵융합 반응을 지상에서 구현해 에너지를 생산하는 방식이다. 주로 토카막이라는 도넛 모양의 장치 내부에 1억℃가 넘는 초고온 플라즈마를 자석으로 붙잡아 핵융합 반응을 일으킨다. 고온의 플라즈마를 안정적으로 오래 유지하는 것이 관건이다. 

핵융합로 내부는 초고온 플라즈마에 직접 노출된다. 열에 강한 텅스텐이 차세대 내벽 소재로 주목받는 이유다. KSTAR는 2023년 핵융합로 내부 핵심 부품인 '디버터'를 텅스텐 소재로 교체했다. 국제핵융합실험로(ITER)도 텅스텐 내벽 적용을 추진 중이다.

고온 플라즈마 운전 시 텅스텐 입자가 플라즈마에 유입되면 장치의 운전 안정성과 플라즈마 성능에 영향을 줄 수 있다는 우려가 있다. 텅스텐 입자가 유입되지 않도록 제어하는 기술이 중요한 연구 과제다.

연구팀은 붕소(B) 분말은 초고온 플라즈마에 실시간으로 주입해 내벽으로부터 나오는 텅스텐 불순물의 생성량이 감소되는 현상을 처음으로 관측했다. 운전 정지 없이도 핵융합로 내벽 상태를 능동적으로 제어해 플라즈마의 안정성을 높인 것이다.

한국과 미국은 2010년 '한·미 핵융합 연구 협력 시행약정' 체결 이후 토카막 물리, 플라즈마-내벽 상호작용 제어 연구 등 다양한 분야에서 공동연구를 이어오고 있다.

핵융합연은 "KSTAR가 정밀한 운전 능력과 높은 신뢰도를 기반으로 국제 공동연구의 중심 플랫폼으로 자리 잡고 있음을 입증한 것"이라고 설명했다.

정택렬 과기정통부 공공융합연구정책관은 "그간 미국과 축적된 협력, 신뢰를 바탕으로 핵융합의 핵심기술을 도출한 사례"라며 "KSTAR와 같은 국내 인프라를 활용해 실험 성과를 지속적으로 확보하고 성과들이 핵융합에너지 실현 가속화와 향후 핵융합 연구의 주도적 역할을 위한 핵심기술 확보로 이어질 수 있도록 적극 지원하겠다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1088/1741-4326/adf123

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]